СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ ........................................................ 8
ГЛАВА I. МЕХАНИЗМЫ РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПРОВОДИМОСТИ И КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ В СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ .............................. 20
I. I. Кинетические свойства металлов в сильных магнитных полях. Основные механизмы рассеяния электронов проводимости ................................................... 20
1.2. Элскгрон-поверхностнос рассеяние и статический
скин-эффект ............................................ 27
1.2.1. Теоретические представления ...........................28
1.2.2. Эксперименты по изучению статического скин-эффекта ... 34
1.3. Интерференционный механизм рассеяния “электрон-фонон-поверхность” ...............................................19
1.4. Межлистное электрон-фононное рассеяние и экспонента Пайерлса. Эффект температурного (фононного) пробоя .........41
1.5. Дефекты кристаллической решетки и электронные свойства металлов .................................................. 51
1.5.1. Дислокационные стенки, деформационные поля дислокаций и сопротивление металлов. Эффект дислокационного (деформационного) пробоя ...................................52
стр.
1.5.2. Радиационно-индуцированные дефекты и электронные
свойства металлов .................................... 55
1.6. Модели поверхностей Ферми ................................57
1.6.1. Модели поверхностей Ферми вольфрама и молибдена ....... 57
1.6.2. Модель поверхности Ферми рения 59
1.7. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ....................................... 63
ГЛАВА 2. ОБРАЗЦЫ!! МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА .......................... 65
2.1. Характеристики исследуемых образцов ..................... 65
2.2. Блок-схема установки для исследований
кинетических свойств ................................... 72
2.2.1. Магнитные поля и их контроль .......................... 74
2.2.2. Устройство для вращения образца в магнитном поле .......75
2.2.3. Измерение температуры ................................. 78
2.3. Методика измерений ...................................... 78
2.3.1. Мон гаж образцов ...................................... 78
2.3.2. Методика измерений магиитосопротивления ............... 79
2.4. Методики оценок величин некоторых физических парамегров .................................................. 81
3
стр.
ГЛАВА 3. РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПРОВОДИМОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛА И ЭЛЕКТРОННЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА. СТАТИЧЕСКИЙ СКИН-ЭФФЕКТ В СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ ................................. 84
3.1. Элсктрон-поверхностное рассеяние и статический скин-эффект в металлах с замкнутой поверхностью Ферми..............84
3.1.1. Эффект формы образца в магиитосопротивлении монокристаллов вольфрама и молибдена ............................ 85
3.1.2. Статический скин-эффект в сильных магнитных полях.
Роль “объемных” и “поверхностных” электронов ........... 97
3.1.3. “Размерный" эффект в магиитосопротивлении 99
3.2. Статический скин-эффект в металлах с открытой поверхностью Ферми ............................................... 105
3.2.1. Типы электронных траекторий в ренин .................. 103
3.2.2. Магнитосопротивлснне в случае замкнутых
электронных траекторий ................................ 107
3.2.3. Магнитосопротивлснне при реализации широких слоев открытых электронных траекторий ............................ 113
3.2.4. Магнитосопротивлснне в случае двумерной области и пространственной сетки открытых электронных траекторий ...........116
3.2.4.1. Двумерная область открытых траекторий .............. 116
3.2.4.2. Пространственная сетка узких слоев открытых электронных
4
траекторий
116
3.3. Статический скин-эффект в теплопроводности монокристаллов
вольфрама в сильных магнитных полях .................. 119
3.4. Интерференционный механизм рассеяния “электрон-фонон-
повсрхность” и квадратичная температурная зависимость магнитопроводиыости вольфрама и молибдена 124
3.5. Выводы ............................................... 131
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ И ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ МАГНИТОСОПРОГИВЛЕНИЯ. ЭФФЕКТ ТЕМПЕРАТУРНОГО (ФОНОННОГО) ПРОБОЯ В СИЛЬНЫХ
МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ ...................................... 133
4.1. Роль внутри- и межлистного рассеяния носителей заряда в температу рных зависимостях магнитосопротивления вольфрама ................................................. 133
4.1.1. Наблюдение экспоненциальной температурной зависимости магнитопроводимости вольфрама в условиях сильного межлистного элсктрон-фононного рассеяния ..................... 136
4.1.2. Внугрилистное рассеяние и степенной закон изменения
магнитопроводимости вольфрама с температурой ..........140
4.2. Температурная зависимость магнитопроводимости
молибдена в сильных магнитных полях .................. 142
стр.
