高压下半导体不同导电机制的研究

发布时间：2018-11-16 10:40

【摘要】：本论文利用高压原位直流电学测量技术,对电子导电材料VO_2的电输运性质进行测量,给出了电阻率、激活能、载流子浓度、迁移率和霍尔系数等随压力的变化规律,并系统的讨论了造成这些变化的物理机制。同时,利用高压原位交流测量技术,对BaH_2(H~-离子导电)、KH_2PO4(质子导电)和MWCNT/PVDF复合材料(电子、离子混合导电)进行交流阻抗谱测量,给出了压力对载流子在晶粒和界面处传输的调控作用,以及相变对晶粒和界面介电性质的影响。具体的实验和分析结果如下:1.通过原位高压电阻率、霍尔效应和电阻率温度依赖性测量详细研究了压力对VO_2样品电输运性质的影响。霍尔系数(RH)在整个压力范围内始终为负值,这表明压力没有改变载流子P-N性质,主要载流子一直是电子。电阻率、霍尔系数、载流子浓度和载流子迁移率等电输运参数在10.4GPa左右都发生了显著的变化,这主要是由于VO_2经历了一个结构相变,此相变是由于V-V原子对位置发生轻微调整造成的。电阻率随温度的变化情况表明这个相变是一个从半导体相到半导体相的转变而不是以前拉曼和红外吸收实验报道的压力诱导金属化。并且激活能在10.4GPa处突然的增长表明在结构相变期间VO_2的绝缘性在增强。激活能与压力强度的负相关性表明压力使施主能级移向V原子的π带(导带),同时带隙变窄,这降低了势垒高度使载流子传输更加容易。2.BaH_2作为一种纯H~-离子导电材料,因其H~-离子的大小适合在晶格中快速传输,因此其被广泛关注。本文利用原位高压阻抗谱测量详细分析了压力对BaH_2样品中H~-离子传输性质的影响。扩散系数、电导率、弛豫频率和相对介电常数等电输运参数在2.3GPa左右都发生了显著的变化,这是由于BaH_2样品发生了由pnma相到P63/mmc相的结构相变造成的。从扩散系数随压力的变化可以得出高压下BaH_2中H~-离子在扩散层的扩散性质,在pnma相,压力对H~-离子在扩散层中传输影响不大,扩散系数只有轻微的下降;但在P63/mmc相,压力使得扩散系数迅速上升,表明压力使得H~-离子在扩散层中传输变的容易。压力对离子扩散性质表现出不同的调制作用,这是由于压力对不同结构的BaH_2扩散层中H~-离子扩散路径长度的不同调节作用导致的。我们还研究了BaH_2中离子电导率随压力的演化过程,在pnma相,随着压力的增加H~-离子的传输通道迅速收窄,导致H~-离子在传输通道中迁移的阻力增加,H~-离子运动速度减缓,从而导致晶粒电导率随压力的增长而迅速下降;但在P63/mmc相,压力展宽了H~-离子的传输通道,使得晶粒电导率随压力的增加而增加。通过复模量虚部M’’和阻抗虚部Z’’随频率的变化关系可以看出交变电场中H~-离子在晶界部分的传输过程主要表现出大的电阻响应而电容响应是十分弱的。3.利用高压原位交流阻抗谱测量技术,在0-30.0GPa压力区间内,对KH_2PO4样品的的电输运行为进行测量。通过对KH_2PO4样品电阻、弛豫频率和激活能随压力的变化关系的观察,较全面的认识到高压下KH_2PO4样品的电学行为。在2.5、8.5和15.6GPa处的,KH_2PO4样品的电阻、弛豫频率发生不连续变化,这些压力点处的不连续变化主要是由结构相变引起的质子(H+)传输路径的改变引起的。在Ⅱ相,激活能随压力的变化率为正值(dEa/dP0),这表明压力降低了质子(H+)的迁移率,阻碍了质子(H+)在晶粒内部的传输。在Ⅳ相、Ⅵ相和Ⅵ’相,负的dEa/dP值意味着压力使质子(H+)的传输通道展宽,迁移率增加,质子(H+)传输变的容易。通过复模量虚部M’’和阻抗虚部Z’’随频率的变化关系可以看出:在Ⅱ相,KDP样品晶粒内部以质子(H+)的局域传导为主,压力对质子(H+)局域传导的影响很小;在Ⅳ相,KDP晶粒内部质子(H+)的局域传导逐渐被破坏,质子(H+)长程传输逐渐增强;在Ⅵ相,质子(H+)的局域传导的作用十分微弱,质子(H+)以长程传输为主;在Ⅵ’相,质子(H+)在晶粒内部完全转变为长程传输。4.利用高压原位交流阻抗谱测量技术,在0-25.0GPa压力区间内,对MWCNT/PVDF复合材料的电输运行为进行测量。在14.0和20.0GPa处,MWCNT/PVDF复合材料的相对扩散系数和电阻率发生不连续变化,这是由多壁碳纳米管电子相变和PVDF由α相到β相的相变引起的。在0-14.0GPa压力区间,离子导电份额远远大于电子导电份额,MWCNT/PVDF复合材料以离子导电为主,并且压力对导电份额的影响不大。压力通过改变离子在扩散层中扩散路径的长短来改变离子的扩散系数。离子在扩散层中的扩散速度随压力的增加而减小。界面内的缺陷是影响MWCNT/PVDF复合材料中的电子传输过程的主要因素,通过我们对界面电阻分析可以得出压力使界面内的缺陷对电子的散射作用减弱。在14.0-20.0GPa压力区间,离子扩散受压力影响不大;界面内的缺陷对电子的散射作用随着压力的增加而减弱;同时压力的作用使MWCNT/PVDF复合材料内离子导电份额下降电子导电份额增加。在20.0GPa时,复合材料中离子和电子导电类型发生反转,从离子导电为主转变为电子导电为主。压力使离子的扩散路径变短,离子扩散速度加快。基质内的晶格散射和界面处的缺陷两者共同成为影响MWCNT/PVDF复合材料中的电子传输的主要因素。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O521

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