-1—
Оглавление
1 ВВЕДЕНИЕ 4
2 ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦОВ ТаБд НА КИНЕТИКУ ВОЛНЫ ЗАРЯДОВОЙ ПЛОТНОСТИ 16
2.1 Постановка задачи..................................... 16
2.2 Технология изготовления малых образцов и контактов к ним 17
2.2.1 Изготовление образцов малых поперечных размеров 17
2.2.2 Изготовление контактов.......................... 17
2.2.3 Методика измерений.............................. 18
2.3 Влияние поперечных размеров образцов на температурную зависимость линейной проводимости ТаБз................... 20
2.3.1 Сдвиг и уширение пайерлсовского перехода ....... 20
2.3.2 Скачкообразные изменения линейной проводимости малых образцов........................................ 22
2.3.3 Размытие скачкообразных зависимостей сопротивления в наиболее тонких образцах........................ 22
2.4 Влияние поперечных размеров на форму вольт-амперных характеристик и величину порогового поля начала скольжения ВЗП................................................. 26
2.5 Влияние поперечных размеров на спектр узкополосной генерации .................................................. 30
2.6 Обсуждение результатов................................ 30
2.6.1 Когерентность ВЗП в малых образцах ..............30
2.6.2 Происхождение роста порогового поля..............32
2.6.3 Происхождение скачкообразных изменений проводимости .............................................. 33
2.6.4 Возможные механизмы деградации пайерлсовского перехода при уменьшении толщины образца................35
2.7 Выводы................................................ 37
3 МЕЗОСКОПИЧЕСКИЕ ВАРИАЦИИ ПОРОГОВОГО ПОЛЯ В МАЛЫХ ОБРАЗЦАХ ТаБз 38
3.1 Постановка задачи..................................... 38
3.2 Образцы, методы измерений и обработки результатов ... 39
3.3 Результаты измерений...................................40
3.4 Обсуждение результатов................................ 44
3.5 Выводы............................................... 52
4 ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ДВИЖЕНИЕ ВОЛНЫ ЗАРЯДОВОЙ ПЛОТНОСТИ В СТРУКТУРЕ КВАЗИОДНОМЕРНЫЙ ПРОВОД-НИК-ДИЭЛЕКТРИК-ПРОВОДНИК 54
4.1 Постановка задачи................................... 54
4.2 Экспериментальные методы............................ 55
4.2.1 Подложки и образцы............................. 55
4.2.2 Методика измерений............................. 57
4.3 Эффект поля в N1)803................................ 58
4.4 Эффект поля в Тавз.................................. 64
4.5 Обсуждение результатов.............................. 65
4.6 Выводы.............................................. 69
5 РЕЛАКСАЦИЯ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЗП В ТаБз И 1ЧЬ8ез 70
5.1 Постановка задачи................................... 70
5.2 Экспериментальные методы............................ 71
5.2.1 Методика изучения изменений пространственного распределения фазы ВЗП при изменении температуры . 71
5.2.2 Методика изучения логарифмической релаксации проводимости ........................................... 72
5.3 Пространственное перераспределение фазы ВЗП при скачкообразном изменении сопротивления образцов.............. 75
5.4 Релаксация метастабильных состояний в ТаБз.......... 75
5.5 Релаксация метастабильных состояний в ХЬБез ........ 81
5.6 Обсуждение результатов.............................. 87
5.7 Выводы.............................................. 90
6 КВАНТОВЫЙ КРИП ВЗП В ТОНКИХ ОБРАЗЦАХ ТаБз 91
6.1 Постановка задачи................................... 91
6.2 Экспериментальные методы........................... 93
6.2.1 Криогенная аппаратура.......................... 93
6.2.2 Электрометрическая аппаратура.................. 93
6.2.3 Образцы и контакты............................. 94
6.3 Экспериментальные результаты ....................... 94
6.4 Обсуждение результатов.............................. 98
— 3—
6.5 Выводы.............................................106
7 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ КРИСТАЛЛОВ Т^Зз ОБЫЧНЫХ РАЗМЕРОВ 107
7.1 Постановка задачи..................................107
7.2 Экспериментальные методы и образцы.................108
7.2.1 Криогенная аппаратура.........................108
7.2.2 Электрометрическая аппаратура.................108
7.2.3 Программное обеспечение.......................109
7.2.4 Образцы и контакты............................110
7.3 Температурная эволюция скорости крипа ВЗП..........111
7.3.1 Грязные образцы...............................111
7.3.2 Чистые образцы................................112
7.4 Обсуждение результатов.............................116
7.5 Выводы.............................................119
8 ЭФФЕКТЫ СИЛЬНОГО ПИННИНГА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОМ КРИПЕ ВЗП В ТаЭз 120
8.1 Постановка задачи..................................120
8/2 Экспериментальные методы...........................120
8.3 Результаты измерений...............................120
8.4 Обсуждение результатов.............................124
8.5 Выводы.............................................128
9 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
1. ВВЕДЕНИЕ
4
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ
Во многих металлах наблюдаются фазовые переходы. Сверхпроводимость и ферромагнетизм соединений с металлическими свойствами находят широкое научное и практическое применение, причем практическое применение сверхпроводимости началось лишь во второй половине XX века, т.е. значительно позже ее открытия в начале века. Особым фазовым переходом, который наблюдается в металлах, является переход с образованием волны зарядовой плотности. Волны зарядовой плотности известны в металлах типа хрома, обладающего трехмерным энергетическим спектром, в слоистых соединениях типа дихаяькогенидов переходных металлов МХ2 (М = ХЬ, Та, X = Бе, Б), имеющих квазидвумерные энергетические спектры, а также в большом классе квазиодномерных проводников типа три- и тетрахалькогенидов переходных металлов МХ3 и МХ4 (М = ХЬ, Та, X = Эе, Э), голубых бронз МодМоОз (М = Ю>, К), (ТаЗе4)21 и многих других. Среди упомянутых выше систем наиболее интересными и необычными свойствами обладают квазиодномерные проводники [1], которые и рассматриваются в настоящей диссертации.
