OPTICAL, ELECTRICAL AND MAGNETIC PROPERTIES OF CHALCOPYRITE, CuFeS₂

Résumé
Diverses propriétés optiques, électriques et magnétiques du semiconducteur magnétique CuFeS₂ ont été étudiées. Les spectres optiques montrent que le bord d'absorption se situe à 0,6 eV pour CuFeS₂ alors que de fortes bandes d'absorption apparaissent à 1,3 et 2,0 eV pour CuAlS₂ dopé au Fe. La photoconductivité a été observée dans la même région spectrale. Ces fortes absorptions ont pour origine des transitions de transfert de charge en relation avec les orbitales 3d du Fe, et le bord d'absorption de CuFeS₂ résulte de transitions bande à bande correspondant à ces transitions de transfert de charge. Pour CuFeS₂ de types n et p, la conductivité électrique augmente légèrement quand la température décroît et la concentration des porteurs est indépendante de la température. Les valeurs des mobilités sont faibles : 10 cm²/V.s pour le type n et 1 cm²/V.s pour le type p. La susceptibilité magnétique est indépendante de la température entre 40 et 600 K et elle est d'environ 10^-3 par mole. Ce comportement métallique apparent des propriétés électriques et magnétiques se comprend à partir d'un modèle de semiconducteur dégénéré où les orbitales 3d fortement hybridées aux orbitales s et p constituent les bandes de valence et de conduction.

Abstract
Various optical, electrical and magnetic properties of a magnetic semiconductor, CuFeS₂, have been studied. Optical absorption spectra show the absorption edge at 0.6 eV for CuFeS₂ and strong absorption bands at 1.3 eV and 2.0 eV for Fe-doped CuAlS₂. Photoconductivity is also observed at the same energy region of the absorption edge. These strong absorptions originate from the charge transfer transitions relating to 3d orbitals of Fe and the absorption edge of CuFeS₂ rises from the band-to-band transition corresponding to this charge transfer transition. For n- and p-type CuFeS₂ electrical conductivities increase slightly with decreasing temperature and carrier concentrations do not depend on temperature. Mobility has small value as 10 cm²/V.s for n-type specimen and 1 cm²/V.s for p-type. Magnetic susceptibility is also temperature independent between 40 K and 600 K and its magnitude is 10^-3 per mol. These apparent metallic behaviours of electric and magnetic properties are understood from a model of a degenerate semiconductor where 3d orbitals are appreciably admixed with s and p orbitals and compose both the conduction and valence band.