Дослідження процесів релаксації та взаємодії електронів у мікроконтактах і кристалах вісмуту методом фокусування електронів провідності - Автореферат

До того ж слід додати, що в методі поперечного електронного фокусування зовнішнє магнітне поле змінює напрямок руху інжектованих заряджених частинок і, таким чином, здійснює в кристалі практично повне просторове розділення фононних та електронних потоків, що залишили мікроконтакт зі струмом. Дослідження, що складають зміст дисертації, були проведені у відповідності до тематичного плану інституту за відомчою тематикою, яка затверджена Президією НАН України з наступних тем: “Дослідження енергетичного спектра і механізмів релаксації електронів в металах” (№ держ. реєстрації 81020497), “Взаємодія та релаксація квазічастинкових збуджень в металах” (№ держ. реєстрації 01.86.0031283), “Низькотемпературні електронні властивості металевих систем” (№ держ. реєстрації 0195U009865), “Електронні взаємодії у провідних системах” (№ держ. реєстрації 0196U002952). Мета проведеного дослідження полягала, по-перше, у виявленні потенційних можливостей методу фокусування електронів провідності в металах поперечним магнітним полем для вивчення релаксації електронів як у мікроконтакті, так і на циклотронній траєкторії, а також на поверхні кристала; по-друге, у встановленні природи механізмів релаксації в широких межах надлишкової енергії нерівноважних електронів, інжектованих у вісмутовий кристал за допомогою мікроконтакта зі струмом, та отриманні числових даних про ці процеси. Задачі дослідження були багатоплановими і полягали в отриманні знань про релаксаційні процеси, які супроводжують протікання струму крізь мікроконтакт і його розтікання у металевому кристалі, про процеси взаємодії балістичних електронів з поверхнею кристала, про вплив на ці процеси величини надлишкової енергії інжектованих у метал електронів, а також в розробці методики визначення надлишку енергії у електронів, які інжектуються в кристал під впливом електричного поля в мікроконтакті. Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в дисертації експериментально всебічно досліджені різноманітні явища, повязані з протіканням електричного струму крізь мікроконтакт, розтіканням нерівноважних електронів від мікроконтакта зі струмом у вісмутовому кристалі, а також із релаксацією цих електронів як у мікроконтакті, так і на траєкторії або на поверхні кристала.Викладено результати експериментальних робіт, у яких поперечне фокусування електронів використовувалося для визначення коефіцієнта дзеркальності поверхневого відбиття електронів, що нормально падають на поверхню кристала. Створені експериментальні установки дозволили застосувати метод поперечного електронного фокусування для вивчення процесів релаксації як у самому мікроконтакті зі струмом, так і на циклотронній траєкторії, а також на поверхні кристала вісмуту. Далі по полю виникають другий та наступні лінії електронного фокусування (, де ), сформовані електронами, що зазнали дзеркального - кратного відбиття від поверхні на ділянці між емітером та колектором. Це дозволило одержати залежності ефективної температури електронів від струму через мікроконтакт і установити, що, незважаючи на пропускання через мікроконтакт порівняно сильних струмів (до ~100-150 МА при опорі мікроконтакта порядку 1 Ом), ефективна температура електронної системи підвищується незначно - на 1-2 К. Аналіз відносного положення перших двох ліній електронного фокусування на шкалі магнітних полів зі зміною надлишкової енергії електронів у вісмуті відкрив нові додаткові можливості методу поперечного фокусування, а саме: за його допомогою виявилося можливим знайти і визначити характер зменшення надлишкової енергії електронів при зіткненні їх з поверхнею.Розтікання потоків електронів поблизу мікроконтакта, що інжектує електрони, у кристалі вісмуту має сильно виражений анізотропний характер: електронні потоки високої щільності спостерігаються в напрямках, що задаються циліндричними ділянками поверхні Фермі вісмуту. Надлишкова енергія електронів у потоці, що виходить з області мікроконтакта, менша ніж значення , що задається прикладеною до мікроконтакта напругою . Нерівноважні фонони ефективно залишають область мікроконтакта без реабсорбції надлишкової енергії електронами, завдяки чому відсутній помітний перегрів фононної системи в області мікроконтакта на поверхні кристала Час електрон-фононної релаксації в кристалі вісмуту змінюється в широкому інтервалі надлишкової енергії електронів відповідно до співвідношення , що встановлено прямим методом за допомогою аналізу залежності амплітуди піка електронного фокусування від струму через мікроконтакт. Поверхневе відбиття “енергізованих” електронів супроводжується деякою втратою їх надлишкової енергії, що встановлено аналізом відносного положення перших двох ліній електронного фокусування на шкалі магнітних полів при зміні надлишкової енергії електронів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації вивчені можливості методу фокусування електронів провідності поперечним магнітним полем для дослідження процесів релаксації та взаємодії електронів як у мікроконтактах, так і на балістичній траєкторії, а також процесів взаємодії в електронних потоках. Проведені дослідження на монокристалах вісмуту виявили цілий ряд нових явищ в електронній кінетиці.

