Ви є тут

Квазiодновимiрнi електроннi системи над рiдким гелiєм

Автор: 
Гладченко Сергiй Павлович
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2002
Артикул:
0402U000975
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РАЗДЕЛ 2.
СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ ОДНОМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ НАД ЖИДКИМ ГЕЛИЕМ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЕЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
2.1. Способ реализации одномерной электронной системы над жидким гелием
Экспериментальное исследование транспортных свойств квази-одномерных электронных систем над жидким гелием, началось в 90-х годах в работе [104], в которой для реализации таких систем использовалась оптическая дифракционная решетка. Хотя авторам не удалось получить чисто одномерную систему, они показали принципиальную возможность экспериментальной реализации одномерных периодических структур над жидким гелием. Проводимость, измеренная вдоль каналов, была близка к проводимости двумерного электронного слоя над массивной жидкостью, в то время как поперек каналов проводимость практически отсутствовала.
Исследования с использованием в качестве подложек различных оптических дифракционных решёток были продолжены в работах [85,103]. В работе [85] авторы определяли значения плазменной частоты и подвижности электронов в каналах в зависимости от высоты Н подложки над уровнем массивного гелия, изменение которой, согласно (1.3), ведет к изменению кривизны поверхности жидкости в проводящих желобках. Было отмечено, что при увеличении Н плазменная частота растёт, а подвижность носителей падает, что может являться свидетельством локализации носителей на неоднородностях подложки. Измеренная температурная зависимость подвижности качественно сходна с теоретически предсказанной в [80], однако численные значения подвижности значительно меньше даже для самых малых радиусов кривизны, использовавшихся в работе. В работе [103] авторы наблюдали падение проводимости с уменьшением температуры, даже в области газового рассеяния, что не согласуется с теоретическими предсказаниями для электронной проводимости одномерных систем. Этот эффект, возможно, был связан с качеством подложки, которое было значительно хуже, чем в предыдущем эксперименте [85], что в свою очередь и приводило к более сильной локализации носителей. Таким образом, в данных экспериментах так и не удалось получить одномерную систему, используя в качестве подложки дифракционную решетку.
Изучавшаяся в настоящей работе электронная система интересна тем, что позволяет создать наиболее оптимальные условия для реализации одномерности, а также исследовать влияние размерности на кинетические характеристики носителей. Особый интерес вызывает возможность исследования эффектов локализации, вероятность наблюдения которых значительно увеличивается с понижением размерности системы.
Электронная система, близкая по своим свойствам к одномерной, в данной работе была реализована следующим образом. На стеклянную пластинку размерами 24.5 x 19.1 мм2 и толщиной 1.2 мм была намотана виток к витку нейлоновая нить диаметром 0.1 мм. Таким образом создавалась система канавок из диэлектрика с малой диэлектрической проницаемостью, причем использовалось несколько видов нитей, при этом выбирали нить с наиболее гладкой, лишенной дефектов поверхностью. Такая подложка располагалась в экспериментальной ячейке на некоторой высоте Н над уровнем жидкого гелия. Под действием капиллярных и ван-дер-ваальсовских сил жидкий гелий натекал на подложку, при этом на верхушках нейлоновых нитей находилась гелиевая пленка толщиной 2.5*10-6 см, а между нитями образовывались "желобки" из жидкости (рис.2.2(б)). Кривизна поверхности жидкости в желобках зависит от Н и определяется выражением (1.19). Эксперименты проводились при значении r = 3.5 мкм. В экспериментальной ячейке находилось 150 проводящих каналов.
Диэлектрическая постоянная нейлона при гелиевых температурах определялась экстраполяцией значений, измеренных нами при комнатной и азотной температурах, и приближенно составляет величину 1.5.
Вид потенциальной ямы, в которой локализованы электроны, а также энергетические уровни для величины прижимающего электрического поля, использовавшегося в работе (Е? = 450 В/см), представлены на рис.2.1.

Рис.2.1 Схематическое изображение профиля потенциальной энергии электрона в жидком канале при Е? = 450 В/см.
Видно, что потенциальная яма, в которой локализованы электроны, является достаточно глубокой (~ 6000 К). В верхней ее части видна особенность, обусловленная силами изображения, действующими на электроны со стороны твердой подложки, в тех местах, где равновесная толщина пленки становится малой. Причем заметно, что практически отсутствует потенциальный барьер, который мог бы удерживать электроны над пленкой. Это дает возможность в опыте удалять все электроны с тонких слоев пленки в жидкие "желобки", где электроны находятся над толстым слоем гелия, и, таким образом, обеспечить достаточно хорошую однородность полученной системы.
Как уже отмечалось, для реализованной электронной системы характерная глубина потенциальной ямы, в каждом из проводящих каналов, составляла U = 6000 К, при этом характерный размер локализации электронов поперек канала y0=[h/m?0]1/2 для использовавшегося в работе прижимающего поля составлял ~ 10-5 cм. Величина U при этом была много больше энергии межэлектронного взаимодействия Uee, которое для наибольшего среднего расстояния между электронами, имевшего место в работе, ~ 2*10-4 см, составляло Uee ? ( 7 - 8 ) К. Расстояние между энергетическими уровнями ?E для значения прижимающего поля Е? = 450 В/см равнялось ?E = 0.13 К. Таким образом, отношение Uee/?E ? 60, что несколько больше аналогичной величины в опытах с двумерной электронной системой над жидким гелием.
К сожалению, в экспериментах не выполнялось условие ?E > kT (k - постоянная Больцмана), так что электроны находились не только на основном энергетическом уровне, но и на более высоколежащих уровнях. Только этим обусловлено то, что в эксперименте не удалось получить чисто одномерную систему, так как не выполняется условие, необходимое для существования одномерной системы: тепловая длина волны де Бройля ?D больше эффективной ширины канала уn (уn=2.9*10-5cм, ?D=1.9*10-5см дл