- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................... 5
ГЛАВА I. ЭЛЕКТРОННЫЙ СПЕКТР МЕТАЛЛОВ И АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЕГО ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Понятие поверхности Ферми и поверхность Ферли сплавов висмут-сурьма.............................................. 12
1.2. Акустические методы исследования поверхности Ферми металлов................................................... 16
1.2.1. "Геометрический резонанс"............................ 17
1.2.2. Акустический циклотронный резонанс................... 19
1.2.3. Квантовые осцилляции электронного поглощения и скорости акустических волн.................................. 20
1.2.4. Квантовые осцилляции акустоэлектрического тока и акустомагнитоэлектрической э.д.с. в висмуте 27
1.3. Электронно-топологический переход и его ЕЛИЯНИе на физические свойства металлов................................... 31
1.4. Нелинейные акустические эффекты к затухание акустических волн вблизи ЭТП ...................................... 36
ГЛАВА II. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕН'ШЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ КВАНТОВЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ АКУСТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЕ 1_н1%03 — В 1о дд ЗЬ001
11.1. Акустоэлектрический эффект В слоистых структурах пьезо-диэлектрик-полуметалл............................................ 41
11.2. Экспериментальная установка и методика исследования квантовых осцилляций акустоэлектрического тока в слоистой структуре- иМЬОу — в/5£>............................... 45
11.2.1. Акустическая ячейка и экспериментальный
образец............................................ 45
- З -
11.2.2. Низкотемпературная часть экспериментальной установки и магнитная система ................. 48
11.2.3. Электронная часть экспериментальной установки................................................ 51
II.3. Результаты экспериментального исследования квантовых осцилляций акустоэлектрического тока е сплаве
0,89 ^ 0,01.......................................... 55
11.3.1. Экспериментальные результаты..................... 55
11.3.2. Обсуждение экспериментальных результатов.... 60
ГЛАВА Ш. ЭЕСПЕШЛЕНТАЯЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЖЮРМАЦИЙ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Ш.І. Акустические свойства висмута и его сплавов с сурьмой. 67
Ш.2. Экспериментальные образцы и метод создания обратимых деформаций............................................. 73
Ш.З. Экспериментальная установка и методика исследования
изменения затухания и акустической нелинейности 83
Ш.4. Модуляцпошый метод измерения относительных изменений скорости акустических еолн в кристаллах при деформации................................................. 87
ГЛАВА ІУ. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ЭШЕКТСВ И ЗАТУХАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ШАЛЛАХ В ОБЛАСТИ ЭТИ
ІУ.І. Изменение спектра монохроматических акустических волн
в металле при деформациях в области ЭТИ.................. 94
1У*2. Результаты экспериментального исследования зависимости затухания звука и амплитуды второй акустической гармоники от одноосной деформации монокристаллов сплава BiSb h-типа при низких температурах...........................102
1У.З. Обсуждение результатов эксперимента....................... 110
1У. 3.1. Влияние ЗТП на акустическую нелинейность
сплава BiSb п- типа............................... НО
1У.3.2. Затухание акустических волн в области ЗТП 115
ЗАКЛШЗШЕ........................................................ 118
ЛИТЕРАТУРА...................................................... 120
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в физике твердого тела большое внимание уделяется исследованию металлов. Развитие электронной теории металлов позволило описать основные физические свойства металлов и их сплавов с помощью единой для всех них характеристики -энергетического спектра электронов, т.е. зависимости энергии
Характерные электронные свойства металлов описываются с помощью поверхности Ферми (Ш) - наглядного геометрического образа, отражающего основные свойства той области энергетического спектра, которая соответствует электронам проводимости.
Исследование Ш металлов позволило не только объяснить наблюдавшиеся ранее эффекты е металлах, но и предсказать ряд новых физических явлений.
Одним из таких •• новых эффектов является предсказанный академиком И.М.Лийшицем в 1960 г. [2] электронно-топологический переход (ЗТП) - изменение связности Ш путем легирования или внешних воздействий на металл. В этой [2] и последующих работах (б, 8 - її] , было показано, что в области ЗТЇЇ должны наблкщать-ся аномалии различных физических свойств металла, в том числе, и акустических.
