Введение к работе
;''"" Актуальность темы, Слоистые полупроводники, соединения внедрения в графит и дихалькогениды переходных металлов обладают высокой анизотропией физических свойств, выраженной слоистой структурой и наличием ван-дер-ваальсового взаимодействия между слоями. Иктеркллированйе этих веществ открывает уникальные возможности изменения анизотропии исходного Материала и исследования, влияния .размерности на кинетические свойства, энергетический спектр и локализацию электронов. В дихаяькогокидах переходных вэтоллов появляется возможность воздействовать на волну зарядовой плотности и сверхпроводящие характеристики. Изменяя анизотропно, можно исследовать явление кроссовера - перехода от трехмерной к двумерной сверхпроводимости.
В-, слоистых полупроводниках типа A2VB3VI, AmBvl практически не изучено влияние кнтеркалировэ'-чя на энергетический спектр, локализация» коснтелей тока и
. нязкотешіаратурнкй транспорт. Исследование влияния
№ интеркалирования на электронныэ свойства слоистых веществ
важно, так как с интеркалированнеМ связано создание
источников электрической энергия» гетерогенных
. катализаторов, конденсаторов и т. Д. '
Специфический случай возникает, вся» зона трехмерна, но ее ширина в третьем иаправяэняя ііала. Такал скстеїа ввдэт себя как квазидвударная. К таким квазидвукэрннм систедаїї относятся свврхрететки о квантовыми янайі п йі«еркЄлировеійкьв соединения графита. Йосяедийв представляй огромный практический и каучныЛ интерес. Одапім из важных качеств, присущих соединений!* вявдрони/! в графят (СВГ)< является их высокая злвктропроводйость, некоторые из них сверхпроводники. СиНтезироваины* «а основе графита материалы используйся а . «сачэствз кйтаяяаторов, тепловых экранов, оптнчаских фяЛьтрЬо, ЗАэктроДов батарей, шязкулярных койтойпэров я т.д. Особенности физических свойств соединений внедрения в графит бвяэанУ с высокой анизотропией характеристик (например, проводимость в базисной плоскости в -іФ раз вьга», чем в направлении перпендикулярном слоям).
Интеркалирование изменяет не только концентрацию носителей тока, но и позволяет воздействовать на анизотропию физических свойств. Несмотря на имеющиеся публикации по исследованию интеркалированных соединений графита,. остается неясным целый ряд вопросоз: генезис энергетического спектра соединений внедрения в графит низких ступеней, гальваномаг-нитныа _свойства в слабых магнитных полях, зависимости амплитуд осцилляшюнных. эффектов от ^ориентации образца в магнитном поле, влияние давления на структуру и энергетический спектр. Практически не исследованы физические свойства соединений внедрения в графит с чередованием слобв двух разных интеркалятов, ' локализации и влияния интеркалировашш на локализацию носителей заряда.
Изучение двумерных систем представляет собой не только академический, но' и практический интерес в связи с их широким использованием.. Весьма- удобными объектами является двумерные инверсионные слои на поверхности кремния, гдо изменение напряжения на затворе позволяет изменять положение уровня Ферми. Такой ке эффект достигается в гетероструктурзх на основе арсенида галлия измокеннбм концентрации легирующей примеси. Открытие квантового" эффекта Холла вызвало огромный интерес к физике двумерных электронны): слоев. Интенсивно развивается электроника проводящих двумерных систем К настоящему времени однако до конца не _ исследовано распределение тока в двумерном канале в регзшз квантового эффекта Холла, локализация электронов в области сверхнизких температур, природа шумов и т. д. Особый интерес представляет исследование отклика двумерной, системы на переменном токе.
В диссертации с единых позиций рассмотрен класс явлений, возникающих в ' интеркалированных слоистых соединениях пониженной размерности н в двумерном электронном газе. Б работе рассмотрены 'важнейшие особенности энергетического спектра п локализации электронов, характерных для систем пониженной размерности.
