Rev. Phys. Appl. (Paris) 15, 961-972 (1980)
DOI: 10.1051/rphysap:01980001505096100

Structural study of bismuth films and its consequences on their electrical properties

J. Buxo¹, M. Saleh¹, G. Sarrabayrouse¹, G. Dorville², J. Berty³ et M. Brieu<sup>3

1</sup>  Laboratoire d'Automatique et d'Analyse des Systèmes du C.N.R.S., 7, av. du Colonel-Roche, 31400 Toulouse, France
²  Société Jules-Richard, 116, quai de Bezons, 95 Argenteuil, France
³  Laboratoire de Physique Structurale, Equipe de Recherche Associée au C.N.R.S., Cinétique Cristallochimique des Couches Minces, Université Paul-Sabatier, 118, route de Narbonne, 31077 Toulouse Cedex, France

Abstract
The structure of bismuth thin films prepared according to three different deposition techniques is inspected by : reflection electron diffraction, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission microscopy and electron diffraction. The electrical conduction properties, R H and conductance measurements, of these films are then discussed. It appears that surface states play a major role in dictating the properties of both RH and conductivity. This is clearly confirmed with the aid of the conclusions of the structural study. By comparing size effect theories with the conductivity data the carrier mean free path can be estimated to be of the order of 1 000 Å in good agreement with the observation of the film structure. The surface state density and the energy barrier that controls the carrier transport across the grain boundaries have also been evaluated as a function of the preparation technique.

Résumé
Les auteurs étudient les propriétés structurales des couches minces de bismuth à 1'aide des techniques suivantes : diffraction des électrons par réftexion, diffraction des rayons X, microscopie électronique par balayage et diffraction et microscopie électronique par transmission. Ils rappellent les propriétés électriques des couches minces de bismuth (mesures de conductivité et du facteur RH). Il apparait que les états de surface jouent un rôle déterminant dans les définitions des propriétés du facteur RH et de la conductivité. Cette conclusion est étayée par les résultats de 1'etude structurale. Une propriété importante du mécanisme de conduction telle que le libre parcours moyen des porteurs a été estimée et sa valeur est aussi en accord avec les résultats de l'étude structurale. La densité des états de surface ainsi que la hauteur de barrière associée aux joints de grain ont été évaluées en fonction des différentes techniques de preparation.

PACS
6855 - Thin film growth, structure, and epitaxy.
7280C - Electrical conductivity of elemental semiconductors.
7320 - Electronic surface states.
7360F - Electronic properties of semiconductor thin films.

Key words
bismuth -- carrier mean free path -- electron diffraction examination of materials -- electronic conduction in crystalline semiconductor thin films -- reflection high energy electron diffraction -- scanning electron microscope examination of materials -- semimetallic thin films -- size effect -- surface electron states -- transmission electron microscope examination of materials -- X ray diffraction examination of materials -- electrical properties -- structure -- deposition techniques -- reflection electron diffraction -- X ray diffraction -- scanning electron microscopy -- transmission microscopy -- electron diffraction -- electrical conduction -- conductance measurements -- conductivity -- size effect theories -- surface state density -- energy barrier -- carrier transport -- grain boundaries -- Bi thin films -- semimetal