稀土磷化物的制备及其性质研究

由于科学的发展和社会的需要、探索新的半导体材料、开辟稀土化合物的新用途成了重大的研究课题。众所周知，Ⅲ_a-Ⅴ_a族化合物是已被广泛应用的重要半导体材料。而对于Ⅲ_b-Ⅴ_a族化合物是否是半导体还在探索中。人们对Ⅲ_b-Ⅴ_a族化合物的磁学光学、电学性质及热电性质做了大量的研究。但是，对其是否是半导体未能得出一致的结论。Sclar等人总结了求Ⅲ-Ⅴ族化合物带宽度的公式，预言稀土单氮族化合物是半导体；Yim等人测量了稀土磷化物的吸收光谱，由此证实了其半导体性；Hasegawa用Apw法计算了GdX (x = N、P、As、Sb)的能带，计算得出GdP的能带重迭，故他认为LnP是金属性材料；(Ln=稀土元素）。Guntherodt测量了GdP晶体介电常数与波长关系，由此得出GdP是高载流了浓度材料，他由此解释了GdP电阻率低的现象，但对其是否是半导体未做结论。大量的研究已证实了LnN是半导体，而对LnP却未能得出一致结论。本文以La、Nd、Sm、Y为代表研究了稀土磷化物的光学性质、电学性质和热电性质。由实验结果证实了稀土磷化物是N型半导体。稀土磷化物多晶粉末是用元素合成法制备的。合成LnP的最佳条件为：温度：950 ℃-1000 ℃；时间：10 ～ 36小时；真空度：3 * 10~(-5)笔。对制备后的LnP做了X-ray衍射分析，确定了LnP有氯化钠结构。其中，YP没有ASTM卡，我们参照其衍射图计算了它的晶面间距值，得出其晶格常数为a = 5.652A，计算的d_(nkL)值与实验值符合很好。通过实验证实了合成的LnP是单一化合物。在实验中测量了LnP薄膜的吸收光谱并将其与GaAs的吸收光谱做了比较，证实了稀土磷化物是直接跃迁型材料。同时也求出了LnP的禁带宽度值。其中，NdP、LaP、YP的禁带宽度值是首次得到，文献中未见有报导。从La到Y随着晶格常数变小，禁带宽度值亦减小，该实验结果与Sclar用经验式计算的结果是一致的。在实验中还利用热探针、霍尔系数和热电菌率系数测量了LnP的导电类型，结果表明它们是N型半导体。用四探针测量了它们的电阻率为～10~(-3)ncm。并研究了它们的电阻与温度关系，发现LnP具有半导体的重要特征－电阻的负湿度系数。同时，从电阻与温度关系求出了LnP的激活能、该值较小，说明LnP中存在浅施主能级，我们分析是由于磷缺位在LnP形成正电中心而引入的。所测量的LnP的热电功率系数为近百μv/℃。也以热电功率系数与温度的关系求得了LnP的激活能，这与从电阻与湿度关系所得的激活能值是相符的。这证实了我们对LnP存在浅施主能级所做的判断。本文还对上述试验结果做了简要分析讨论。提出了LnP的能带图。我们认为：稀土磷化物是直接跃迁型的N型半导体。