Оглавление
1. Введение 4
2. Флуктуации сопротивления вблизи температуры пайерлсовского перехода, ГР, в квазиодномерном проводнике Та83.
2.1. Постановка задачи. Отсутствие универсальной теории перехода трёхмерного упорядочения. 23
2.2. Предпосылки для наблюдения спонтанных актов проскальзывания фазы (ПФ) волны зарядовой плотности (ВЗП). 27
2.3. Особенности эксперимен гальных методик исследования флуктуаций, в том числе в образцах манометровой толщины. 29
2.4. Наблюдение флуктуаций напряжения в образцах Та83. 31
2.5 Анализ результатов, связь флуктуаций со спонтанным ПФ и формулировка модели. 37
3. ПФ как механизм разрушении трёхмерного порядка ВЗП в области Гр. Описание основных свойств квазиодномерных проводников вблизи Гр.
3.1. Особенность теплового расширения Та83 вблизи Гр и её описание в рамках модели ПФ. 41
3.2. Описание особенностей температурных зависимостей теплоёмкости, модуля Юнга и проводимости вблизи Гр в соединениях квазиодномерных проводников. - 42
4. Особенности вольтамнерных характеристик (ВАХ) тонких образцов ТаБз вблизи Гр.
4.1. Размытие ВАХ тонких образцов Та83 в области порогового поля вблизи Гр. 50
4.2. Описание явления в рамках модели спонтанного ПФ. 55
2
4.3. Пороговая нелинейная проводимость выше ГР. 60
4.4. Выводы о характере состояния квазиодномерных проводников с ВЗП вблизи Гр. 68
5. Тепловое расширение и гистерезис длины квазиодномерного проводника ТаБз.
5.1. Постановка задачи. Вопрос о возможных воздействиях деформации ВЗП на размеры и форму кристаллов квазиодномерных проводников. 74
5.2. Экспериментальные методики. 78
5.3. Результаты измерений теплового расширения. 84
5.4. Анализ результатов и выводы об упругом взаимодействии ВЗП и основной решётки. 85
6. Расчёт деформации квазиодномерных проводников в электрическом ноле.
6.1. Расчёт профилей деформации ВЗП и кристалла в электрическом поле. 90
6.2. Анализ полученных результатов. 92
7. Неоднородная деформация квазиодномерных проводников в электрическом поле.
7.1 Экспериментальные методики исследования кручения. 94
7.2. Результаты исследования деформации кручения квазиодномерных проводников. 98
7.3. Экспериментальные методики исследования деформации с помощью просвечивающего электронного микроскопа. 114
7.4. Наблюдение деформации изгиба. 116
7.5. Анализ результатов и выводы о связи наблюдаемых эффектов с деформацией ВЗП. 119
8. Заключение. 123
3
Глава 1. Введение
Физика систем с пониженной размерностью представляє г собой одну из динамично развивающихся областей современной физики. Интерес к этой области связан с активным поиском новых физических явлений, которые могли бы лечь в основу приборов и устройств. Особый интерес представляют физические системы, в которых перенос электрического заряда осуществляется не отдельными электронами, а носит коллективный характер. В качестве примеров можно привести двумерные системы с квантовым эффектом Холла, вигнеровские кристаллы, квантовые проволоки и точки, системы с кулоновской блокадой, а также квазиодномерные проводники с волной зарядовой плотности (ВЗП). Эти системы активно исследуются в настоящее время. ВЗП наблюдается в широком классе квазиодномериых проводников типа три- и тетрахаїькогенидов переходных металлов МХ3 и МХ4 (М = N6, Та, X -= ве, 8), голубых бронз М0.3МоО3 (М = ЯЬ, К), (Та8е4)21 и многих других [1]. Коллективный характер ВЗП обусловлен квантовыми свойствами электронов, и, в то же время, многие эффекты, наблюдаемые в квазиодномериых проводниках с ВЗП, можно качественно описать на языке достаточно простых понятий, таких как, например «стиральная доска», «мясорубка», «пружина», или «электронный кристалл». Многообразие уникальных свойств ВЗП вызывают неослабевающий интерес к сё исследованию уже на протяжении более 30 лет.
