Investigation of the Valence Band Structure of Thermoelectric (Bi1−xSbx)2Te3 Single Crystals

Using combined optical-spectroscopic and transport investigations it is succeeded for the first time to determine all relevant valence band data for the whole series of mixed crystals (Bi1−xSbx)2Te3 (0 ≦ x ≦ 1). The reflectivity of polarized infrared light including its anisotropy is measured in the wave number range of 300 to 4000 cm−-1. In addition to the spectra the Hall coefficients ϱ123 and ϱ312, the electrical conductivity σ ⟂ c, and the Seebeck coefficient S ⟂ c are also given. In term of a six-valley band model and scattering by acoustical phonons all experimental data are consistently described. The main axis masses m, the ellipsoid tilt angle ϑ, the effective density-of-states mass md, and the susceptibility masses m,∥c are calculated in dependence on composition, also the Fermi level EF, the carrier density p, the mobility μ ⟂ c, the high frequency dielectric constant ϵ∞⟂,∥c, and the relaxation time τopt. For the first time the structure factors in the Hall coefficients are given. In the plot m(x) the distinct maxima of m and md near x = 0.8 are evident and important for the application of these substances. Unter Verwendung von kombinierten optisch-spektroskopischen und Transportuntersuchungen ist es erstmals gelungen, alle relevanten Valenzbanddaten fur die gesamte Mischkristallreihe (Bi1−xSbx)2Te3 (0 ≦ x ≦ 1) zu ermitteln. Die Reflektivitat von polarisiertem Infrarotlicht wird einschlieslich ihrer Anisotropie im Wellenzahlbereich von 300 bis 4000 cm−1 gemessen. Zusatzlich zu den Spektren werden die Hallkoeffizienten ϱ123 und ϱ512, die elektrische Leitfahigkeit σ ⟂ c und der Seebeck-Koeffizient S ⟂ c angegeben. Alle experimentellen Daten werden durch ein Sechs-Tal-Bandmodell und akustische Gitterstreuung konsistent beschrieben. Die Hauptachsenmassen m, der Ellipsoid-Neigungswinkel ϑ, die effektive Zustandsdichtemasse md und die Suszeptibilitatsmassen m,∥c werden in Abhangigkeit von der Zusammensetzung berechnet; ebenso das Ferminiveau EF, die Tragerdichte p, die Beweglichkeit μ⟂c, die Hochfrequenz-Dielektrizitatskonstante ϵ∞⟂,∥,c und die Relaxationszeit τopt. Erstmals werden die Strukturfaktoren der Hallkoeffizienten angegeben. Im Verlauf m(x) sind die Maxima von m und md nahe x = 0,8 auffallend und bedeutend fur die Anwendung dieser Substanzen.