高压下InP电输运性质的研究

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磷化铟(Indium Phosphide,InP)是Ⅲ-Ⅴ族二元半导体材料的典型代表。是现如今探讨的热门半导体材料之一。室温条件下,具有较大的载流子浓度、较高的电子漂移速度等诸多优点,对比Si和GaAs半导体材料,它具有高电子平均速度,高热导率的特点。这使得磷化铟在光通信器件、单色激光器、调制器、探测器上得以广泛的应用。但是磷化铟在电学方面,特别是在极端压力作用下的电学性质还值得更深层的研究。  本论文运用金刚石对顶砧(Diamond anvil cell,DAC)装置,在其表面采取手工布线的方式集成测试电路,用DAC对样品施加压力,进行阻抗谱和原位电阻率测量。结合理论计算的方法,在0-25 GPa压力范围内,对磷化铟(InP)粉末样品进行的交流阻抗谱,弛豫频率,电阻率和变温电阻率等电学物理量变化规律的研究,对样品出现金属化转变的微观机制进行了解释。具体研究成果如下:  (1)首先,进行了0-25 GPa压力范围内InP原位电阻率的测量。整个加压过程中,压力从0GPa增加至2.8 GPa这一范围内,电阻率有一个缓慢上升;2.8GPa到4 GPa范围内,有一个迟缓下降;在4 GPa到8 GPa的加压过程当中产生了从105到10-4八个数量级的骤降,由此可以确定在压力作用下InP样品发生了结构相变。这是因为原子位的重新排列,电子载流子浓度随之增大,导电率增大,引发的相变过程。在卸压的过程中,电阻率在3.8-0 GPa处骤升了五个数量级,这间接说明InP样品的相变是可逆的。  (2)其次,对InP样品进行了高压变温电阻率测量,由此来探讨样品的金属化相变现象。实验结果显示在2.78 GPa之前,InP样品电阻率随温度增大而减小,呈现半导体特征;当压力大于2.78 GPa时,InP样品电阻率与温度系数呈正比,表现出金属特征。由此可以断定InP样品的结构相变是典型的半导体向金属的转变。我们通过Arrhenius公式对其进行激活能的拟合。110 K-200 K温度范围内InP传导激活能较低,容易激发载流子到低能级。200 K-285 K温度范围内传导激活能高,难激发载流子到更高能级。当压力增大至4 GPa时,低温区与高温区的激活能差值趋近0,表明典型的半导体特性在此时消失,慢慢展现出金属特性。  (3)随后,对InP进行了0-25 GPa压力范围内的阻抗谱测量。实验结果表明:加压过程中,InP样品电阻有一个增大过程,在4 GPa处达到电阻最大值,弛豫频率峰强度最大;继续施加压力发现样品电阻开始减小,在4 GPa到6 GPa压力范围内,电阻急剧减小将近两个数量级,弛豫频率峰强度也急剧减小,这说明InP样品在压力作用下发生了结构相变。在释放压力的过程中我们通过现象发现InP样品的相变是可逆的,同时我们在实验过程中只发现晶粒的输运机制。  (4)最后,通过对InP的第一性原理计算;通过焓差变化随压力关系可知,当压力达到4 GPa处焓差发生了逆转,样品发生从zb向Fm3m结构的转变。体积随压力的增加而减小并伴随有19.5%的体积塌缩。通过对InP能带结构的计算解释了在4 GPa之前电阻率有一个缓慢上升是因为压力致使样品内部的带隙变宽引起,且Fm3m相能带穿越费米能级显现出金属特性。
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