Введение к работе
У\}; -'АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ, Интенсивные исследования электричес--кйх—контактов в первой половине ньшешнего столетия были вызваны к жизни бурным развитием электро- и радиотехники, средств связи. Во всех этих случаях речь шла об изучении контактов макроскопического размера, плотность тока в которых не превышала Ю2-Ю3 'сы2, а отличие их характеристик от обычных проводников определялось главным образом геометрией и состоянием контактирующих поверхностей. Обширные сведения о механических, тепловых, электрических и других свойствах металлических контактов содержатся в [I].
Лишь в последние 15 лет электрические контакты стали предметом фундаментальных исследований в низкотемпературной физике твердого тела. На возможность использования контактов с баллистическим пролетом электронов для изучения поверхности Ферми указывал еще Шарвин [2], однако их спектроскопические свойства впервые были обнаружены в экспериментах Янсона [31, реализовавшего на практике точечные контакты с диаметром d * 10 s- I03 Й и плотностью тока j fc 10а - 10і А/см2, где область концентрации тока имела размеры много меньше длины неупругой релаксации носителей. Такое пространственное разделение области сильного возмущения электронов и области передачи их избыточной энергии решетке исключает нагревные эффекты. Второе важное следствие малости диаметра микроконтакта по сравнению с длинами, неупругой релаксации - постоянство максимальной избыточной энергии, приобретаемой электронами и равенство ее приложенному к берегам контакта электрическому смещению. Таким образом, из нелинейной электропроводности микроконтакта мы получаем возможность определения энергетической зависимости длин релаксации электронов.
Теоретическое обоснование наблюдаемого явления принадлежит Кулику, Омельянчуку и Шехтеру, впервые подробно исследовавшим характер неравновесности в электрон-фононной системе [4]. Совместно с приоритетными экспериментальными работами это составило предмет открытия С регистрационный номер 328)
Однако, вплоть до начала настоящих исследований микроконтактная (МЮ спектроскопия использовалась исключительно для исследования электрон-фононного взаимодействия (ЭФВ) в чистых нормальных металлах [5,6,7], что, безусловно, сужало область применения и резко ограничивало потенциальные возможности метода. .Кроме того,
хотя теория нелинейной электропроводности микроконтактов и позволяла перейти от качественного анализа результатов к их количественной обработке, ряд ее положений требовал экспериментальной проверки и уточнения на модельных объектах. Предполагалось также [81, что практически без потери информации метод может быть применен к исследованию систем с достаточно короткой длиной упругой релаксации носителей при условии, что неупругая или диффузионная длина остаются больше размеров контакта. Это позволило бы исследовать различные механизмы рассеяния электронов в проводящих сплавах и соединениях, но прямое экспериментальное подтверждение подобной возможности отсутствовало.
Малость размеров микроконтакта, определяющая возможность создания сильно неравновесных электронных и фононных состояний должна обусловливать появление новых эффектов не только в электропроводности, но и теплопроводности, а также термоэлектрических явлениях в контактах. Однако какие-либо исследования в этой области не проводились.
Наконец, вне поля деятельности МК спектроскопии продолжают оставаться полупроводники, прикладное значение контактов на основе которых трудно переоценить. Отдельные попытки их исследования наталкивались на серьезные трудности экспериментального плана и в интерпретации результатов. Наиболее последовательный путь продвижения в этом направлении лежит через изучение контактов из полуметаллов, где помимо ожидаемой высокой чувствительности к внешнему магнитному полю могут стать существенными и квантовые эффекты.
Это определило цели и направления работы, заключающиеся в следующем:
комплексное изучение МК спектров чистых металлов, их количественная обработка и анализ на основе теоретических моделей и расчетных функций ЭФВ;
распространение метода на проввдящие системы с малой длиной свободного пробега носителей Сквазибаллистический или диффузионный режимы протекания тока через контакт) и изучение динамики рассеяния электронов проводимости одиночными микроскопическими центрами;
исследование проводимости микроконтактов на основе металлов, сплавов и соединений в тепловом режиме, выяснение возможности температурной модуляционной спектроскопии с помощью микроконтактов;
_- изучение особенностей явлений переноса в микроконтактах, включая термоэлектрические эффекты и теплопроводность;
исследование характера нелинейной электропроводности микроконтактов во внешнем магнитном поле: классические траекторные и квантовые эффекты;
экспериментальное обнаружение и изучение квантовых интерференционных эффектов в электропроводности точечных контактов:
выяснение возможности исследования с помощью микроконтактной техники гетерофазных систем, содержащих гвазинульмерные включения в области концентрации тока.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, определяется уникальным характером исследуемых объектов, позволяющих создавать и изучать хорошо определенное сильно неравновесное состояние в электронной системе, не имеющее аналога в физике проводников. Основные результаты, перечисляемые ниже, получены в данной работе впервые и выносятся на защиту-.