4.3. Эффект температурного (фононного) пробоя в сильных магнитных полях ........................................... 147
4.4. Выводы ............................................... 154
ГЛАВА 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПРОВОДИМОСТИ С ДЕФЕКТАМИ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ И МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЕ ЧИСТЫХ МЕТАЛЛОВ В СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ. ЭФФЕКТ ДИСЛОКАЦИОННОГО ПРОБОЯ ......................................... 156
5.1. Дефекты кристаллической структуры в исследованных монокристаллах вольфрама и молибдена .......... 156
5.2. Рассеяние электронов проводимости на дислокационных стенках и магнитосопротивление кристаллов вольфрама. “Внутренний” размерный эффект 157
5.3. Взаимодействие носителей заряда с изолированными дислокциями и магнитосопротивление вольфрама
и молибдена .......................................... 165
5.4. Эффект дислокационного (деформационного) пробоя ...... 169
5.5. Рассеяние электронов проводимости на радиационно-индуцированных дефектах и его влияние на магнитосопротивление ...................................... 174
5.5.1. Магнитосопротивление и радиационные дефекты при облучении
вольфрама нонами криптона 174
6
стр.
5.5.2. Радиационно-индуцированные дефекты и магнитосопро-тивление вольфрама при его облучении 5-МэВ электронами 188
5.6. Выводы .............................................191
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................. 193
Литература 198
7
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Современная электронная теория металлов [1], опирающаяся на экспериментальные работы (2-5), была в основном построена в работах Лифшнца, Азбеля, Каганова. Песчанского [6-9) еще в конце 60-х - начале 70-х годов. Согласно этой теории, электронные транспортные свойства металлов в сильных магнитных полях (когда величина ларморовского радиуса электрона гц много меньше длины свободного пробега электронов проводимости /: ги « !) в основном определяются топологией поверхности Ферми конкретного металла и состоянием его компенсации (соотношением между концентрациями носителей тока электронного пе и дырочного я* типа), т.е. факторами, жестко фиксирующими тип электронных траекторий в металле. При этом процессы рассеяния электронов проводимости не оказывают непосредственного влияния на вид электронных орбит и асимптотику полевых зависимостей кинетических коэффициентов, а лишь изменяют величину эффективного магнитного поля Нуфф посредством параметра ГнД.
Однако в последние годы эти представления были существенно расширены. Оказалось, что вид электронных траекторий в металле, следовательно, и поведение его электронных свойств, может существенно изменяться при рассеянии носителей тока на поверхности кристалла, при их взаимодействии с длинноволновыми фонолами, дислокациями и другими дефектами кристаллической структуры. Были экспериментально и теоретически обнаружены такие новые электронные эффекты как статический скин-эффект [10], температурный (фононный) пробой [11], дислокационный (деформационный) пробой [12] и др. В этих случаях процессы рассеяния носителей заряда непосредственно приводят к изменению вида электронных траекторий в металле и прямым образом
8
влияют на повеление его электронных транспортных свойств в сильном внешнем магнитном поле.
Статический скин-эффект - это концентрация постоянного электрического тока вблизи поверхности проводника, возникающая в результате электрон-поверхностного рассеяния (рис. В.1). Он был предсказан теоретически в работах Азбеля-Песчанского [10] и исследован экспериментально в работах Панченко [13], Гайдукова [14] и др. [15,16] в металлах с замкнутой поверхностью Ферми, когда параметр Гц/d ~0.1-1 (d - поперечный относительно магнитного поля Н и электрического тока j размер образца). Несмотря на достаточно большое количество экспериментальных работ по изучению статического скин-эффекта, до сих пор существует точка зрения (см., напр., гл. 12 в [14]), что влияние поверхностного рассеяния на электронные свойства металлов должно уменьшаться с ростом магнитного поля вследствие уменьшения отношения параметра r,/d, то есть уменьшения доли “поверхностных” электронов по сравнению с “объемными” (рис. В.1). Кроме того, до выполнения настоящей работы практически отсутствовали экспериментальные данные о подробном исследовании статического скин-эффекта в металлах с открытой поверхностью Ферми, а также о возможности скинирования не только электрического тока, но, например, и теплового потока.
