学海网

高压下化合物半导体的电输运性质研究，博士学位论文，共98页。
摘要：
本论文利用基于金刚石对顶砧的高压原位电学测量手段，协同测量多个电学参量并结合第一性原理计算，系统地研究了化合物半导体 SnO、Ag2S、Bi2Te3、Bi2Se3以及 Sb2Te3的电阻率、霍尔系数、载流子浓度、迁移率、激活能等在压力作用下的变化规律，给出了导电过程中载流子的输运特征，讨论了相关的物理机制，为材料的实际应用提供了一定的指导与建议。具体的实验与理论结果如下：
1、利用高压原位电阻率、Hall 效应、变温电阻率测量以及第一性原理计算对 SnO 高压下的载流子导电行为进行了全面的研究，观测到 SnO 的电阻率、霍尔系数、载流子浓度、迁移率、激活能等在压力调制下的改变。在1.3GPa 时霍尔系数由正变负，表明 SnO 在此压力下经历了一个从空穴导电为主到电子导电为主的载流子类型的转变。随着压力增大到 2-3GPa 时，SnO 发生四方到正交相的结构相变，引起了 SnO 的电阻率、霍尔系数、载流子浓度、迁移率、激活能等电学参量的不连续变化。另外，SnO 的金属化转变在 5GPa 时被发现，能带结构计算的结果表明 SnO 发生金属化是由于其间接能隙闭合导致的，而态密度分布计算进一步证明这是由于Sn-5s态和-5p态与O-2p态在费米面附近强烈杂化所导致的。
2、利用高压原位 Hall 效应测量、变温电阻率测量以及第一性原理计算对Ag2S 进行了全面的电学行为研究，弥补了高压下 Ag2S 电学性质研究的缺失。
Hall 效应测量的结果表明：高压下 Ag2S 的两次结构相变都能够引起其电阻率、霍尔系数、载流子浓度以及迁移率的不连续变化；高压下电阻率测量结合第一性原理计算分析得到：HP2 相 Ag2S 的施主杂质能级在逐步远离导带底，在 15GPa时由于能隙的突然塌缩以及部分 Ag-S 共价键的断裂，空穴参与导电的能力在逐步提升，Ag
2S 由此从 n 型半导体转变为 p 型半导体；变温电阻率测量表明：在15.8GPa 时由于杂质和缺陷电离的完全饱和，Ag2S 表现出类金属导电的特性；随着压力的继续增加，Ag2S 转变成深受主杂质半导体。
.......
关键词：高压 电阻率 霍尔效应 相变 金属化

第一章 前言
高压物理学是研究物质在高压力下物理行为变化的一门学科。高压泛指所有高于常压的压力，是一种极为特殊的条件。高压物理所研究的对象大多是凝聚态物质，高压物理学是指在高压这种极端条件下的凝聚态物理学[1]。之所以能被称为一门学科的另外一个原因在于高压的产生和高压下各种物理行为的检测，离不开特殊的专门的实验方法和技术。
1.1 高压物理学的发展
高压物理学研究开始于Canton在1762年对水进行的压缩性实验；此后的高压研究基本局限于对液态物质的压缩性实验观察。直到二十世纪初，Tammann研究了固态物质的体积随着压力的依赖关系。但是，早期的高压研究都是在0.5GPa的范围进行的，属于高压物理学研究的第一阶段[2]。
1930年左右，美国哈佛大学的Bridgman设计出Bridgeman对顶砧，压力可以加到10GPa，揭示了固体材料的一系列力学、电学、热学等特性，为高压研究工作奠定了坚实的基础[3]。此外，在1938年，Jacobs和Lawson首次将X射线应用于高压下物质的结构分析[4, 5]，而在1952年，Nachtrieb和Lawon共同研究了压力效应下固体物质中原子的扩散，极大地推进了高压研究在原子、分子范畴的发展，被看作是高压物理学发展的第二阶段[6]。
.......