Наиболее легко причина возникновения волн зарядовой плотности может быть проиллюстрирована для одномерного металла, энергетическая структура которого изображена на рис. 1.1. Возникновение периодического искажения кристаллической решетки с волновым вектором <7, равным удвоенному фермиевскому вектору электронов кр, приводит к возникновению энергетической щели 2А на уровне Ферми, что, очевидно, понижает энергию электронной системы одномерного металла. При этом проигрыш энергии, связанный с возникновением деформации кристаллической решетки, оказывается несколько меньше выигрыша энергии электронной системы,1 что обеспечивает энергетическую предпочтительность такого состояния. Возникающее состояние характеризуется периодической модуляцией как положения атомов решетки, так и электронной плотности Р = ро + Р\ СО^(рХ -1- <£), где ц = 2кр - волновой вектор
1 Впервые на это обстоятельство обратил внимание Пайерлс [2]
1. ВВЕДЕНИЕ
5
Металлическое состояние (Т>ТР)
-ф~ф—ф—ф~ ф—•—•—•—•-
р = сопе!
Пайерлсовское состояние (Т<Тр)
і
0
с
о
р = р0 + р1 Ып(Ох + Ф)
Рис. 1.1: Происхождение пайерлсовского перехода в одномерном металле. Верхняя часть рисунка - расположение атомов в металлических цепочках, электронная плотность вдоль металлических цепочек и энергетический снектр исходного металла. Нижняя часть ри-супка - то же самое, но в пайерлсовском состоянии. Жирной линией па энергетических спектрах обозначены занятые электронами состояния.
1. ВВЕДЕНИЕ
6
волны зарядовой плотности (ВЗП), а в электронном спектре возникает пайерлссовская щель 2А. ВЗП характеризуется комплексным параметром порядка Ф = При отсутствии дефектов и примесей и в
случае несоизмеримости волнового вектора ВЗП и кристаллической решетки Аи^а значит и энергия ВЗП, не зависят от координат. Под действием электрического поля ВЗП может перемещаться вдоль оси X, перенося электрический ток (фрелиховская проводимость), что описывается появлением зависимости фазы от времени, ф = ф$ + о;£. Взаимодействие ВЗП с дефектами кристаллической решетки и примесями приводит к тому, что скольжение ВЗП возникает лишь при превышении электрическим полем некоторого значения Ет, называемого пороговым полем возникновения нелинейной проводимости. Зацепление ВЗП за примеси называется пиннингом ВЗП. Кроме появления порогового поля, следствием пиннинга является разрушение дальнего порядка ВЗП, приводящее к появлению конечной длины фазовой корреляции [3, 4, 5], которая в зарубежных работах часто называется длиной Фукуямы-Ли-Райса, а в последнее время и длиной Ларкина. Свойственная ВЗП периодическая модуляция плотности заряда приводит к тому, что при скольжении ВЗП возникает узкополосный шум с частотой, пропорциональной скорости движения ВЗП. Приложение высокочастотного поля приводит к возникновению интерференционных явлений, приводящих к появлению ступенек на вольт-амперных характеристиках при скоростях движения ВЗП, при которых частота высокочастотного поля кратна частоте узкополосного шума (ступени Шапиро). В электрических полях меньших порогового ВЗП запиннингована, а ее поляризуемость характеризуется гигантской диэлектрической проницаемостью до 109.