Основні результати дисертації отримані вперше, мають фундаментальний характер і можуть служити надійною експериментальною базою для подальшого розвитку теорії релаксаційних явищ у металах в умовах сильної нерівноважності носіїв заряду. Серед пріоритетних результатів, що виносяться на захист, принциповий характер мають наступні: 1. Розтікання потоків електронів поблизу мікроконтакта, що інжектує електрони, у кристалі вісмуту має сильно виражений анізотропний характер: електронні потоки високої щільності спостерігаються в напрямках, що задаються циліндричними ділянками поверхні Фермі вісмуту.

2. При відбитті слабко нерівноважних електронів провідності від поверхні кристала вісмуту поряд із внутрідолинним розсіюванням при гелійових температурах мають місце міждолинні переходи, що можуть бути скорельованими або хаотичними. Висока дзеркальність поверхневого відбиття на досконалій поверхні вісмуту обумовлена домінуючою роллю внутрідолинних переходів, а імовірність дифузного розсіювання як для внутрідолинного, так і міждолинного каналів приблизно однакова.

3. Надлишкова енергія електронів у потоці, що виходить з області мікроконтакта, менша ніж значення , що задається прикладеною до мікроконтакта напругою . Причиною цього є сильна енергетична релаксація електронів у мікроконтакті за рахунок електрон-фононної взаємодії. Нерівноважні фонони ефективно залишають область мікроконтакта без реабсорбції надлишкової енергії електронами, завдяки чому відсутній помітний перегрів фононної системи в області мікроконтакта на поверхні кристала

4. Час електрон-фононної релаксації в кристалі вісмуту змінюється в широкому інтервалі надлишкової енергії електронів відповідно до співвідношення , що встановлено прямим методом за допомогою аналізу залежності амплітуди піка електронного фокусування від струму через мікроконтакт.

5. Провідність мікроконтакта на вісмуті при великих струмах і прикладених напругах ( МВ) визначається додатковим внеском міжзонного тунелювання і градієнта потенціалу, що приводить до зміни концентрації носіїв заряду в області мікроконтакта і появи нелінійності вольтамперної характеристики самого мікроконтакта.

6. Поверхневе відбиття “енергізованих” електронів супроводжується деякою втратою їх надлишкової енергії, що встановлено аналізом відносного положення перших двох ліній електронного фокусування на шкалі магнітних полів при зміні надлишкової енергії електронів.

7. Опір приповерхневого шару кристала вісмуту в умовах скінування постійного струму змінюється лінійно за магнітним полем у випадку як дзеркального, так і дифузного характеру відбиття електронів провідності від поверхні. Це означає, що ефективна довжина вільного пробігу електронів у сильному магнітному полі в приповерхневому шарі кристала залишається порядку обємної довжини вільного пробігу в нульовому магнітному полі при будь-якому ступені дзеркальності поверхневого відбиття.

8. При протіканні через мікроконтакт струму, що відповідає надлишковій енергії електронів, яка помітно перевищує дебайову енергію (тобто за сильної “енергізації” інжектованих електронів), виникає випромінювання фононів з виділеними значеннями частот. У фононному спектрі частоти відповідають точкам з високою щільністю фононів. Основну групу нерівноважних фононів, що випромінюються, складають високоенергетичні подовжні оптичні фонони, які не мають дисперсії. Електронне фокусування дозволяє здійснювати “циклотронну спектроскопію” електрон-фононної релаксації в мікроконтакті.

9. Потік електронів провідності через мікроконтакт створює в кристалі вісмуту явище квантово-інтерференційної природи - дифракцію електронного пучка на отворі (мікроконтакті). Неоднорідний кутовий розподіл дифрагованих електронів щодо осі мікроконтакта в методі електронного фокусування перетворюється у додаткові регулярні піки на фоні першої лінії електронного фокусування при записі сигналу на колекторі як функції величини магнітного поля. Аналіз положення і зміщення піків при зміненні енергії електронів дозволив аналітично обґрунтувати і звязати появу цих піків на висхідній гілці лінії ЕФ з явищем дифракції. електрон кристал вісмут дифракція

Цитована: Янсон И.К. Микроконтактная спектроскопия электрон-фононного взаимодействия в чистых металлах (обзор) // ФНТ.- 1983.- т. 9, № 7.- с. 676-709.

