Self-hall-effect measurements in bismuth with repetitive magnetic-field pulses

Summary

Using the technique of capacitor discharge, a repetitive pulsed magnetic field has been obtained with the following characteristics: 67 kOe field intensity in a coil of about 1 cm³ volume at a repetition rate of 50 Hz; the pulse length is about 10 μs, practically sinusoidal in shape. Using sampling- and phase-sensitive detection an improvement in the signal-to-noise ratio of about 10³ in respect to the single-shot technique can be achieved. The repetitive pulsed magnetic field has been used to investigate transport properties of polycristalline Bi with the self-Hall effect. For electron and hole mobilities we have obtained 2.3 and 18.7 for electrons, 1.47 and 7.2 m²/V·s for holes at 273 and 80 °K respectively. Moreover the nonintrinsic behavior of Bi at both temperatures has been proved to be not due to the presence of impurities, but to thermal excitation of electrons living behind holes which do not partecipate in the conduction. This is in accord with the possibility of existence of open surfaces as suggested by Lifshitzet al. By definingx=(n ₂−n ₁)/n ₁ as a measure of the nonintrinsic behavior, we have obtainedx=−0.096 andx=−4.1·10⁻³ at 273° and 80 °K respectively.

Riassunto

Mediante la tecnica della scarica di un banco di condensatori, è stato ottenuto un campo magnetico ad impulsi ripetuti avente le seguenti caratteristiche: intensità di 67 kOe, in una bobina di circa un cm³ di volume utile, ad una frequenza di ripetizione di 50 Hz; la lunghezza dell’impulso è circa 10 μs praticamente di forma sinusoidale. Facendo uso di tecniche di campionamento e di rivelazione in fase è possibile ottenere un miglioramento del rapporto segnale/rumore pari a circa 10³ rispetto all’impulso singolo. Il campo magnetico ripetitivo è stato applicato allo studio delle proprietà di trasporto del Bi policristallino utilizzando l’autoeffetto Hall. Per le mobilità degli elettroni e delle buche noi abbiamo ottenuto 2.3 e 18.7 per gli elettroni, 1.47 e 7.2 m²/V·s per le buche a 273 e 80 °K rispettivamente. Inoltre si dimostra che il comportamento non intrinscco del Bi ad entrambe le temperature non è dovuto alla presenza di impurezze, ma alla eccitazione termica di elettroni che lasciano posto a buche che non partecipano alla conduzione. Ciò è in accordo con la possibilità di esistenza di superfici aperte come è stato proposto da Lifshitzet al. Definendox=(n ₂−n ₁)/n ₁ come una misura del comportamento non intrinseco, noi abbiamo ottenutox=−0.096 cx=−4.1·10⁻³ rispettivamente a 273 e 80 °K.

Реэюме

Испольэуя технику раэряда конденсатора, было получено периодически повторяюшееся импульсное магнитное поле со следуюшими характеристиками: интенсивность поля 67 кОe в катущке общемом около 1 см³ при скорости повторения 50 Hz; длина импульса составляет около 10 μсек; и форма импульса практически синусоидальная. Испольэуя выборку и чувствительное детектирование фаэы, может быть достигнуто уточнение отнощения сигнала к щуму приблиэительно в 10³ по отнощению к технике отдельного импульса. Периодически повторяюшееся импульсное магнитное поле было испольэовано для исследования транспортных свойств поликристалла Вi в случае собственного зффекта Холла. Для подвижностей злектронов и дырок мы получили 2.3 и 18.7 для злектронов и 1.47 и 7.2 м²/вольт · сек для дырок соответственно при 273° и 80 °К. Кроме того, было докаэано, что неестественное поведение Вi при обеих температурах не обусловлено наличием примесей, а тепловым воэбуждением злектронов, сушествуюших поэади дырок, которые не принимают участия в проводимости. Это согласуется с воэможностью сушествования открытых поверхностей, как предполагалось Лифщицем и др. Определяяx=(n ₂−n ₁)/n ₁, как меру неестественного поведения, мы получаемx = − 0.096 иx = − 4.1 · 10⁻³ соответственно при 273° и 80 °K.