Insulator-to-metal transition in vanadium supersaturated silicon: variable-range hopping and Kondo effect signatures

We report the observation of the insulator-to-metal transition in crystalline silicon samples supersaturated with vanadium. Ion implantation followed by pulsed laser melting and rapid resolidification produce high quality single-crystalline silicon samples with vanadium concentrations that exceed equilibrium values in more than 5 orders of magnitude. Temperature-dependent analysis of the conductivity and Hall mobility values for temperatures from 10K to 300K indicate that a transition from an insulating to a metallic phase is obtained at a vanadium concentration between 1.1 × 10^(20) and 1.3 × 10^(21) cm^(−3) . Samples in the insulating phase present a variable-range hopping transport mechanism with a Coulomb gap at the Fermi energy level. Electron wave function localization length increases from 61 to 82 nm as the vanadium concentration increases in the films, supporting the theory of impurity band merging from delocalization of levels states. On the metallic phase, electronic transport present a dispersion mechanism related with the Kondo effect, suggesting the presence of local magnetic moments in the vanadium supersaturated silicon material.

Procesos hopping a través del modelo difusional en materiales nanocristalinos usados para aplicaciones fotovoltaicas

Se presentan los modelos de hopping de rango variable (variable range hopping; VRH), vecinos cercanos (nearest neighbor hopping; NNH) y barreras de potencial presentes en las fronteras de grano; como mecanismos de transporte eléctrico predominantes en los materiales semiconductores para aplicaciones fotovoltaicas. Las medidas de conductividad a oscuras en función de temperatura fueron realizadas para región de bajas temperaturas entre 120 y 400 K con Si y compuestos Cu3BiS2 y Cu2ZnSnSe4. Siguiendo la teoría de percolación, se obtuvieron parámetros hopping y la densidad de estados cerca del nivel de Fermi, N(EF), para todas las muestras. A partir de los planteamientos dados por Mott para VRH, se presentó el modelo difusional, que permitió establecer la relación entre la conductividad y la densidad de estados de defecto o estados localizados en el gap del material. El análisis comparativo entre modelos, evidenció, que es posible obtener mejora hasta de un orden de magnitud en valores para cada uno de los parámetros hopping que caracterizan el material.