Целью работы являлось: - изучение особенностей" энергетического спектра интеркалированных ннзкоразмзрных слоистых анизотропньк веществ и их связи с кинетическими
СВ0ЙСТВ8МИ н явлениями локализации;. - выяснение роли интер-калята в генезисе электронного энергетического спектра соединений внедрения в графит низких ступеней; исследование влияния пнтеркалирования различные вещества'мн на энергетический спектр, транспортные, термоэлектрические сгойства слоистых полупроводников; - исследование влияния давления на энергетический спектр слоистых полупроводников и соединений внедрения в графит; - изучение . амплитудных и фазовых особенностей эффекта Шубникова-до Гааза в слоистых низкоразмэрных объектах; - исследование особенностей локализации электронов в системах пониженной размерности с различной степенью, анизотропии и в двумерных системах.
Для рвеения этой задачи был выбран для исследования 'широкий класс ігазкоразшрньк анизотропных слоистых веществ с ^разной степенью анизотропии, в которых между слоягаї имеется взаимодействие ван-дор Ваальса и возможно проведение янтеркалирования: слоистые монокристаллы твердых ррстиоров A2VB3V' на основе теллуридов висмута и с,урьмы, , дихалькогониды переходных металлов, полупроводники AniBVI, квазидвумэрныэ инторкалировашшэ соодиненпл графита, в том числе гетероинтеркалнровашшэ, т. е. с чередованием двух различных ннтеркалятов, ' а такка гетероструктуры на осново арсонида галлия и инверсионные слои на поворхпостн кремния.
Представленню задачи, росэлись путем проведения комплексных экспериментальных исследований . квантовых осцилляцнонных эффектов, гальваномэгнитных, термоэлектрических и высокочастотных свойств низкоразмерных объектов в широкой диапазона измзнояия ізнвшвс парамзтров: магнитном поле до 22Тл, под давлзнші до 15 кбар,. в интервале теїіпера-тур от комнатной до сверхнизкой Ю, Об К.
Пауч^ая новизна и гіологатія.. пьттосп^п па зоняіту. В настоящей работе впарвыэ:
І- Исследовано влияние . пнтеркалирования на энергетический ейектр слоистых кристаллов теллурида висмута п- и (>-типов и твердых растворов па -их основе. Установлено, что пнторкаліроваїше па изменяет углы наклона и эллипсоидальную форму поверхности Ферми. Атомы металлов,
-4-внедранные в межслоевые пространства, является донорами.
-
В слоистых кристаллах р-В12Тез<$п> в магнитном поле до 22Тл обнаружены осцилляции холловского напряжения, имеющим вид серии горизонтальных плато как в квантовом эффекте Холла. Обнаружены локализованные состояния в р-I пхВ12-хТез- Исследовано влияние давления на энергетический спектр p-Bl2T«3
и р-1пхв.12-хТез- Величина запрещенной зоны с ростом давления, уменьшается со .скорость» ЭЕg/Зр =-(4*1)мэВ/кбар. Под действием давления локализованные' состояния смещаются вниз относительно потолка валентной зоны, что приводит к росту концентрации легких дырок. При давлении более 5 кбар в р-$12Тез<5п> электроны полностью заполняют локализованные состояния и плато в зависимости холловского напряжения от магнитного поля исчезают. -
Обнаружено резкое увеличение амплитуды осцилляции кинетических коэффициентов в образцах р-В12Твз<5г>>, р-Bi2Te3
, связанное с осцилляциями радиуса' экранировки заряженных примесных центров. Установлена синфазнооть осцилляции продольного магнитосопротивленйя и поперечных, магнитосопротивленйя' и термоэдс, минимумы- осциллирующего вклада продольной терыоэдс и поперечного эффекта Нернста-Эттингсгаузена сдвинуты на 1/4 периода в сторону сильных магнитных ' полей относительно максимумов осцилляции поперечного магнитосопротивления. '. -
В СВГ с двумя чередующимися различными интеркалятаии обнаружена гофрировка поверхности 'Ферми, объясняющаяся предложенной ' моделью, ' энергетического спектра этих соединений, в которой учитывается дисперсия носителей*тока в направлении перпендикулярном слоям. Обнаружена плоская двумерная сверхрешетка анионов серной кислоты в соединениях 2-5 ступеней, приводящая V появлению, дополнительных частот в спектре осцилляции магнитосопротивления. , ' t"
Исследован энергетический спектр- соединений внедрения в графит первой ступени с чередующимися двумя '.разными акцепторными интеркалятаии и СВГ 1-5 ; сгупеней с серной кислотой. Исследовано , влияние давления на энергетический спектр гетероинтеркалированного'-- графита, Обнаружено
.~5~
увеличение концентрации носителей тока и проводимости под давлением По экспериментальным данным определено изменение параметров энергетического спектра гетеро-СВГ под давлением. 9 5- Установлено, что для описания магнитосопротизления в ' слабых магнитных, полях и амплитуд эффекта Шубникова-де Гааза при различных ориентациях магнитного поля относительно кристаллографических осей образцов СВГ низких ступеней и слоистых кристаллов inSe в квазиклассическом приближении необходимо учитывать взаимодействие слоев, разделенных слоем интеркалята, т. е. квазндвукерный характер энергетического спектра интеркалированных соединений" графита.