Экспериментальное изучение ЗТП ведется по двум направлениям: исследуются изменения связности Ш в металлах [і2 - 24-] прямыми методами исследования то пологіш ПФ, и исследуются изменения различных физических свойств металлов в области ЗТП [25 - Зі] . Особый интерес представляют эксперименты, в которых одновременно исследуются изменение топологии Ш и наблюдаются характерные
электронов £ от их импульсов р : £
- 6 -
аномалии физических свойств, обусловленные ЭТП, однако число таких работ до настоящего времени невелико [28, 29, Зі] .
Обзор работ по влиянию давления на параїлетрн Ш металлов дан в [ 24 ] . Влияние ЗШ на физические СЕОііства металлов впервые было обнаружено в [25] по изменению температуры сверхпроводящего перехода в таллпн и его сплавах под давлением. Подобные последования были проведены в цинке, кадаш [2б] и алюминии [27] . Аномалии электропроводности и термоэдс вискеров висмута при растяжении, связанные с ЗЛІ, наблюдались в [28, 29 ] . Аномальное увеличение термоэдс обнаружено также в сплавах Ьі,-х м5х при концентрации магния, соответствующей расчетной концентрации изменения связности Ш [зо] . В [зі] описываются аномалии тергло-эдс в сплаве ваь п - типа при анизотропной деформации образцов. Одновременно регистрировалось изменение связности Щ по квантовым осцилляциям термоэдс е магнитном поле.
В ряде теоретических работ было исследовано влияние ЗШ на акустические свойства металлов. В [9, 10 ] было показано, что в области ЗШ коэффициент электронного поглощения звука должен испытывать скачок на величину порядка саг-лого коэффициента погло-щения ( рассмотрены случаи К^о^І и кРл&19 К - волноеоє число акустической еолны, - длина свободного пробега электронов). Нелинейные акустические эффекты при ЭТП исследованы в [ II ] , где было показано, что металлы находящиеся вблизи ЗШ являются акустической средой с принципиально новым типом нелинейности.
ДяЯ такой среды получены уравнения теории упругости. Получены точные решения этих уравнений в виде простых: волн, исследовано изменение профиля волны при распространении. Показано, что нелинейные попрании, связанные с близостью ЗШ, всегда больше поп-
- 7 -
раьок за счет кубического антагонизма. Проанализировано влияние квантовых эффектов на нелинейные эффекты вблизи ЭТП.
Однако, экспериментальные исследования акустических свойств металлов в области ЗТП до настоящего времени не проводились.
Благодаря тому, что акустические свойства металлов сильно зависят от параметров ПФ, акустические волны яеляются одним из наиболее эффективных средств исследования энергетического спектра носителей заряда. Акустические методы исследования ПФ более информативны по сравнению с другими наиболее распространенными (методы Шубникова - де Гааза, де Гааза - Еан Альфеиа и др.).Кроме того, для определения ряда параметров энергетического спектра , акустические методы являются основным источником инйоряацин.
Зтим объясняется интерес к развитию п совершенствованию акустических методов исследования энергетического спектра носителей заряда [32 - 36] .
Возможностп совершенствования акустических методов связаны с развитием новых областей акустики твердого тела - нелинейной кристаплоакустики [з? - 40] и акустоэлектроники [41 — 50 ] , предметом которых яеляются, в частности, нежнейше акустические явления, обусловленные взаимодействием акустических еолн с электронной подсистемой в кристаллах. Первоначально исследование нелинейных акустоэлектронных эффектов (таких как генерация акустоэлектрического тока, генерация акустических гармоник, нелинейное взаимодействие волн и др.) проводилось в полупроводниках (41-50] В металлах нелинейные акустические явления, связанные с акусто-электронным взаимодейстшегл, обычно проявляются слабее. Тем не менее, современные экспериментальные методы позволяют регистрировать их с большой точностью. В (51 - 53|для экспериментального
- 8 -
исследования энергетически:: спектров электронов висмута и серебра в условиях сильных магнитных полей и низких температур. Т=4, 2К успешно использовался эффект генерации акустоэлектрпческого тока объемные волнами. Эти эксперименты позволили получить дополнительную информацию о носителях заряда по сравнению с традиционными методами.
