Содержание к диссертации
1 .ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 3
1.1 Постановка задачи 6
1.2 Зонная структура висмута 11
1.3 Классический и квантовый эффект Холла 28
1.4 Методы импульсного лазерного напыления 31
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ 42
2.1 Установка лазерного напыления пленок и тестирование образцов...42
2.2 Общие принципы сбора информации в режиме накопления сигнала и описание базовой автоматизационной программы 52
З.РЕУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ 76
3.1 Измерение гальваномагнитных характеристик. Классический эффект Холла в Bi пленках 76
3.2 Измерение гальваномагнитных характеристик. Квантовый эффект Холла в Bi пленках 80
3.3 Классический эффект Холла и интерференционно-флуктационная модель его подавления 84
3.4 Эффект Бома-Ааронова и мезоскопические осцилляции сопротивления в висмутовых пленках 93
3.5 Эффект Джозефсона и квантование сопротивления мезоскопических объектов 103
3 .б.Обсуждение 114
4.ВЫВОДЫ 122
Литература 124
Список публикаций по результатам работы 132
Введение к работе
Интерес к системам пониженной размерности не угасал даже в период «бури и натиска» на ВТСП направлении. Успехи пленочной технологии в создании идеальных объектов (большие длины свободного пробега, сверхмалые толщины сплошных проводящих пленок квантоворазмерного масштаба и т.д.) с одной стороны, и достижения физической теории в понимании природы квантовых эффектов в хаотизированных и частично упорядоченных проводящих системах с другой стороны, породили при таком встречном движении особое, быстроразвивающееся направление в физике конденсированного состояния. Помимо фундаментальной значимости этого направления, здесь можно ожидать и определенного практического выхода. При этом, если исследования двумерных систем на основе полупроводников уже в настоящее время привели к созданию работоспособных приборов, таких как НЕМ-транзисторы с двумерным электронным газом [1], работающие в пикосекундной области, резонансные туннельные диоды на квантовых ямах и сверхрешетках [2], полупроводниковые лазеры на гетеропереходах [3], то в металлах (если оставить в стороне случай сверхпроводимости [4]) изучение размерных эффектов пока практически не вышло за рамки фундаментальных исследований [5].
Незадолго до начала представляемой ниже работы в Криогенном отделе ФИАН была поставлена серия экспериментов по исследованию электронной фотоэмиссии с поверхности висмутовых пленок в области квантующих толщин. [6]. Пленки изготавливались методом лазерного напыления из Bi мишени [7]. В дальнейшем без значительных изменений эта методика была использована и в представленной работе (подробное описание приведено в пункте 2.1).
В случае квантующих толщин длина волны де Бройля электрона на поверхности Ферми XF становится соизмеримой с толщиной L, при этом граничные условия для волновой функции задаются отражением от внешней и внутренней (со стороны подложки) поверхности пленки. В случае зеркального отражения электронов, которое для простоты все время здесь и будет подразумеваться, движение квазичастиц поперек плоскости пленки (плоскость XT) оказывается размерно заквантовано [8 - 13]. Параболоиды, описывающие закон дисперсии движения электронов в пленки, должны в таком случае отсчитываться от уровней размерного квантования поперечного движения Е„, энергия которых, как известно, зависит от толщины L подобно "У "У О уровням в потенциальной яме с бесконечными стенками Еп(Ь) = п у 2mzL L (рисі, mz - поперечная эффективная масса носителя, п=1,2,3 - номер квантово-размерного уровня, h - постоянная Планка). Следовательно, по мере уменьшения толщины все электронные параболоиды «поедут» вверх по энергии En(L— 0)— co. В экспериментах [6] с помощью классического фотоэффекта действительно регистрировалось уменьшение работы выхода из пленок А = Ео - Ер (Е0 - уровень вакуума), Ер(Ь— 0) Еі (ультраквантовый предел L XF) = А Е0- Еі— 0 (рис.2).
Как видно из рис. 2, наряду с достаточно резким, но небольшим по абсолютной величине (300 мэВ) сдвигом фотоэмиссионных спектров в ультраквантовой области (L 7 нм), бросается в глаза значительный сдвиг спектров пленок, когда их толщина лежит в заведомо не квантовой области (L 40 нм), при этом энергия первого уровня размерного квантования EI(L=5UM) составляет по оценкам не менее 300 мэВ [6].