6- Обнаружены структурные фазовые переходы ступень-
ступень под действием давления у интеркалированных
соединений графита. Исследованы фазовые переходы типа порядок беспорядок в соединениях внедрения в'графит с серной кислотой и монохлоридом иода. Установлено, что. температура перехода Тк зависит от Номером ступени и увеличивается с ростоіі давления со скоростью ЭТк/Эр*/7К/кбар. В гвтороинтвркалированных соединениях температура фазового перехода понижается" по сравнению с моноі'гатеркалированньааі той ге ступени.
7- Показано, что папштосопротивлонив и температурные
зависимости сопротивления поковых, вискозных и
полнакрилонитрнловьк углеродных волокон при температурах до
О, 05К описываются теорией квантовых поправок к проводимости
для двумерного случа'я. По экспериментальным данным
рассчитаны коэффициент диффузии, коэффициент мозкэлектренного
вэаишдействия, время релаксации фазы волновой функции и их
нзмэнениэ при инторкялировании. В углеродішх волокнах с
ниобием обнару&эи логарифмический рост сопротивлешія при понижении температуры с последующий переходом в ёвер'хпровйдяцэе состояние. В слоистых кристаллах InSe обнаружено отрицательное магиитосопротивленно с квадратичной зависимостью в слабых И логарифмической зависимостью в сильных магнитных полях, что . штат быть' объяснено" слабой двумерной локализацией -электронов.
8- Наблюдено изменение . анизотропии критических
параметров в слоистых кристаллах диселенида ниобия,
интеркалированных литием, понижение температуры сверхпроводящего перехода с 7,2К до 5, К, подавление волны зарядовой плотности, возникающей в исходных образцах при Т«32К. Анизотропия критических параметров интеркалированных образцов хорошо описывается моделью эффективных масс.
-
Исследованы температурные и магнитополевые зависимости проводимости инверсионных каналов п-типа кремниевых МОП структур .с низкой подвижностью электронов и переход металл-диэлектрик.' Обнаружено отрицательное магнитосопротивление как с металлической стороны перехода, связанное с квантовыми поправками к проводимости, -так и в области прыжковой проводимости; где сопротивление двумерного канала изменяется пр закону j>.ft,j>.0exp(T/T)*/3 с величиной ГЧ 400-600) К.
-
Обнаружено и исследовано явление дрейфового резонанса в двумерном электронном газе в гетероструктурах GaAs-Gaj_xAlxAs, заключающееся в резонансном .искажении плато квантового эффекта Холла при совпадении частоты тока с частотой дрейфа центров электронных или дырочных орбит вдоль замкнутых эквипотенциальных траекторий в ямах случайного потенциала v0. Измерение частот дрейфового резонанса позволяет определить значение отношения V0/a* случайного потенциала, где а - среднее значение размеров ям. При крупномасштабной компоненте а»1000А . величина V0к,1< Измерения температурных зависимостей ширины плато в области сверхнизких температур їакже дают ту же оценку величины крупномасштабной компоненты случайного потенциала.
Практическая ценность диссертационной работы Полученные в диссертационной работе результаты по исследованию электронных свойств интеркалированных слоистых веществ могут быть использованы при создании различных композитных материалов с заданными физическими свойствами.
Изучение влияния легирования и интеркалирования на термоэлектрические и _ транспортные свойства _. слоистых кристаллов теллурида висмута и . твердых растворов на его основе важно для 'оптимизации свойств термогенераторов, холодильников,- тершстатов и других устройств, разработаных и используемых на основе этих материалов.
Измерения квантовых интерференционных эффектов позволяют . получить. информацию о кинетических характеристиках и параметрах энергетического спектра электронов в неупорядоченных системах пониженной размерности.