ВЗП возникает в квазиодномериых проводниках в результате пайерлсовского перехода, - самосогласованной деформации решетки и модуляции электронной плотности с волновым вектором д, равным удвоенному фермиевскому вектору электронов кр [2]. Возникновение такой деформации понижает энергию электронной системы одномерного металла, одновременно увеличивая упругую энергию, связанную с возникновением деформации кристаллической решетки. Однако в одномерных системах при достаточно низких температурах проигрыш энергии при малых деформациях
всегда оказывается меньше выигрыша энергии электронной системы. В результате перехода в электронном спектре возникает пайерлсовская щель 2Д.
Возникновение волны зарядовой плотности может быть проиллюстрировано для одномерного металла, энергетическая структура которого изображена на рис. 1.1. Периодическое искажение кристаллической решетки с волновым вектором # приводит к возникновению энергетической (полупроводниковой) щели 2Д на уровне Ферми. Это, очевидно, понижает энергию электронной системы одномерного металла: элекгроны,
т
находившиеся вблизи уровня Ферми, опускаются по энергии на величину ~Д.
При этом проигрыш энергии, связанный с возникновением деформации
2 м ^
кристаллической решетки (ссД ), по крайней мере, при нулевой температуре оказывается меньше выигрыша энергии электронной системы (осД21пД). Этим и объясняется самосогласованное искажение решётки и электронной плотности. Возникающее состояние характеризуется периодической модуляцией как положения атомов решетки, так и электронной плотности р=ро + р1С0Б(^ +ф), где q=2kv.
При отсутствии дефектов и примесей и в случае несоизмеримости волнового вектора ВЗП с кристаллической решеткой величины А и (р, а значит и энергия ВЗП, не зависят от координат: наблюдается трансляционная инвариантность ВЗП. Под действием электрического поля ВЗП может перемещаться вдоль оси х, перенося электрический ток — т.н. фрёлиховская мода. Это соответствует зависимости фазы <р от времени. В проводимости участвуют все электроны, сконденсированные под пайсрлсовской щелью, т.е. «бывшие» металлические электроны. Однако бесконечной проводимости не наблюдается: взаимодействие ВЗП с дефектами кристаллической решетки и примесями приводит к тому, что скольжение ВЗП возникает лишь в электрических полях, превышающих некоторое значение 2£г, называемое
5
пороговым полем. Выше 3г возникает нелинейная проводимость. Зацепление ВЗП за примеси называется пиннингом ВЗП, а срыв с примесей -депиннингом.
Кроме появления порогового поля, следствием пиннинга является разрушение дальнего порядка ВЗП, приводящее к появлению конечной длины фазовой когерентности [3].
В электрических нолях меньших порогового ВЗП запиннингована, а ее поляризуемость характеризуется гигантской диэлектрической проницаемостью, до 109. Специфическим свойством' ВЗП является также её способность деформироваться при внешних воздействиях, скажем при изменении температуры или при приложении электрического поля. Это важнейшее свойство ВЗП объединяет вес части данной диссертационной работы.
Таким образом, квазиодномерные проводники являются физическим объектом, обладающим уникальными свойствами, обусловленными наличием коллективного электронного состояния — ВЗП. Поскольку пайерлсовский переход является переходом трёхмерного упорядочения и из-за сильных одномерных флуктуаций не описывается'- теорией среднего поля, в области перехода можно ожидать ряд явлений, не имеющих аналогов в других типах фазовых переходов и требующих специфического описания.
Как мы отметили выше, важнейшее свойство ВЗП — её способность деформироваться при воздействии электрического поля и температурном воздействии. Интересно было выяснить, проявляется ли эта деформация в свойствах основной решётки.
