高压下GaP的金属化相变及电学性质研究

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本论文利用基于金刚石对顶砧(DAC)高压原位测量技术,通过高压原位交流阻抗谱,高压原位电阻率和变温电阻率测量等实验手段并结合基于密度泛函理论的第一性原理计算,在35 GPa内对Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓(galliumphoshpide,GaP)的电阻率、晶界与晶粒电阻、弛豫频率等物理量在高压的变化规律进行了研究,解释了GaP样品的金属化相变微观机制,获得如下创新结论:  (1)25 GPa压力内对GaP开展了高压原位交流阻抗谱测量。结果显示,加压过程中,GaP的电阻值持续下降,5.8 GPa左右GaP晶界电阻消失,晶粒电阻占主导作用。24.5 GPa到25.5 GPa区间内,电阻值剧烈下降4个数量级,弛豫峰强度同期剧烈下降,表明GaP在压力的作用下发生了zb→Cmcm结构相变,10.3 GPa到9.2 GPa卸压过程中样品电阻值上升3个数量级,这是由于Cmcm→zb相的结构相变引起的。  (2)在35 GPa压力内开展GaP电阻率精确测量。结果显示,23.5到26.1 GPa电阻率的值急剧下降4个数量级,可以判定压力诱导GaP样品发生zb→Cmcm结构相变。在相变过程中,由于原子位置重新排列,载流子浓度和迁移率发生变化,致使导电能力增强,电阻率下降。11.5 GPa到8.5 GPa卸压过程中,电阻率的值急剧上升4个数量级与交流阻抗谱测量结果基本吻合。  (3)对GaP样品金属化相变进行了判定。高压变温电阻率测量结果显示,相变发生前电阻率具有负的温度系数表现为半导体特性,在相变完成后,电阻率具有正的温度系数,表现为金属特性,证实压力诱导GaP样品发生zb→Cmcm结构相变为典型的半导体→金属的转变。阿伦纽斯公式拟合激活能值,85-185 K的温度区间内激活能相对较低,载流子很容易从低杂质能级激发到价带底,185 K到常温区间内激活能较高,载流子主要来源于高杂质能级激发,当压力趋于25.0GPa时,两部分激活能差值趋于0,能带展宽带隙变窄直至闭合。结合第一性原理理论计算得出焓值随压力的变化关系,表明GaP样品在23.5 GPa发生zb→Cmcm的结构相变并伴随18.6%体积塌缩,能带计算表明,Cmcm相能带穿过费米能级显示为金属相。
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