Таким образом, совершенствование акустических методов исследования Ш металлов с использованием методов нелинейной кристэлло-акустикк и экспершлентальное исследование акустических свойств металлов при изменении тополопш Ш при внешних воздействиях ЯЕЛЯЮТСЯ актуальными задачами акустики твердого тела.
Целью настоящей диссертационной работы являлось следующее:
- экспериментальное исследование акустических свойств сплава висмут - сурьма в области ЗШ;
- разработка к опробование новой акустической методики исследования ПФ.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи :
- создание экспериментальной установки для исследования акустических свойсте металлов при температуре здцкого гелия в условия:: сильных анизотропных деформаций и сильных магнитных полей;
- разработка и реализация метода исследования ПФ с помощью КЕан-тоеых осцгухдядай акустоэлектрпческого тока е слоистой структуре пьезодпэлектрик - полуметалл с одновременным наблюдением эффекта Ц]убш1К0Еа - де Гааза;
- анализ распространения акустических волн конечной амплитуды в металле вблизи ЗШ;
- экспершлентальное исследование затухания продольных к сдвпго-
вых акустических волн и генерации второй акустической гармоники в области ЭТа при анизотропной деформации мококрпстаяллческих образцов;
- разработка н опробование чувствительного методе, измерения относительного изменения скорости акустических волк в образцах при деформации.
Диссертация состоит из введения, четырех глаЕ, заключения к списка цитированной литературы.
Первая глава шлеет обзорный характер. Обоснован выбор полу-металллческнх сплавов В15Ь в качестве экспериментальных образцов в настоящей работе. Излагаются особенности Ш полуметаллов, описываются Ш сплавов висмут - сурьма, дан обзор основных акустических методов исследования Ш и физических явлений взаимодействия акустических волн со свободными электронами, которые лежат в осноеє этих методоб. Приводятся литературные данные об ЭТИ и рассматриваются предсказанные теоретически нелинейные акустические явления и изменение электронного поглощения акустических еолн в области ЗТП.
Вторая глава.посЕящена описанию методики и результатов экспериментального исследования квантовых оевдлляций акустоэлектрического тока в сплаве Ві0^5Ь0()1.
Рассматривается положенный в основу методики акустоэлектри-ческий эффект в слоистых структурах пьезодиэлектрик - полуметалл. Приводится описание разработанной в диссертации эксперименталъной установки для исследования зависимости акустоэлектрического тока от величины магнитного поля. Установка дополнена схемой для наблюдения эсосчэкта ШубнккоЕа - де Гааза, что давало возможность проводить комплексное исследование энергетического спектра носите-
-ХО-
лей заряда.
Приведены результаты экспериментального исследования акусто-электрического тока в слоистой структуре 1)1 Л/ Ь 03 - 8|о99 5Ьо0| на различных частотам звука, и эффекта Шубникова - де Гааза в магнитном поле. Проведен анализ полученных экспериментальных результатов. На основании наблвдавшихся квантовых осщлдяций акустоэлектрического тока рассчитаны площади экстремальных сечений ПФ сплава В|0(99 51> которые в пределах ошибки измерений совпадает с известными данными. Предложенная методика отличается от традиционных акустических методов исследования ПФ простотой реа-лизации и позволяет получать дополнительную информацию о носителях заряда.
В третьей главе описывается экспериментальная установка и ■ методика исследования акустических сеойств металлов при сильных обратимых анизотропных деформациях и низких температурах (4,2 К). Также приводится описание использованных экспериментальных образцов. В работе были использованы экспериментальные образцы полу-металлического сплава висмут - сурьма, в которых ранее [ 21 ] методом Шубникова - де Гааза наблюдались ЭТП, и образец чистого висмута. Приводятся сведения об акустических свойствах висмута и его сплавов с сурьмой.
Рассматривается предложенный в диссертации модуляционный метод измерения относительных изменений скорости зьука в образцах при их деформации и приводится описание экспериментальной установки, в которой данный метод реализуется.
Четвертая глава посвящена анализу и экспериментальному исследованию нелинейных акустических эффектов и затухания акустических волн в области ЭТП. Методом медленно меняющихся амплитуд
- Київ+380960830922