6
Металлическое состояние (Т>ТР)
л
ь
о
р = сопбі
ф
с;
СО
Пайерлсовское состояние (ТСТР)
О)
с
о
Р = Рц + Р, зіп(Ох + Ф)
Рис. 1.1. Пайерлсовский переход в одномерном металле (из [6]).
Вверху: расположение атомов (узлов решётки) в металлических цепочках; прямая ниже иллюстрирует однородное распределение электронной плотности вдоль металлических цепочек. Справа показан энергетический спектр исходного металла.
Внизу: то же самое, но в пайерлсовском состоянии.
Жирными линиями на энергетических спектрах обозначены занятые электронами состояния.
7
Из изложенного выше очевидна актуальность проведения как фундаментальных, так и прикладных исследований в области флуктуационных и деформационных свойств квазиодномсрных проводников, причём эти две группы свойств находятся во взаимной св'язи: например, динамическая (изменяющаяся во времени) деформация ВЗГ1 может приводить к динамической деформации образцов; флуктуации в области ГР могут проявляться также в тепловом расширении.
Целыо данной диссертационной работы является изучение особенностей свойств квазиодномерных проводников с ВЗП в области пайерлсовского перехода и физических механизмов, определяющих эти свойства, а также влияния воздействии температуры или электрического поля на размеры и форму образцов.
К началу работы над диссертацией не был исследован ряд свойств нитевидных квазиодномерных проводников: не исследовались спонтанные флуктуации сопротивления, тепловое расширение, не ставился вопрос об исследовании неоднородной деформации. Среди задач, которые оставались нерешёнными к началу работы над диссертацией, были описание поведения основных параметров в области перехода трёхмерного упорядочения, таких как транспортные свойства, теплоёмкость, модули упругости, тепловое расширение, а также описание спонтанных флуктуаций сопротивления в этой области температур. Не был исследован вопрос о возможнос ти воздействия деформации ВЗП на форму кристалла.
В диссертации приведены результаты экспериментальных исследований различных соединений квазиодномерных проводников, в первую очередь - ромбического ТаЭз, квазиодномерного проводника из группы трихалькогенидов переходных металлов. Некоторые основные результаты воспроизведены на других соединениях в данной диссертации, либо в работах других авторов.
Ромбический Та8з (в дальнейшем просто ТаБз) является типичным квазиодномерным проводником. В результате пайерлсовского перехода в нём
происходит полная диэлектризация электронного спектра [1]. В
металлическом состоянии TaS3 является сильно анизотропным-металл ом.
Соединение синтезируется из газовой фазы в виде вискеров длиной порядка
♦
миллиметров, толщиной от долей микрона до 100 мкм. Вискеры легко расщепляются на более тонкие монокристаллы, что само по себе свидетельствует об анизотропии их структуры. В проводимости анизотропия составляет около 200. Температура пайерлсовского перехода Г,>=220 К. В наиболее чистых образцах величина порогового поля начала нелинейной проводимости Ет не превышает 200 мВ/см. При комнатной температуре характер проводимости металлический, а при Т<ТР - диэлектрический; рост сопротивления характеризуется энергией активации Д-800 К. Переход сильно размыт из-за одномерных флуктуаций. Это выражается, в частности, в плавном переходе выше ТР от металлического к диэлектрическому ходу проводимости с понижением температуры.
Кристаллическая решетка TaS3 - ромбическая. Волновой вектор В311 q имеет компоненты близкие к (1/2а* 1/8Ь* 1/4с*), где а, Ь и с - параметры элементарной ячейки, однако точной соизмеримости ВЗП с"йсходной решёткой не наблюдается. 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 [4]. С отставанием волнового вектора от равновесного значения, т.е. с деформацией ВЗП, связан, в частности, гистерезис в зависимости проводимости от температуры [5]. Масштаб изменения проводимости при фиксированной температуре, т.е. ширина петли гистерезиса, может достигать 50% и более.
