РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2.1. Методика экспериментов
В выполненных экспериментах использована известная схема электронной
фокусировки поперечным магнитным полем [4]. Для реализации этой схемы на
поверхность монокристалла устанавливают два микроконтакта, расстояние между
которыми L меньше длины свободного пробега электронов в металле l. Магнитное
поле Н ориентируют обычно в плоскости поверхности металла перпендикулярно
линии, соединяющей микроконтакты. Схема электронной фокусировки приведена на
рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема электронной фокусировки
с помощью поперечного магнитного поля.
Один из микроконтактов (эмиттер E) используют для инжекции электронов в металл.
Ток пропускают через эмиттер и некоторый удаленный контакт. Второй микроконтакт
(коллектор С) используют для измерения потенциала в этой точке по отношению к
удаленной периферийной точке. Электроны, вылетевшие из эмиттера, в магнитном
поле совершают движение в глубине кристалла по баллистической (циклотронной)
траектории и возвращаются к поверхности кристалла, создавая некоторое
распределение потенциала на ней. При плавном изменении напряженности магнитного
поля получают экспериментальные кривые электронной фокусировки для потенциала
на коллекторе Uс(H).
Наряду с записью сигнала Uc(H) нами производилась запись производной потенциала
по эмиттерному току dUc/dIe(H) с помощью модуляции эмиттерного тока переменным
током малой амплитуды (~ 0,5 мА) и регистрации сигнала на коллекторе на частоте
модуляции. Зависимости dUc/dIe(H) обладают тем преимуществом, что экстремумы на
них выражены резче, чем на Uc(H). Сдвиг экстремумов первой и второй линий
электронной фокусировки на dUc/dIe(H) относительно Uc(H) может быть легко
учтен.
В настоящей работе использовались монокристаллические образцы висмута в виде
дисков и в виде пластин. Во всех случаях тригональная кристаллографическая
грань совпадала с большой плоскостью образцов, на которой и осуществлялась
установка микроконтактов (эмиттера и коллектора). Образцы в форме дисков
(диаметром 10 мм и толщиной 2–2,5 мм) отливались в разъемной форме,
изготовленной из оптически полированного кварца. Ориентация
кристаллографических осей в этом случае задавалась затравочным кристаллом.
Заготовки для пластинчатых образцов вырезались из массивных монокристаллических
слитков электроэрозионным способом. Для удаления образовавшегося после резки
слоя с повышенным содержанием дефектов, заготовки подвергались химическому
травлению и химической полировке в растворе концентрированных кислот (С2Н4О2 +
HNO3). (Для создания диффузно отражающей поверхности, образцы подвергались
химическому травлению в растворе [(FeCl3 – 100 ч.) + (НCl – 50 ч.) + (HNO3 – 1
ч.) + (H2O – 100 ч.)]).
После окончательной обработки образцы имели вид практически прямоугольных
пластин размером 5х8х2 мм3 с зеркальной поверхностью. Отношение сопротивлений
при комнатной и гелиевой температурах составляло величину » 600 – 700. Такое
отношение свидетельствует о том, что объемная длина свободного пробега
электронов в висмуте при гелиевых температурах достигает » 1 мм.
В экспериментах также использовались пластинчатые образцы, рабочая поверхность
которых представляла собой скол висмутового монокристалла по плоскости
спайности. Охлаждение скалываемого монокристалла до азотных температур
позволяло существенно ограничить его деформацию.
Микроконтакты на поверхности кристалла создавались по методу «иглы и
наковальни». В качестве остриев использовались медные проволочки диаметром 0,1
мм, концы которых затачивались электро-химическим травлением в 10% растворе КОН
до диаметра ~ 1 мкм. Для получения точечного стабильного контакта микроострия
приваривались к поверхности кристалла непосредственно в жидком гелии. Для этого
были использованы 100 В батарея постоянного напряжения и балластное
сопротивление 1 МОм, включенные последовательно в цепь каждого из остриев.
Микроконтакты имели сопротивление порядка 1 Ом.
Диаметр микроконтакта d можно оценить из его электрического сопротивления Re.
Для такой оценки существенно, какой характер движения совершают электроны в
микроконтакте — баллистический или диффузион-ный. Для чистого микроконтакта (li
> d, li — упругая длина свободного пробега электронов) в модели круглого
отверстия и в приближении сферической поверхности Ферми используют формулу
Шарвина [1]:
. (2.1)
Здесь — константа, характеризующая данный металл, r — удельное
электросопротивление, l — средняя длина свободного пробега электронов, pF —
фермиевский импульс, n — концентрация электронов.
Для модели грязного отверстия (li < d) в диффузионном режиме используют формулу
Максвелла [82]
. (2.2)
В промежуточном случае при произвольном соотношении между упругой длиной
свободного пробега li и диаметром d для круглого отверстия используют
интерполяционную формулу Векслера [83]:
. (2.3)
Здесь — удельное сопротивление, обусловленное рассеянием на примесях. Функция
b(n), в которой , , протабулирована и изменяется от 1 при n Ј 0,01 до 0,69 при
n і 10.
Оценки диаметра микроконтакта в наших экспериментах по формуле Векслера (2.3)
дают значение примерно от одного до нескольких микрон. Малость отношения
обеспечивало высокую остроту линии электронной фокусировки [44].
2.2. Экспериментальная техника
Наблюдение фокусировки электронов в металлах поперечным магнитным полем
возможно при выполнении двух условий: во-первых, средняя упругая длина
свободного пробега электронов li должна существенно превосходить расстояние L
между эмиттером и коллектором; во-вторых, их диаметры d должны быть сущес
- Київ+380960830922