TRANSVERSE MAGNETORESISTANCE OF UNIAXIALLY DEFORMED THIN POLYCRYSTALLINE n-Bi FILMS
R. Tolutis
Semiconductor Physics Institute, A. Goštauto 11, LT-01108 Vilnius, Lithuania
E-mail: tolutis@pfi.lt

Received 14 December 2008; revised 27 March 2009; accepted 18 June 2009

Large influence of uniaxial stretch (strain) S and compression P on transverse and perpendicular resistivity $ρ$ and magnetoresistance (MR) of polycrystalline n-Bi lms was investigated. The calculations were performed on the basis of polycrystalline Bi thin film model and electron intervalley repopulation in deformed film crystallites. The calculations show that in n-Bi films the influence of P on $ρ$ can be many times larger because T-holes in Bi films significantly reduce the effect of deformation. It was found that S and P cause considerably different dependences of ρ and MR on magnetic field strength. The effect of P on the ρ and MR is of opposite sign as compared to S and can be larger than that of S. In strong non-quantizing magnetic field region the transverse ρ appears to be independent of deformation. The investigated high-quality 1.5 $μ$m thick Bi films consisting of up to 200 $μ$m length crystallites were deposited on non-crystalline substrate and annealed at critical temperature close to the film melting temperature. The experimental results confirm the theoretical predictions.

Keywords: bismuth, thin films, magnetoresistance, deformation

KRYPTINGAI DEFORMUOTŲ PLONŲ POLIKRISTALINIŲ n-Bi SLUOKSNIŲ SKERSINĖ MAGNETOVARŽA
R. Tolutis
Puslaidininkių fizikos institutas, Vilnius, Lietuva

Didelis polikristalinių Bi sluoksnių mechaninis atsparumas, unikalios elektrinės savybės ir pigi jų gamybos technologija lemia plačias jų panaudojimo perspektyvas. Deformuotų Bi polikristalinių sluoksnių skersinė (magnetinis laukas sluoksnio plokštumoje statmenas srovei) ir statmena (laukas statmenas sluoksnio plokštumai ir srovei) savitoji varža ρ ir magnetovarža MR buvo tirtos naudojant išplėtotą teorinį polikristalinio sluoksnio modelį. Jame buvo atsižvelgta į kryptingos deformacijos sukeltą elektronų persiskirstymą tarp L slėnių. Polikristalinis Bi sluoksnis turi izotropinį laidumą. Buvo parodyta, kad kryptingai deformuoto polikristalinio Bi sluoksnio kristalituose turėtų būti stebima skirtingo dydžio, tačiau tos pačios krypties laidumo anizotropija. Tai lemia ir sluoksnio anizotropiją. Sluoksnį tempiant jo plokštumoje, pagrindinė laidumo anizotropijos ašis sutampa su deformacijos kryptimi, o jį suspaudus – statmena deformacijai. Skaičiavimai parodė, kad suspaudus polikristalinį n-Bi sluoksnį yra stebimas didelis skersinės ir statmenos varžos pokytis. Sluoksnį tempiant magnetovaržos pokytis yra daug mažesnis ir turi priešingą ženklą nei spaudžiant. Ypatingai didelis iki 1400 % magnetovaržos pokytis stebimas suspaudus n-Bi sluoksnį 77 K temperatūroje. Deformuotame polikristaliniame Bi sluoksnyje stebima skirtinga skersinės ir statmenos ρ priklausomybė nuo magnetinio lauko. Stipriuose magnetiniuose laukuose skersinė ρ nepriklauso nuo deformacijos, o deformacijos poveikis statmenai ρ nepriklauso nuo magnetinio lauko. Panašios, tik silpnesnės ρ priklausomybės išlieka ir esant 300 K, tik pasislenka į didesnių magnetinių laukų sritį. Poveikį ρ mažina mažesnis elektronų persiskirstymas tarp L slėnių. Švariame Bi puslaidininkiniame sluoksnyje T skylės, turėdamos trigonalinėje plokštumoje izotropinį judrį, žymiai sumažina L elektronų lemtą sluoksnio laidumo anizotropiją, o tuo pačiu ir deformacijos poveikį.
Eksperimente tirta kryptingai deformuotų 0,3–1,5 $μ$m storio polikristalinių Bi sluoksnių skersinė ir statmena varža. Sluoksniai buvo gauti vakuuminio garinimo būdu, vėliau juos iškaitinant krizinėje temperatūroje, artimoje sluoksnio tirpimo temperatūrai. Tokių sluoksnių kristalitų skersmuo gali siekti kelis šimtus mikronų. Didelė magnetovarža (esant 77 K ir 2,6 T siekianti 14000 %) rodo gerą tokių sluoksnių kokybę. Sluoksniai buvo kryptingai deformuojami iki 0,25 %, kada 77 K temperatūroje elektronai turi visiškai persiskirstyti tarp L slėnių. Matavimų rezultatai patvirtina prielaidą, kad kryptingai deformuojant polikristalinį Bi sluoksnį jo skersinė ir statmena varža kinta dėl elektronų persiskirstymo tarp anizotropinių L slėnių.