-
Проведено всестороннее исследование МК спектров щелочных СМа, К, Li), .благородных (Ag ,Аи), двухвалентных гексагональных (Be. Мд) и ферромагнитных
-
Изучены многофононные процессы в МК спектрах. Показано, что для большинства металлов существует удовлетворительное согласие эксперимента с расчетом, выполненным в рамках простых моделей, а относительная интенсивность максимумов, связанных с последовательны.) рассеянием электрона на двух фононах, позволяет определить характер распределения примесей в области микросужения, служит критерием многоконтактности и дает возможность осуществить коррекцию параметра ЭФВ.
-
Показана принципиальная возможность изучения ЭФВ в материалах с малой импульсной длиной свободного пробега электронов 1. в тех случаях, когда энергетическая длина релаксации Л = (1 1 )1/а превышает размер контакта d. Экспериментально изучено поведение транспортного фактора МК функции ЭФВ в зависимости от соотношения между 1. и d.
-
Изучены процессы рассеяния электронов на магнитных примесях в микроконтактах, приводящие к возникновению нулевых аномалий в проводимости, исследование которых позволило определить величину усредненного транспортного фактора < К(р,р') > и значение обменной
энергии взаимодействия электрона с магнитной примесью J, а по расщеплению нулевой аномалии при наложении магнитного поля в случае разбавленных сплавов Си - Мп - g-фактор Ланде.
-
Для сплавов с резко отличающимися массами примеси и основной решетки исследовано взаимодействие электронов с локальными (система Cu-Ве ) и квазилокальными С Pb-Mg )модами. Концентрационные зависимости ширины и интенсивности пика локальных колебаний обнаруживают сильное влияние примесей на размытие полос в МК спектрах при энергиях близких к дебаевским.
-
Рассмотрены особенности теплового режима протекания тока через микроконтакт. Однозначная связь между приложенным к контакту смещением и температурой в его центре, а также практически безынерционное преобразование напряжения в температуру позволяет осуществить модуляционную температурную спектроскопию сплавов и соединений с помощью точечных контактов, изучать фазовые переходы, сопровождающиеся изменением проводимости и восстанавливать температурную зависимость удельного сопротивления материала р (Т) и его производной р'(Т) из вольт-амперных характеристик СВАХ) микроконтакта.
-
Для благородных (Аи, Си, Ад), переходных d-металлов (Pt, Ni, Pd) и сплавов CuMn в интервале концентраций от кондо-систем до спинового стекла проведено измерение термоэдс в однородной цепи из этих материалов, содержащей в качестве одного из плечей "термопары" никроконтакт. Показано, что термоэдс увлечения фононами в контакте Sg подавлена в силу малости отношения его диаметра к длине фонон-электронной релаксации. Обнаружено также, что диффузионная термоэдс микроконтакта S9 мала по сравнению с соответствующим вкладом для массивного материала при Т « 0D и зависит от диаметра контакта, по крайней мере, до температур порядка дебаевской.
-
Впервые реализован чисто электронный механизм теплопроводности через механический контакт двух электродов и измерена температурная зависимость теплового потока Q (Т) для микроконтактов Аи - Аи. Показано, что при Т » 25 - 30 К Q СТ) определяется соотношением между длиной свободного пробега электронов и диаметром контакта, приближаясь по мере увеличения І/d к квадратичной зависимости. Измеряемые в одном эксперименте значения Q СТ) и R СТ) дают возможность определить температурную зависимость числа Лоренца и провести независимую оценку величины диаметра микроконтакта.
-
Исследовано влияние магнитного поля на микроконтактные
спектры сурьмы для основных кристаллографических направлений. Показано, что изменение основных параметров спектра ЭФВ - интенсивности, полуширины и абсолютного положения максимумов по энергии определяется квазиодномерным характером растекания тока в микросужении и зависит от соотношения между ларморовским радиусом носителей г„, их транспортными длинами и диаметром контакта. Обнаружено, что сильная зависимость длины неупругой релаксации носителей от энергии, различный характер дисперсии для внутри- и междолинных фононов, а также анизотропия электронных свойств Sb приводит к резко анизотропному и в значительной степени зависящему от энергии поведению спектров ЭВФ в магнитном поле.
