Synthesis and investigation of BiSbTeSe single crystal doped with Zr produced using Bridgman method

Abstract

Single crystal ingot of BiSbTeSe doped with Zr was synthesized using Bridgman method. Energy dispersive spectrometry (EDS) analysis was used to determine chemical composition of studied samples as well as to check and confirm samples homogeneity. X-ray diffraction (XRD) measurements proved that obtained crystal ingot is a single cristal and confirms Bi2Te3-type compound with orientation (00l) of single crystal. Melting point was determined by dilatometrically measured shrinkage during heating. Mobility, concentration, resistivity/conductivity and Hall coefficient of BiSbTeSe doped with Zr samples were determined using a Hall Effect measurement system based on the Van der Pauw method. The Hall Effect was measured at room tem-perature with an applied magnetic field strength of 0.37 T at different current intensities. The measured ingot samples were cut and cleaved from different regions. Calculated results obtained using a Hall Effect measurement system (Ecopia, HMS-3000) were mutually compared for cleaved and cut samples. Changing of transport and electrical parameters with the increase of the current intensity was also monitored.The results confirmed that electrical and transport properties of single crystal depend on crystal growth direction and mobility was also significantly improved in comparison with theoretical value of Bi2Te3 and available literature data.

El lingote del mono cristal de BiSbTeSe dopado con Zr se sintetizó utilizando el método de Bridgman. La composición química se determinó mediante análisis con espectroscopía de dispersión de energía (EDS). Mediante difracción de rayos X (DRX) se demostró que el lingote de cristal obtenido es un mono cristal y confirmó que se trata de un compuesto del tipo Bi2Te3, con orientación del mono cristal (001). El punto de fusión se determinó por medidas dilatométricas. La movilidad, concentración, resistividad/conductividad, y el coeficiente de Hall del BiSbTeSe dopado con Zr, se determinaron utilizando un sistema de medición de efecto Hall basado en el método de Van der Pauw. El efecto Hall se midió a temperatura ambiente con una intensidad de campo magnético aplicada de 0,37 T a diferentes intensidades de corriente. Las muestras de lingotes medidos se cortaron y se rompieron de diferentes regiones. Las muestras de lingotes utilizadas en las medidas fueron obtenbidas mediante corte y escisión en distintas zonas. Los resultados obtenidos utilizando un sistema de medición de efecto Hall (Ecopia, HMS-3000) en las distintas muestras, se compararon entre sí. Los resultados confirmaron que las propiedades eléctricas y de transporte del mono cristal dependen de la dirección del crecimiento del cristal. La movilidad se mejoró significativamente en comparación no solo con el valor teórico de Bi2Te3 sino también con los datos existentes en la literatura.