Следует также отметить, что в таких чистых “размерных” кристаллах ранее в огсутствие магнитного поля был обнаружен интерференционный механизм рассеяния “электрон-фонон-поверхность”, приводящий к квадратичной температурной зависимости электросопротивления [17]. Интересно выяснить, существует ли подобный механизм рассеяния в условиях магнитного поля и каковы особенности его проявления в магннтосопротиапении металлов.
Температурный (фононный) пробой - это изменение вида электронных траекторий в металле в магнитном иоле в результате сильного
9
<8>Н Е
Рис. В.1. Схема статического скин-эффекта с двумя типами электронов проводимости: “объемными” (1) и
“поверхностными” (2). В результате большей подвижности “поверхностных” носителей заряда по сравнению с “объемными", поверхностная магнитопроводимость аххяш оказывается много больше магнитопроводимости объема и, как следствие,
постоянный электрический ток концентрируется вблизи поверхности проводника в слое толщиной порядка ларморовского радиуса г„. Здесь </ - поперечный относительно магнитного поля Н и электрического поля Е размер образца.
10
мсжлистного элсктрон-фононного рассеяния [11]. Этот эффект может возникать при взаимодействии электронов с фонолами, волновой вектор которых |<7| равен или превышает минимальное расстояние между ближайшими листами поверхности Ферми Лк (рис. В.2). В сильном магнитном поле такое межлнетное элсктрон-фононное рассеяние можег приводить к изменению вида электронных орбит, например, из замкнутых траекторий в квазиоткрытые (штриховые линии на рис. В.2). Ранее межлистное электрон-фононное рассеяние и его роль в гальваномагнитных свойствах металлов были изучены экспериментально, но лишь в области промежуточных магнитных полей, когда / ~ ги . Кроме того, отсутствовали надежные экспериментальные данные о наблюдении экспоненциальной температурной зависимости магнигосопротивления (экспоненты Пайерлса), которая, согласно теории [18], должна наблюдаться в металлах в условиях межлистного электрон-фононного рассеяния в области сильных магнитных полей.
Эффект дислокационного (деформационного) пробоя был предсказан в теоретической работе Слуцкина и Маленкина [12] и представляет из себя изменение вида электронных орбит в металле в результате малоуглового рассеяния электронов проводимости ira дислокациях, приводящего к переходу носителей заряда с одного листа поверхности Ферми на другой. Эффект дислокационного пробоя во многом подобен температурному пробою. До выполнения настоящего исследования данные об экспериментальном обнаружении дислокационного пробоя отсутствовали.
Облучение металлов высокоэнсргетичсскнмн частицами приводит к возникновению в них радиационно-индуцированных дефектов. До сих пор изучали влияние таких дефектов на остаточное электросопротивление и его температурные зависимости без магнитного поля [19]. Экспериментальные данные о роли радиационно-индуцированных дефектов в магнито-сопротнвленин чистых металлов отсутствовали.
11
дк
|q|*AK
Рис. В.2. Схема температурного (фононного) пробоя.
Взаимодействие электрона в состоянии А; с фононом, волновой вектор которого q больше межлистного расстояния Лк, может привести к переходу электрона в состояние к2. Буквами И we здесь обозначены листы дырочного и электронного типа, а штриховой линией показана квазиорбита, возникающая в результате температурного пробоя в магнитном поле.
12
Принимая во внимание сказанное выше, можно сформулировать цель данной работы.
Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в выяснении роли механизмов рассеяния электронов проводимости в электронных транспортных свойствах чистых металлов в сильных магнитных полях. Изучались такие процессы рассеяния как электрон-поверхпостное, интерференционное “электрон-фонон-поверхность”, межлистнос элсктрон-фононное и взаимодействие носителей тока с дефектами кристаллической структуры (дислокациями и радиационно-индуцированными дефектами), а также связанные с ними новые электронные эффекты (статический скин-эффект, температурный пробой, дислокационный пробой и т.д.). Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи.
1. Выяснение возможности существования статического скин-эффекта в области сильных магнитных полей при г//<1 « 1 в металлах как с замкнутыми, так и с открытыми поверхностями Ферми.
2. Поиск теплового аналога статического скин-эффекта, то есть концентрации теплового потока у поверхности проводника, в чистых металлах в условиях сильного электрон-поверхностного рассеяния в магнитном поле.
