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Die magnetische Suszeptibilität von Bi und Bi-Sb-Legierungen

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Physik der kondensierten Materie

Abstract

We have measured and discussed the field independent magnetic properties of Bi1-xSbx alloys for the concentration range 0≦x≦0,4. The observed transitions from the semimetal to semiconductor phase at about 7 At.-% Sb and from the semiconductor to semimetal phase at about 22 At.-% Sb are very well defined. Measurements on the semiconductor phase at low temperatures allowed us to separate the lattice componentχ G of the susceptibility from that due to the charge carriersχ L. It is therefore possible to estimate these two components for pure Bi. The results show thatχ G is strongly diamagnetic in all crystall directions and thatχ L is paramagnetic. An estimate of the charge carrier susceptibility based on a modified Pauli Landau model is found to give an order of magnitude agreement with the experimental results. The deviation can be attributed to a nonparabolic conduction band. The dependence of the energy gapΔE on the Sb concentration has also been determined.

Zusammenfassung

Wir haben die feldunabhängigen magnetischen Eigenschaften von Bi1-xSbx im Legierungsbereich 0≦x≦0,4 gemessen und diskutiert. Die Übergänge von der halbmetallischen zur halbleitenden Phase bei ca. 7 At.-% Sb und von der halbleitenden zur halbmetallischen Phase bei ca. 22 At.-% Sb sind sehr deutlich zu beobachten. Im Halbleitergebiet konnten wir bei tiefen Temperaturen den Gitter-Anteilχ G von der Suszeptibilität der Ladungsträgerχ L trennen. Dadurch lassen sich auch für reines Bi diese beiden Anteile abschätzen. Es zeigte sich, daßχ G in allen Kristallrichtungen stark diamagnetisch,χ L dagegen paramagnetisch ist. Eine Abschätzung der Ladungsträgersuszeptibilität aufgrund eines modifizierten Pauli-Landau-Modells ergibt größenordnungsmäßige Übereinstimmung mit dem Experiment. Die Abweichung läßt sich auf die nichtparabolische Bandform zurückführen. Der Verlauf der EnergielückeΔE mit der Sb-Konzentration wurde bestimmt.

Résumé

Les propriétés magnétiques indépendantes du champ de Bi1-xSbx ont été mesurées et discutées dans le domaine 0≦x≦0,4. Nous avons pu clairement observer les deux transitions suivantes: Semiconducteur—Semimétal pour environs 7 At.-% Sb et Semimétal—Semiconducteur pour environs 22 At.-% Sb. Dans le domaine de semi-conductivité et aux basses températures il est possible de séparer la susceptibilité du réseauχ G de celle des porteurs de charge libresχ L. Ainsi, on peut estimer ces deux contributions pour le Bi pur. Il apparait que pour toutes les orientations du cristalχ G est fortement diamagnétique, alors queχ L est paramagnétique. Une estimation de la susceptibilité des porteurs de charge libres, basée sur un modèle de Pauli-Landau modifié, livre des valeurs du même ordre de grandeur que les résultats expérimentaux. Il est possible d’expliquer les divergences par la présence de bandes non paraboliques. Nous avons étudié, en fonction de la concentration en Sb, le comportement de l’énergie d’activation thermiqueΔE.

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Authors and Affiliations

  1. Laboratorium für Festkörperphysik, Eidgenössischen Technischen Hochschule, Gloriastraße 35, CH-8006, Zürich

    L. Wehrli

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  1. L. Wehrli
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Wehrli, L. Die magnetische Suszeptibilität von Bi und Bi-Sb-Legierungen. Phys kondens Materie 8, 87–128 (1968). https://doi.org/10.1007/BF02422734

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