10. Обнаружено аномальное поведение интенсивности осцилляции магнитосопротивления в контактах из сурьмы с г > d, возрастающих по мере уменьшения длины свободного пробега в области микросужения. Наблюдаемый эффект связан с увеличением компоненты скорости вдоль магнитного поля для электронов на центральных сечениях за счет изотропизации ее при упругом рассеянии. Другой возможной причиной увеличения амплитуды осциллирующей компоненты дифференциального сопротивления является дифракция электронов в контактах с диаметром порядка де-бройлевской длины волны.
П. Впервые в проводимости микроконтактов наблюдались эффекты, связанные с локализацией носителей в области микросужения. Разрушение квантовой интерференции в результате ЭФВ, приводящего к сбою фазы волновой функции электронов и, соответственно, к увеличению проводимости микроконтакта обусловливает инверсию знака МК спектра. Обнаружено, что квантовая добавка в спектр увеличивается по мере возрастания энергии. Для Bi сильное электрон-электронное взаимодействие практически полностью подавлявг ЭФВ.
12. Микроконтактная техника применена к изучению сверхпроводящих включений малого размера, представляющих собой кластеры метастабильных фаз или аморфных модификаций исследуемого материала. Показана возможность определения критических параметров таких включений и предложена модель, объясняющая особенности поведения R микроконтактов. Обнаружена неизвестная ранее сверхпроводящая фаза сурьмы с Т = 6,4 К. Проанализирована возможность исследования спектров ЭФВ материала кластера.
Научная и практическая ценность полученных результатов заключается в том, что метод МК спектроскопии был распространен на ши-
рокий круг новых явлений в проводящих системах, резко отличающихся по характеру режима протекания тока, типу изучаемых возбуждений, впервые использован для исследования квантовых эффектов в проводимости микроконтактов. Результаты работы могут быть широко использованы в других областях физики твердого тела. В работе развиты оригинальные методики, позволяющие исследовать явления переноса в точечных контактах и определять транспортные длины носителей тока.
Нельзя не упомянуть о практическом значении ведущихся работ с точки зрения дальнейшего прогресса в развитии микроэлектроники. Уже сейчас в микросхемах с высокой интеграцией элементов плотность тока в контактах достигает Ю5 - I06 А/см2 и именно их надежность определяет качество и долговечность всего устройства. Преодоление субмикронного барьера вплотную приблизит многие элементы таких схем к микроконтактам по целому ряду параметров. При этом могут оказаться существенными термоэлектрические эффекты в однородных цепях и нетрадиционное поведение теплопроводности, изученные в настоящей работе.
Нелинейные свойства микроконтактов, в частности ферромагнитных металлов и их сплавов могут найти применение в детекторах, генераторах гармоник, преобразователях частоты, работающих в широком интервале температур.
Апробация работы. Результаты работы докладывались:
на международных конференциях по физике низких температур LT - 14, Гренобль, 1975 г., LT - 17, Лос Анжелес, 1981 г.
конференциях стран-членов СЭВ по физике и технике низких температур - XX, Вроцлав, 1981 г., XXI, Варна, 1983 г., XXV, Берлин, 1986 г.
Всесоюзных совещаниях по физике низких температур - Харьков, 1980 г., Кишинев, 1982 г., Ленинград, 1988 г.
XV Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений, Пермь, 1981 г.
2-м Научном семинаре "Металлофизика сверхпроводников", Киев, 1983 г.
Всесоюзном семинаре по низкотемпературной физике металлов, Красный Лиман, 1983, 1985, 1987 гг.
Всесоюзных школах: " Неравновесные явления в металлических микроконтактах", Харьков,1984 г., Черноголовка, 1986 г.
. - Научных семинарах ФТИНТ АН УССР, ФИ АН СССР, ИФ1ТАН СССР, ИАЭ им. Курчатова, ДонФТИ АН УССР.
Результаты работы нашли отражение в монографиях [71 и 191, а также обзорах [5,6].
Публикации .Основное содержание диссертации отражено в 25 опубликованных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти гнав, заключения и списка литературы. В ней отсутствует специаль-i:js обзорная глава и соответствующий материал содержится в отдельных разделах оригинальных глав. В конце каждой из глаз имеются ь:,доды. В заключении приводятся основные итоги проведенных исследований.