Также, согласно подобным элементарным представлениям, в висмуте, как в полуметалле, по мере уменьшения толщины пленки параболоид зоны проводимости [14 - 16] не просто смещается вверх: валентная зона и зона проводимости должны разъезжаться так, что в ультраквантовом пределе сокращается перекрытие зон по энергии (рис.1, нижняя часть). Но именно это перекрытие «поставляет» в систему свободные носители заряда, и, следовательно, при толщинах, отвечающих нулевому перекрытию полуметалл должен стать диэлектриком, однако, четко такого перехода в В і никто не видел [17]. 0 - А-Ак, эВ 0,5 А -А-"мишени Л 1.0 1.51 л і 1 1 1 0 50 100 150 200 250 ис.2 Зависимость работы выхода А тонких пленок висмута относительно коллектора от толщины L пленок: и - экспериментальные данные; — - уровень, соответствующий работе выхода массивного Ві (Ак —работа выхода углеродного коллектора)
Аномальное снижение работы выхода пленок висмута на больших по квантовым масштабам толщинах и особенно отсутствие каких-либо следов диэлектризации в ультраквантовом пределе подтолкнуло нас к исследованию гальваномагнитных характеристик, знание которых позволили бы вместе с подвижностью оценить концентрацию носителей в интересующей нас области толщин. Это и явилось фактической основой проведения представленной работы. Целью данной диссертационной работы является исследование особенностей гальваномагнитных характеристик висмутовых пленок в квантоворазмерной области толщин, в условиях, обеспечивающих проявление эффектов интерференции свободных носителей тока в этих системах, а также исследование роли подобных эффектов в физике ВТСП систем.
Предварительные электрофизические, фотоэлектрические и технологические исследования ультратонких квантоворазмерных пленок висмута привели к постановке ряда конкретных исследовательских задач. Таким образом, для достижения поставленной цели решались следующие задачи
1) создание базовой экспериментальной установки;
2) экспериментальное исследование гальваномагнитных характеристик ультратонких пленок висмута в квантующих и слабых магнитных полях;
3) определение концентрации свободных носителей в ультраквантовом пределе толщин в висмуте различными независимыми методами;
4) проведение электрофизических исследований пленок висмута непосредственно в ходе их напыления.
5) разработка адекватных моделей поведения свободных носителей в условиях размерного квантования с учетом воздействия эффектов квантовой интерференции носителей и флуктуационного разрушения такого воздействия;
6) исследование проявления эффектов макроскопической квантовой интерференции, характерных для сверхпроводящего состояния, в несверхпроводящих системах с нормальной проводимостью;
7) исследование возможного проявления аналогичных воздействий на свойства ВТСП систем.
Результаты, полученные в процессе решения сформулированных выше исследовательских задач (разделы 3.1-3.5), позволили охарактеризовать научную новизну работы, которая состоит в следующем:
1. Впервые проведены комплексные исследования сплошных ультратонких пленок Bi в диапазоне толщин вплоть до 5 нм. В этой области (L 5 нм) зафиксировано отсутствие размерной диэлектризации, а также снижение на 4 порядка константы Холла. Столь существенное ослабление эффекта Холла в висмутовых пленках ранее не наблюдалось.
2. Предложена оригинальная модель, объясняющая существенное падение константы Холла в ультратонких пленках Ві на основе флуктуационного подавления интерференционных свойств свободных носителей заряда в магнитном поле. Модель объясняет ослабление эффекта Холла при практически неизменной трехмерной концентрации носителей, что отвечает наблюдению неизменной (примерно) удельной проводимости висмутовых пленок в диапазоне от микронных до нанометровых толщин.
3. Впервые на пленочных образцах Bi макроскопических масштабов обнаружен эффект мезоскопических осцилляции сопротивления в магнитном поле.
4. Предложена оригинальная модель, объясняющая увеличение вклада осциллирующей части сопротивления микрообласти пленки в общий сигнал, регистрируемый на макроскопических контактах образца, вызванного усилением мезоскопического эффекта Бома-Ааронова за счет концентрации тока в микрообласти.
5. Впервые в процессе роста пленочного образца обнаружен эффект квантования его проводимости.
6. Предложена оригинальная модель, объясняющая эффект квантования сопротивления на основе аналогии с нестационарным эффектом Джозефсона.
Научная и практическая значимость .