Как правило, различают два случая пиннинга. В случае сильного пиннинга ВЗП взаимодействует независимо с каждой примесью, а сама ВЗП рассматривается как недеформируемая. В случае слабого пиннинга деформация ВЗП уже учитывается. Из-за наличия примесей ВЗП деформируется для минимизации энергии взаимодействия с ними, что может описываться как возникновение зависимости фазы ВЗП от координаты ф(х), или же как появление координатной зависимости волнового вектора ВЗП д(х). Такая деформация ВЗП приводит к выигрышу энергии взаимодействия с примесями ]¥р за счет некоторого проигрыша энергии упругой деформации 1Т€/. Если характерный пространственный масштаб
1. ВВЕДЕНИЕ
7
корреляционной длины L. то
2
где К - константа упругости ВЗГ1, d - размерность пространства, а
где П{ - концентрация примесей и гс, - потенциал взаимодействия ВЗП с примесями. Минимизация разности этих энергий, приходящейся на единичный объем, по L приводит к оценке этой длины
В свою очередь, пороговое поле может быть оценено из условия, что при сдвиге ВЗП на расстояние порядка ее периода энергия пиннинга изменяется на величину порядка XVр [5]. Такая оценка дает
Как и в обычном кристалле, в одноосном электронном кристалле, которым является ВЗП, возможно образование разнообразных дефектов -краевых и винтовых дислокаций [5, 6], а также точечных дефектов (амплитудных и фазовых солитонов) [7, 8]. Эти дефекты играют большую роль в кинетике ВЗП, обеспечивая, например, процесс проскальзывания фазы ВЗП (разрыв ВЗП), происходящий возле контактов при скольжении ВЗП между токовыми контактами [9, 10].
Среди вопросов, которые оставались неизученными к началу работы над диссертацией, были вопросы о величине корреляционных длин, о влиянии размеров на физические свойства квазиодномерных образцов и, в частности, о свойствах образцов с когерентной ВЗП, о влиянии эффекта поля на кинетику ВЗП, о причинах изменения проводимости в метаста-бильном состоянии и о физических механизмах релаксации метастабиль-ных состояний, а также о нелинейной проводимости квазиодномерных проводников в области температур Т < 4,2 К. Все эти вопросы связаны с проблемой пиннинга, с выяснением роли упругих и неупругих деформаций ВЗП и их влияния на линейную и нелинейную проводимость и лежат в основе понимания кинетики ВЗП в квазиодномерных проводниках. Решению этих вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.
Wp ~ Wi\fniLd,
(i.i)
1. ВВЕДЕНИЕ
8
В диссертации приведены результаты экспериментальных исследований двух квазиодномерных проводников из группы трихалькогенидов переходных металлов - ромбического ТаБз и МЬБез.
Ромбический Та8з (в дальнейшем просто ТаЗз) является типичным квазиодномерным проводником, в котором в результате пайерлсовско-го перехода возникает полная диэлектризация электронного спектра [1]. В металлическом состоянии ТаБз является сильно анизотропным металлом с анизотропией проводимости « '200. Температура пайерлсовского перехода Тр = 220 К, характерные значения порогового поля начала нелинейной проводимости чистых образцов Ер < 1 В/см. При Т > Тр характер проводимости металлический, а при Т <Тр - активационный с энергией активации А « 800 К. Кристаллическая решетка ромбическая, волновой вектор ВЗП имеет компоненты близкие к (1/2а* 1/8Ь* 1/4с*), где а*, Ь* и с* - параметры элементарной ячейки, однако на несколько процентов все же отличающиеся от значений, отвечающих точной соизмеримости. При этом компонента волнового вектора ВЗП вдоль оси наибольшей проводимости с* зависит от температуры, уменьшаясь на 1-2% при понижении температуры от 220 К до 100 К [11]. Температурная зависимость волнового вектора приводит к появлению гистереэисных зависимостей проводимости от температуры [12], причем масштаб изменения проводимости при фиксированной температуре может достигать 40% и выше.
Г^ЬБез занимает особое положение среди квазиодномерных проводников с ВЗП из-за наличия 2-х пайерлсовских переходов при Тр\ = 145 К и Трч = 59 К и неполной диэлектризации электронного спектра при Т < Трч [1]. Кристаллическая решетка моноклинная с направлением Ь*, совпадающим с направлением наибольшей проводимости. В металлическом состоянии анизотропия проводимости в плоскости аЬ около 20, а в Ьс, по-видимому, порядка 103. Компоненты волнового вектора ВЗП (0 0,243 0) для низкотемпературной ВЗП и (0,5 0,259 0,5) для высокотемпературной. Концентрация электронов в металлическом состоянии пс = 3,8 х 1021 см“3. При высокотемпературном переходе концентрация свободных носителей уменьшается примерно вдвое, а после второго перехода небольшая часть металлических электронов с концентрацией пе «6 х 1018 см-3 [13] остается в металлическом состоянии вплоть до самых низких температур. Характерные значения порогового поля чистых образцов ~ 0,1 В/см для высокотемпературной ВЗП, и < 10 мВ/см для низкотемпературной.