Обнаруженное в работе явление дрейфового .резонанса на
ряду с измерениями ширины плато квантового эффекта Холла при
сверхнизких температурах открывает новые возможности для
определения параметров случайного потенциала двумерного слоя
в гетероструктурах. . ,
Совокупность полученных данных способствует дальнейшему,
развитию представлений об энергетическом спектра й природе
локализации электронов в системах пониженной, размерности:
двумерных- слоях, квазидвумерных структурах
инторкалированного графита и анизотропных полупроводниках. Проведенные в. настоящей диссертации исследования важны для развития . фундаментальных теоретических работ в области систем с пониАэнноЙ размэрностьп
Работа проводилась в соответствии с планом научно-
исследовательских . работ, выполняемых на физическом
'факультете'-Московского государственного университета по теме .
"Физика конденсированного состояния", номер государственной
регистрации 0І860230659 По коордннацисїшому Плану АН СССР
1.3. II. 2.' *'"'..' . "
Апробаиня работМ, Иатериалы диссертации докладывались и
обсуждались на слэдувднх симпозиумах, совещаниях и
конференциях: , '
* на 24 Всёсогаком -совещаний по физике низких температур (Тбилиси, Ї986); 11 BcocoeqHoU симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (Новосибирск, Ї987); 3 шкоде по актуальным вопросам физики полуйэталлов й узкозонньа полупроводников (Тирасполь, 1987); XII научном семинара "Влияние высоких давлений на вещество" (Одесса, 1987); 2 дальневосточной школа-семинаре По физики и химии твердого тела (Благовещенск,' 1989)} XI Воесовзной конференции по физике полупроводников (Кишинёв, . I988).j. It Всесоюзной ехоле "ВзаимодеЙствиа электромагнитных волн с ' полупроводниками и полупроводниково-диэяэктричвскпкя структурами (Саратов,
-8-1988); IX Всесоюзном симпозиуме "Электронные процессы на поверхности и в тонких слоях полупроводников (Новосибирск, 1988); школе-семинаре по актуальным вопросам физики сверхпроводимости и нормальных металлов (Харьков, 1988); VIII-XI Уральских школах по физике полупроводников (Свердловск, I985-I99I); 7 Всесоюзном симпозиуме по плазыэ и неустойчивостям в полупроводниках (Паланга, 1989); .2 Всесоюзном семинаре по . примесям и дефектам в узкозонных полупроводниках (Павлодар, 1989); IV Республиканском семинаре по физике и технике сверхнизких температур (Донецк, 1989); 26 Всесоюзной конференции по физике низких температур (Донецк 1990); XII Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Киев,. 1990); V Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990); а также на международных конференциях и симпозиумах: XI Международной конференции по физике и технике высоких, давлений (Киев., 1987); ' Международной конференции . "Органические материалы для электроники и приборостроения" (Ташкент, 1987); XII Международной конференции по физике и технике высоких давлений (Падерборн, ФРГ, 1989); Международной школе по физике конденсированного состояния (Варна, 1ЇРБ, 1988); Международной конференции по физике . и технике высоких давлений (Троицк, 1989); II Международном симпозиуме "Поверхностные' волны в твердых телах и слоистых структурах" (Варна, НРБ, '1989); Ш Международном .семинаре "Явления включения" (Новосибирск, 1989); '3 Международной конференции-"Перенос заряда и тепла в полупроводниках" (Галле, ГДР, 1989); . 4 Международной конференции "Высокие давления в полупроводниках" (Порто-Каррас, Грация, 1990); XIX Международной конференции по физике низких температур" (Брайтон, Великобритания, 1990); Международной конференции "Наука и технология синтетических металлов" (Тюбинген, ФРГ, Ї990); Восьмой международной конференции по тройным и комплексным соединениям (Кишинев, 1990); Кеадукародиой конференции по ннтеркалированиып соединениям (Орлеан, Франция, 1991);
кроме этого результаты докладывались на Ломоносовских тениях МГУ (1988,1989 гг.), на семинарах Университета им. Гумбо ль-
-9-дта, ФРГ;' института физики Карлова университета, ЧСФР..
Публикации. По теме диссертации имеется 80 публикаций в научных журналах и сборниках. Список основных работ приведен в конце' автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литература * Диссертация содержит 338 страниц, включая 115 рисунков, 10 таблиц, оглавление, список цитированной литературы из 385 наименований. ,
