Low Temperature Physics: 47, 24 (2021); https://doi.org/10.1063/10.0002894
Физика Низких Температур: Том 47, Выпуск 1 (Январь 2021), c. 29-37    ( к оглавлению , назад )

Resonant impurity level of Ni in the valence band of Pb1–xSnxTe alloys

E. P. Skipetrov1,2, N. S. Konstantinov1, E. V. Bogdanov1, A. V. Knotko2,3, and V. E. Slynko4

1Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia

2Faculty of Material Sciences, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia

3Faculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia

4Frantsevich Institute for Problems of Materials Science of NAS of Ukraine, Chernivtsi 58001, Ukraine
E-mail: skip@mig.phys.msu.ru

Received September 15, 2020, published online November 24, 2020

Abstract

The phase and elemental compositions and galvanomagnetic properties (4.2 K ≤ T ≤ 300 K, B ≤ 0.07 T) of samples from a single-crystal Pb1–xySnxNiyTe ingot (x = 0.08, y = 0.01) synthesized by the Bridgman–Stockbarger method were studied. Microscopic inclusions enriched in nickel were found. It is shown that in the main phase, the tin concentration increases exponentially along the ingot (x = 0.06–0.165), while the concentration of nickel impurity does not exceed 0.4 mol %. A significant increase in the concentration of holes along the ingot and an ab-normal increase in the Hall coefficient with increasing temperature were found; both are due to the pinning of the Fermi level by the resonant nickel level located in the valence band. The dependences of the hole concentration and of the Fermi energy at T = 4.2 K on the tin concentration in alloys are calculated using the two-band Kane dispersion law. A qualitative model of electronic structure rearrangement is proposed. The model takes into account the movement of the nickel level into the depth of the valence band with an increase in tin concentration and the redistribution of electrons between the valence band and the level. The energy position of the nickel level and the speed of its movement relative to the top of the valence band with an increase in the tin content in Pb1–xSnxTe alloys are estimated.

Анотація

Вивчено фазовий та елементний склади, а також гальва-номагнітні властивості (4,2 K ≤ T ≤ 300 K, B ≤0,07 Tл) зразків з монокристалічного злитка Pb1–xySnxNiyTe (x = 0,08, y = 0,01),який синтезовано методом Бриджмена–Стокбаргера. Виявлено мікроскопічні вкраплення, які збагачені нікелем. Показано, що в основній фазі концентрація олова експоненціально зростає вздовж злитка (x = 0,06–0,165), тоді як концентрація домішок нікелю не перевищує 0,4 моль %. Виявлено значне збільшення концентрації дірок уздовж злитка та аномальне збільшення коефіцієнта Холла із підвищенням температури; обидва зумовлені закріпленням рівня Фермі резонансним рівнем нікелю, який розташований у валентній зоні. Залежності концентрації дірок та енергії Фермі при Т= 4,2 К від концентрації олова в сплавах розраховуються за двосмуговим законом дисперсії Кейна. Запропоновано якісну модель перебудовиелектронної структури. Модель враховує переміщення рівня нікелю в глибину валентної зони зі збільшенням концентрації олова та перерозподілом електронів між валентною зоною та рівнем. Оцінено енергетичне положення рівня нікелю та швидкість його руху відносно вершини валентної зони зі збільшенням вмісту олова в сплавах Pb1–xSnxTe.

Key words: Pb1–xSnxTe alloys, 3d transition metal impurities, galvanomagnetic effects, resonant level of nickel.