1. ВВЕДЕНИЕ
9
Структура диссертации. Диссертация состоит из 9 глав.
Во ВВЕДЕНИИ (Глава 1) обосновывается актуальность темы, дается краткий обзор основных свойств квазиодномерных проводников, кратко излагается содержание глав диссертации.
В Главе 2 описана технология изготовления малых образцов ТаБз и контактов к ним, методика измерений проводимости, спектров узкополосной генерации и флуктуаций проводимости и представлены результаты изучения зависимости линейной и нелинейной проводимости и спектров узкополосного шума от размеров образцов. Обнаружено, что практически все основные транспортные свойства квазиодномерных проводников существенно зависят от толшины образцов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что корреляционная длина в направлении, перпендикулярном цепочкам, порядка 1 мкм. Предлагается модель, позволяющая связать гистерезис проводимости не с модуляцией параметра порядка, как предполагаюсь ранее, а с изменением положения химического потенциала электронов. Данная модель позволяет проводить количественные расчеты изменений проводимости при рождении или уничтожении периода ВЗП.
В Главе 3 представлены результаты изучения нелинейной проводимости коротких тонких образцов ТаБз, демонстрирующие возникновение в них своеобразных интерференционных эффектов мезоскопического типа. Полученные результаты свидетельствуют о том, что корреляционная фазовая длина в продольном направлении порядка 10 мкм. Проводятся расчеты величины мезоскопических осцилляций порогового поля в рамках различных моделей пиннинга и показывается, что полученные результаты согласуются лишь с модифицированной моделью сильного пиннинга.
В Главе 4 описана технология получения структур квазиодномерный проводник-диэлектрик- проводник на основе ТаБз и КЬБез, описаны экспериментальные методы и представлены результаты изучения влияния поперечного электрического поля на линейную и нелинейную проводимость этих структур. Полученные результаты свидетельствуют о том, что экранировка поперечного электрического поля осуществляется главным образом ВЗП.
В Главе 5 представлены результаты изучения процессов релаксации метастабильных состояний в ТаБз и КЬБез. Экспериментально показывается, что рождение/уничтожение периода ВЗП приводит к изменению распределения волнового вектора ВЗП на длине порядка 10 мкм.
1. ВВЕДЕНИЕ
10
В Главе 6 представлены результаты изучения низкотемпературной проводимости тонких образцов ТаЭз, приведшие к обнаружению квантового крипа ВЗП.
В Главе 7 представлены результаты изучения низкотемпературной проводимости образцов ТаЯз обычных размеров. Полученные результаты свидетельствуют о том, что квантовый крип ВЗП может наблюдаться в наиболее чистых образцах, в то время как в образцах со значительным содержанием примесей преобладают процессы термической активации.
В Главе 8 описываются аномалии низкотемпературной проводимости ТаЭз и предлагается объяснение этих аномалий эффектами сильного пин-нинга.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ (Глава 9) содержатся краткие выводы и выражаются благодарности.
Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными впервые:
1. Уменьшение поперечных размеров квазиодномерных проводников с волной зарядовой до субмикронных размеров приводит к понижению температуры пайерлсовского перехода, расширению области перехода при сохранении энергии активации в области температур ниже температуры пайерлсовского перехода, качественному изменению формы вольт-амперных характеристик, возрастанию порогового поля начала скольжения ВЗП, сужению спектров узкополосной генерации. Эффекты связаны с достижением поперечными размерами образца длины фазовой корреляции ВЗП в направлении, перпендикулярном одномерным цепочкам.
2. Уменьшение поперечных размеров образов ТаЗз до субмикронных приводит к уменьшению ширины петли температурного гистерезиса сопротивления, возникновению ступенчатых зависимостей проводимости от температуры, возникновению спонтанных флуктуаций сопротивления при температурах ниже температуры пайерлсовского перехода. Эффекты связаны с достижением размерами образца поперечной длины фазовой корреляции и с увеличением вероятности проскальзывания фазы волны зарядовой плотности в малых образцах. Каждый акт проскальзывания фазы ВЗП вызывает перераспределение волнового вектора ВЗП на длинах порядка 10 мкм, а вызываемые этим перераспределением изменения проводимости и
- Київ+380960830922