Шарвин Ю.В. Ободном возможном методе исследования поверхности Ферми // ЖЭТФ. - 1965. - т. 48, вып. 3. - с. 984-985.

Цой В.С. фокусировка электронов в металле поперечным магнитным полем // Письма в ЖЭТФ. - 1974. - т. 19, вып. 2.- с. 114-116.

Эдельман В.С. Свойства электронов в висмуте // УФН.- 1977.- т. 123, вып. 2.- с. 257-287.

Богачек Э.Н., кулик И.О., шехтер Р.И. Токовое состояние и электрон-фононная релаксация в микроконтактах в магнитном поле // ЖЭТФ.- 1987.- т. 92, вып. 2.- с. 730-744.

Колесниченко Ю.А., Шехтер Р.И., Булдовский В.А. Геометрическая нелинейность при поперечной фокусировке “горячих” электронов // ФНТ.- 1988.- т. 14, № 3.- с. 263-273.

Колесниченко Ю.А., Шехтер Р.И., Спектроскопия бозевских возбуждений на границе металла методом поперечной фокусировки // ФНТ.- 1989.- т. 15, № 9.-с. 959-967.

Косевич А.М. О возможности прямого изучения особенностей Ферми-поверхности с помощью наблюдения баллистических электронов // ФНТ. - 1985. - Т. 11, №10. - с. 1106-1109.

Азбель М.Я. “Статический скин-эффект” для токов в сильном магнитном поле и сопротивление металлов // ЖЭТФ. - 1963. - т. 44, вып. 3. - с. 983-998.

Панченко О.А., Луцишин П.П., Птушинский Ю.Г. Статический скин-эффект на атомно чистых поверхностях вольфрама и молибдена // ЖЭТФ. - 1974. - т. 66, вып. 6. - с. 2191-2197.

Божко С.И., Митряев А.А., Панченко О.А., Разгонов И.И., Цой В.С. Статический скин-эффект и поперечная фокусировка электронов в кристаллах вольфрама с атомно-чистой поверхностью // ФНТ.- 1979.- т. 5, № 7.- с. 739-745.

Колесниченко Ю.А., Кулик И.О., Шехтер Р.И., Спектроскопия электрон-фононного взаимодействия методом поперечной фокусировки // ЖЭТФ.- 1988.- т. 94, вып. 10.- с. 328-344.

Ларкин А.И., Хмельницкий Д.Е. Мезоскопические флуктуации вольтамперной характеристики // ЖЭТФ. - 1986. - Т. 91, вып. 5. - с. 1815-1819.

Цой В.С. Короткопериодные осцилляции коллекторного напряжения при поперечной фокусировке электронов в висмуте // Письма в ЖЭТФ. - 1977. - Т. 25, вып. 6. - с. 289-292.

Опубліковані праці за темою дисертації

Андриевский В.В., Асс Е.И., Комник Ю.Ф. Определение характера междолинного рассеяния электронов на поверхности висмута // ФНТ.- 1985.- т. 11, № 11.- с. 1148-1155.

Андриевский В.В., Асс Е.И. Экспериментальное наблюдение усиленных потоков электронов в окрестности микроконтакта // ФНТ.- 1986.- т. 12, № 5.- с. 543-544.

Грибов Н.Н., Шкляревский О.И., Асс Е.И., Андриевский В.В. Эффект Шубникова-де Гааза в электропроводности микроконтактов // ФНТ.- 1987.- т. 13, № 6.- с. 642-645.

Андриевский В.В., Асс Е.И., Комник Ю.Ф. “Циклотронная спектроскопия” электрон-фононной релаксации в микроконтактах // Письма в ЖЭТФ.- 1988.- т. 47, вып. 2.- с. 103-106.

Андриевский В.В., Асс Е.И., Комник Ю.Ф. Нелинейные эффекты при поперечной фокусировке электронов в висмуте // ФНТ.- 1988.- т. 14, № 3.

Андриевский В.В., Асс Е.И., Комник Ю.Ф. Релаксация энергизованных электронов при их поперечной фокусировке в Bi // ФНТ.- 1990.- т. 16, № 3. Andrievskii V.V., Ass E.I., and komnik Yu.F. Cyclotron spectroscopy of electron-phonon relaxation in point contacts // ФНТ.- 1992.- т. 18, № 5.- С. 513-515.