Научная значимость представленной работы обусловлена современным уровнем физического эксперимента, выполненного в ее рамках (работа в сильных магнитных полях на сверхпроводящем соленоиде, лазерное напыление висмутовых пленок и т.д., раздел 2.1), а также использованием оригинальных специально разработанных численных методов автоматического сбора и обработки полученных данных (различные цифровые алгоритмы подавления шума в реальном времени и Фурье-преобразование в условиях дрейфа фазы, имитационный численный эксперимент и т.д., раздел 2.2). В целом это позволило обнаружить в ультратонких проводящих пленках Bi некоторые ранее неизвестные эффекты и доказать их фундаментальную природу (разделы 3.1-3.5).
Для объяснения природы обнаруженных эффектов в работе предложен ряд простых конкретных физически значимых моделей: усиление мезоскопического эффекта Бома-Ааронова в условиях концентрации тока, модель флуктационно-интерференционного подавления классического эффекта Холла, модель квантования сопротивления, основанная на аналогии с нестационарным эффектом Джозефсона.
В заключительных разделах работы делается попытка продемонстрировать значимость предложенных модельных представлений для физики сверхпроводимости и ВТСП систем.
Практическая значимость данной работы обусловлена указанием фундаментального ограничения максимальной чувствительности датчика Холла на основе ультратонких полуметаллических пленок в рамках предложенной модели флуктуационно-интерференционного подавления классического эффекта Холла.
Значимым для практики физического эксперимента является также разработанный простой двухуровневый алгоритм, позволяющий производить Фурье-преобразования накопленных данных в условиях дрейфа фазы их общего аргумента. Разработан универсальный пакет программ автоматизации сбора и обработки данных, поступающих в ходе эксперимента. Накоплен большой практический опыт подавления шумового вклада в регистрируемый сигнал и выявление физически значимой информации при фоновой составляющей, превышающей полезный сигнал на несколько порядков.
Значимым для практики криогенного эксперимента является разработка простой универсальной устойчивой и автономно функционирующей цифровой системы стабилизации и управления рабочей температуры на основе широтно-импульсного преобразования сигнала уклонения температуры (раздел 2.1).
На основании результатов, полученных при выполнении представленной работы (разделы 3.1-3.5) на защиту выносятся следующие положения:
1. Обнаружено значительное (на 4 порядка) ослабление классического эффекта Холла в ультратонких пленках Bi. Проведенные электрофизические и технологические исследования показали, что в пленках Bi такое ослабление эффекта Холла не связано с их технологическим несовершенством, а вызвано действием фундаментальных механизмов.
2. Результаты измерений доказывают, что при уменьшении толщины пленок до значений, отвечающих ультраквантовому пределу, концентрация носителей остается практически неизменной и диэлектризации, вызываемаемой предполагаемым сокращением перекрытия зон при двумеризации Ві, не происходит. Исследования, проведенные с использованием различных методик, показали, что при уменьшении толщины пленок до значений, отвечающих ультраквантовому пределу, рост концентрации свободных носителей в висмуте отсутствует и поэтому снижение константы Холла в ультратонких пленках Ві не может быть оправдано ростом концентрации носителей.
3. Предложен механизм, позволяющий объяснить существенное ослабление эффекта Холла, наблюдавшегося в ультратонких пленках Bi, флуктуационным подавлением интерференционных свойств носителей в магнитном поле, наличию которых в классическом случае отвечает эффект Холла. При этом рост относительного вклада флуктуации числа частиц сильно сказывается при снижении общего числа носителей, вызванного уменьшением толщины пленки.
4. Предложено объяснение аномального снижения работы выхода, наблюдавшегося в тонких пленках Bi. Предложены механизмы флуктационно-интерференционного подавления обменного вклада в энергию носителя и механизм размерного подавление длины туннелирования влияющий на положение уровня Ферми относительно положения уровня вакуума в простейшей зонной модели сильной связи. Рассмотрено возможное проявление обоих предложенных механизмов в сверхпроводящих свойствах металлов и ВТСП систем.
5. Обнаружены мезоскопические осцилляции сопротивления висмутовых пленок макроскопического размера в магнитном поле и эффект квантования сопротивления макроскопической пленки в ходе ее роста. На основе аналогии с бездиссипативными когерентными эффектами, присущими сверхпроводящим объектам, построены модели мезоскопических осцилляции сопротивления пленки в магнитном поле и квантования сопротивления в ходе ее роста.
