Электрические и гальваномагнитные свойства монокристаллов черного фосфора

Abstract

Исследованы монокристаллы черного фосфора (b-P) с n-типом электрической проводимости, изготовленные в установке высокого давления (~1 ГПа) с шестью алмазными наковальнями при температуре 800 °C. Время синтеза составило 12 ч. Зависимости электрической проводимости σ(Т,В) и постоянной Холла Rh(Т, В) от температуры в диапазоне 2 < Т < 300 К и от магнитного поля с индукцией 0 < В < 8 Тл рассмотрены на основе однозонной и двухзонной моделей. Подгонка экспериментальных кривых σ(Т,В) и Rh(Т,В) на основе этих моделей указывает на следующие главные особенности исследованных монокристаллов: (1) собственный характер проводимости, (2) приблизительное равенство концентраций и подвижностей электронов и дырок, (3) анизотропия проводимости, концентрации и подвижности электронов и дырок, а также (4) сочетание отрицательного и положительного вкладов в магнитосопротивление (МС, магниторезистивный эффект). В нулевом магнитном поле и при температуре ниже 50—70 К коэффициент анизотропии (α = [σа(Т) – σс(Т)]/σс(Т)) положителен, в то время как выше 220 К его знак изменяется на отрицательный вследствие специфического сочетания температурных зависимостей концентрации и подвижности носителей заряда, движущихся вдоль кристаллографических осей а и с. Показано, что отрицательный знак относительного МС преобладает при Т < 25 К и В < 6 Тл и, предположительно, обусловлен эффектами сильной локализации вследствие структурного беспорядка. Положительный знак МС (положительный магниторезистивный эффект) обусловлен движением носителей заряда под действием силы Лоренца и проявляется при температурах выше 25 К и в магнитных полях 6—8 Тл.