Андриевский В.В., Рожок С.В. Угловая зависимость коэффициента зеркальности при внутридолинных процессах рассеяния электронов на поверхности висмута // ФНТ.- 1992.- т. 18, № 3.- с. 293-295.

Андриевский В.В., Комник Ю.Ф., Рожок С.В., Исследование проводимости приповерхностного слоя кристалла висмута в условиях скинирования постоянного тока // ФНТ.- 1993.- т. 19, № 10.- с. 1117-1125.

Andrievskii V.V., komnik Yu.F., and Rozhok S.V., Surface scattering of conduction electrons in bismuth // Surf. Sci. -1995.- vol. 331-333.- p. 1181-1185.

Andrievskii V.V., komnik Yu.F., and Rozhok S.V. New aspects of static skin-effect and transverse electron focusing studies into surface scattering of conduction electrons // Physics in Ukraine. - Low temperature physics. K.: BITP, 1993.- С. 10-13.

Andrievskii V.V., komnik Yu.F., and Rozhok S.V. Investigation of heat transfer from current-carrying point contact to cryogenic liquid // Cryogenics.- 1994.- vol. 34.- ICEC Supplement.- p. 393-396.

Андриевский В.В., Асс Е.И., Рожок С.В., Влияние температуры на процессы релаксации сильно неравновесных носителей заряда в висмутовом микроконтакте // ФНТ.- 1994.- т. 20, № 10.- с. 1057-1061.

Andrievskii V.V., komnik Yu.F., and Rozhok S.V. Relaxation of highly nonequilibrium electrons in bismuth point contacts //Physica B.- 1996.- vol. 218, № 1-4.- p. 7-9.

Andrievskii V.V., kolesnichenko Yu.A., and Rozhok S.V. Charge transfer between point contacts in high magnetic fields // Physica B.- 1995.- vol. 212, № 1.- p.

Комник Ю.Ф., Андриевский В.В., Рожок С.В. Тонкая структура линий поперечной электронной фокусировки в висмуте. I. Квантовые эффекты // ФНТ.- 1996.- т. 22, вып. 12.- с. 1406-1417.

Андриевский В.В., Комник Ю.Ф., Рожок С.В. Тонкая структура линий поперечной электронной фокусировки в висмуте. II. Релаксационные эффекты // ФНТ.- 1996.- т. 22, вып. 12.- с. 1418-1427.

Andrievskii V.V., komnik Yu.F., and Rozhok S.V. The fine structure of the first electron focusing line in bismuth // Physica B.- 1996.- vol. 218, № 1-4. p. 10-13.

Andrievskii V.V., komnik Yu.F., and Rozhok S.V. electron flow diffraction in a point contact // Czechoslovak J. Physics. -1996.- vol. 46, Suppl. S 5.- p. 2577-2578.

Андриевский В.В., Комник Ю.Ф., Рожок С.В. Изучение поверхностной энергетической релаксации электронов проводимости в висмуте методом поперечной электронной фокусировки // ФНТ.- 1997.- т. 23, вып. 3.- с. 307-312.

Андриевский В.В., Комник Ю.Ф., Рожок С.В. релаксация и эффекты градиента потенциала в висмутовом микроконтакте // ФНТ.- 1997.- т. 23, вып. 10.- с. 1078-1087.

Andrievskii V.V., komnik Yu.F., and Rozhok S.V. electron flow diffraction in a point contact // Phys. Rev. B.- 1997.- vol. 56, № 7.- p. 4023-4027.

Способ определения частот релаксационных фононов: А.С. SU1627006 A1, МКИ H 0I L 21/66// В.В. Андриевский, Е.И. Асс, Ю.А. Колесниченко, Ю.Ф. Комник, И.О. кулик, В.Г. Песчанский, В.С. Цой, Р.И. шехтер (СССР).- № 4646732; заявлено 03.02.89; опубл. 08.10.90.-4 с.

Стабилизатор напряжения постоянного тока: А.с. SU1529203 А1, МКИ G 05 F 3/10// Ю.А. Колесниченко, Р.И. шехтер, В.А. Булдовский, В.В. Андриевский, Е.И. Асс, Ю.Ф. Комник (СССР).- № 4400244; заявлено 29.03.88; опубл. 15.08.89.- 3 с.

Андриевский В.В., Асс Е.И., Комник Ю.Ф. Нелинейные эффекты при поперечной фокусировке энергизованных электронных потоков в висмуте: Препр./ФТИНТ НАНУ; 34-87.- Х.: 1987.-32 с.