3. Изучение интерференционного механизма рассеяния “элсктрон-фонон-поверхность”, а также его проявления в магнитосопротивлении чистых металлов.
13
4. Поиск и подробное исследование эффекта температурного (фономного) пробоя в металлах в сильных магнитных полях.
5. Экспериментальное обнаружение экспоненты Пайерлса (экспоненциальной температурной зависимости магнит©сопротивления) в чистых металлических кристаллах в условиях сильного межлистного элсктрон-фононного рассеяния.
6. Изучение роли электрон-дислокационного рассеяния в электронных свойствах металлов в сильных магнитных полях. Экспериментальное доказательство существования эффекта дислокационного (деформационного) пробоя.
7. Исследование роли радиационно-индуцированных дефектов в высокополевом магнитосопротивленни чистых металлов.
Для решения поставленных задач были использованы особо чистые монокристаллы вольфрама, молибдена и рения. Выбор объектов исследования был связан, во-первых, с тем обстоятельством, что поверхности Ферми этих металлов достаточно подробно изучены [1,20] и их можно использовать в качестве “модельных” металлов для изучения особенностей рассеяния носителей заряда в сильных магнитных полях. Во-вторых, “электрическая чистота”, то есть отношение сопротивлений при комнатной и гелиевой температурах рт к /р4.2 к . имеющихся в настоящее время монокристаллов столь высока, что при низких температурах (до» 10 К) всегда выполнялись условия статического скин-эффекта (гн « </ < I), а условия сильных эффективных магнитных полей (г// « I) всегда были выполнены в исследованном интервале температур (2 К < Т < 70 К) и магнитных полей (до 300 кЭ). В-третьих, на примере монокристаллов
14
вольфрама и молибдена можно изучать роль процессов рассеяния электронов проводимости в кинетических свойствах металлов в условиях замкнутых электронных траекторий, а поверхность Ферми рения содержит открытые участки, что позволяет экспериментально реализовать различные типы электронных траекторий.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты.
1. Экспериментально показано, что статический скин-эффект в чистых компенсированных металлах существует и в очень сильных магнитных полях (до 300 кЭ), когда Г//</ « 1.
2. Экспериментально продемонстрировано, что в условиях сильного электрон-поверхностного рассеяния может наблюдаться тепловой аналог статического скин-эффекта - концентрация теплового потока у поверхности чистого компенсированного металла в магнитном поле.
3. Обнаружен и исследован интерференционный механизм рассеяния “электрон-фонон-поверхность”, приводящий к квадратичной температурной зависимости магнитосопротивлення в сильном внешнем магнитном поле.
4. В области сильных магнитных полей подробно изучен эффект температурного (фононного) пробоя в чистых металлах. Обнаружено, что межлистнос элсктрон-фононное рассеяние и температурный пробой могут приводить к сильной анизотропии электропроводности (до 83%), т.с. зависимости магннтоироводи мости от направления электрического тока даже в кубическом металле.
15
5. Обнаружена и подробно исследована экспоненциальная температурная зависимость магнитосопротивления (экспонента Пайерлса) в чистых металлах в условиях сильного межлистного элсктрои-фононного рассеяния при гн « /.
6. Обнаружено, что взаимодействие электронов проводимости с дефектами кристаллической решетки (дислокациями и радиационно-индуцированными дефектами) может приводить к сильным изменениям электронных транспортных свойств чистых металлов в сильных магнитных полях.
7. Экспериментально обнаружен и исследован эффект дислокационного (деформационног о) пробоя.
Совокупность перечисленных выше результатов систематического исследования роли процессов рассеяния носителей тока в электронных транспортных свойствах чистых металлов в сильных магнитных нолях выносится на защиту. Эти результаты расширяют и углубляют существующие представления о современной электронной физике металлов.
Научная и практическая значимость работы. В работе получены новые данные о процессах рассеяния носителей заряда и их роли в электронных транспортных свойствах чистых металлов в сильных магнитных полях. Эти данные могут быть использованы при изучении электронной структуры и свойств как других чистых металлов, так и более сложных металлических систем. Обнаруженное в работе сильное влияние радиационно-индуцированных дефектов на магнитосоиротивлснис металлов, наряду с другими методами, может быть использовано для изучения поведения радиационных дефектов в чистых металлических кристаллах.