Особыми свойствами обладают образцы с малыми размерами, сравнимыми с длинами когерентности ВЗП [6]. В них наблюдаются такие уникальные эффекты, как скачкообразные изменения проводимости (в том числе, спонтанные) и коэффициента тсрмоэдс, квантовый характер проводимости (крипа) при низких температурах. В таких образцах ещё ярче выражены одномерные флуктуации, что проявляется в понижении
температуры пайерлсовского перехода и уширении области флуктуаций. С понижением поперечного сечения многократно возрастает Еь его зависимость от Т может иметь характер мезоскопических флуктуаций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из 8 глав.
Во ВВЕДЕНИИ (Глава 1) обосновывается актуальность темы, дается краткий обзор основных свойств квазиодномерных проводников в связи с тематикой диссертации, кратко излагается содержание глав диссертации.
Содержание глав 2-4 относится к флуктуационным свойствам квазиодномерных проводников с ВЗП. Глава 2 посвящена изучению спонтанных флуктуаций сопротивления в квазиодномерном соединении ТаБз. В разделе 2.1 обосновывается постановка задачи. Даётся обзор флуктуационных свойств, изученных к моменту начала работы над диссертацией. Поскольку пайерлсовский переход есть переход трёхмерного упорядочения одномерных флуктуаций, универсальной теории, описывающей поведение всех физических величин вблизи перехода, пока не создано. Приводятся примеры, показывающие, что предсказания имеющихся теорий существенно расходятся с экспериментом. Поэтому актуальным может быть разработка полуэмпирических моделей флуктуаций, имеющих экспериментальное основание и ясный физический смысл, и сопоставление этих моделей с другими экспериментами.
В разделе 2.2. даётся обзор научных работ, в которых экспериментально и теоретически изучалось явление проскальзывания фазы (ПФ). Описывается модель термически активированного ПФ. Обосновываются предпосылки для экстраполяции модели в область более высоких температур и наблюдения спонтанных флуктуаций сопротивления.
Раздел 2.3 посвящён особенностям экспериментальных методик, применявшихся для исследования флуктуаций. Для описания особенностей поведения основных параметров, характеризующих пайерлсовский переход,
10
таких как теплоемкость, модули упругости, тепловое расширение, транспортные свойства, следует исследовать образцы не слишком малых размеров, в которых переход не слишком размыт из-за размерного эффекта. Для исследования электрических шумов в таких образцах пришлось использовать специальную методику, использующую малошумящий усилитель. С другой стороны, в образцах субмикронной толщины флуктуации выражаются в особых эффектах. В частности, шумы в них имеют вид случайного телеграфного сигнала. Поэтому, в данном разделе описана также методика приготовления образцов малых размеров.
Раздел 2.4. посвящён исследованию спонтанных флуктуаций сопротивления образцов Та83. Совпадение температуры, при которой наблюдается максимум шума, с точкой схлопывания петли гистерезиса, а также подобие форм максимума и температурного хода сопротивления в области 7р, указывают на связь флуктуаций с процессом ПФ. Кроме того, наблюдение спонтанных шумов, имеющих вид случайного телеграфного сигнала, в образцах субмикронной толщины непосредственно доказывает, что шумы связаны со спонтанным обратимым процессом 11Ф. В разделе 2.5 формулируется модель ПФ, позволяющая описать поведение различных величин вблизи Гр.
Результаты исследования шумов указывают на спонтанное ПФ как механизм разрушения трёхмерного порядка ВЗП при повышении температуры. В главах 3-4 модель конкретизируется и находит экспериментальное обоснование. Глава 3 посвящена исследованиям теплового расширения, теплоёмкости, модуля Юнга и проводимости вблизи Т\> в соединениях квазиодномерных проводников. С помощью модели ПФ описываются экспериментальные результаты, упомянутые выше. При этом в разделе 3.1 отдельно рассмотрено тепловое расширение ТаБз, измеренное автором диссертации. Раздел 3.2 посвящён описанию особенностей в теплоёмкости, модуле Юнга и проводимости вблизи Гр, о которых сообщается в работах других авторов.
И
- Київ+380960830922