16
Исследованные в работе особенности механизмов рассеяния электронов проводимости и обнаруженные новые электронные эффекты могут быть использованы при разработке криогенных электронных устройств. Основными выводами диссертации можно пользоваться для дальнейшею развития представлений о поведении электронных транспортных свойств металлов в сильных магнитных полях.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на различных всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, в том числе на Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (XXIV - Тбилиси, 1986 г., XXV - Ленинград, 1988 г., XXVI - Донецк, 1990 г.), VII Всесоюзном семинаре по
низкотемпературной физике металлов (Красный Лиман, 1991 г.), 27-й Международной школе физиков-тсорстиков “Коуровка-27” (Дальняя Дача, Кыштым, Россия, 1998 г.), Международных конференциях по физике низких температур (ЬТ-19 - Брайтон, Англия, 1990 г., ЬТ-20 - Юджин, США, 1993 г., ЬТ-21 - Праю, Чехия, 1996 г., 1Л'-22 - Хельсинки, Финляндия, 1999 г.), Международных конференциях по физике переходных металлов (1СРТМ-92 - Дармштадт, Германия, 1992, 1СРТМ-96 - Осака, Япония, 1996 г.), Международных симпозиумах по исследованиям в сильных магнитных полях (ЯНМГ-97 - Сидней, Австралия, 1997 г., ЯНМГ-2000 - Порто, Португалия, 2000 г.), 8-м Международном симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам (1БЕМ-97 - Брауншвайг, Германия, 1997 г.), 20-й Международной конференции по физике твердого тела и Совещании по новым перспективным материалам (Люксор, Египет, 1997 г.),
Международной конференции по магнетизму (1СМ-2000 - Ресифе, Бразилия. 2000 г.), 2-м Российско-Французском семинаре “Радиационные эффекты в ядерных материалах” (Москва, Россия, 1998 г.), 3-м и 4-м Международных уральских семинарах “Радиационная физика металлов и сплавов”
17
(Снежннск, Россия, 1999 и 2000 г.г.), 3-й региональной конференции студентов и молодых ученых “Методы изучения твердых тел” (Екатеринбург, Россия, 1999), Международной конференции «Физические явления в сильных магнитных полях» (РРНМР-Ш, Таллахасси, Флорида, США, 1998 г.), Международной конференции «Дислокация-2000»
(П1ь1оса1юп-2000, Гайтснсбург, Мэриленд, США, 2000 г.).
Диссертационная работа выполнена в лаборатории низких температур Института физики металлов Уральского отделения Российской академии наук. Часть измерений проведена автором в Международной лаборатории сильных магнитных полей и низких температур (Вроцлав, Польша), Отделении сверхпроводимости и низких температур Атоминститута австрийских университетов (Вена, Австрия), Национальной лаборатории сильных магнитных полей (Таллахасси, Флорида, США).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 24 статьях в отечественных и международных научных журналах.
Структура и объем диссертации. Структура диссертации схематически представлена на рис. В.З. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения (общих выводов по диссертации) и библиографии.
18
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Введение. Литературный обзор
Образцы и методика эксперимента
Основные механизмы рассеяния электронов проводимости в чистых металлах в сильных магнитных полях
Элскгрон-поверхностнос рассеяние и статический скин-эффект в млгнигосо-противлении и теплопроводности
Элсктрон-фононнос рассеяние
Рассеяние электронов на дефектах кристаллической структу ры
Статический скин-эффект в металлах с замкнутой поверхно-стью Ферми
Статический скин-эффект в металлах с открытой поверхностью Ферми
Интерфе-
ренционный
механизм
рассеяния
“элсюрон-
фонон-
поверх-
ность”
Внутрнлистиое рассеяние и степенная температурная зависимость магнитосо-противления АТ**ВТ*
Мсжлистнос рассеяние и экспонента Пдйерлса а«'-схр(-Тс/Т)
Рассеяние на дислокационных стенках и ’‘внутренний" размерный эффект
Рассеяние на изолированных дислокациях и эффект дислокационного (деформационного) пробоя
Эффект температурного (фононного) пробоя в
\
Рассеяние на радиационно индуцированных дефектах
Рис. 133. Структура диссертации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Київ+380960830922