Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В металлических монокристаллах высокой чистоты и кристаллографического совершенства при температурах жидкого гелия транспортная длина свободного пробега электронов t ножет достигать 5+1Омм. В низкотемпературных экспериментах ча образцах с размерами d легко достигается условие г > d, при котором рассеяние электроноь проводимости на поверхности становится основним механизмом рассеяния, определяющим поведение
транспортных свойств не только при Н=0, но и при ыгт » 1. в сильных магнитных полях в компенсированных металлах с замкнутыми поверхностями Ферми (ПФ) к возникновению статического скин-эффекта [4-63 может приводить рассеяние электронов проводимости на поверхностях кристаллов, параллельных н. Суть ССЭ состоит в преимущественном протекании постоянного электрического тока в приповерхностном слое, толщиной порядка ларморов-ского радиуса г если выполняется условие #-,, « d < г. экспе-риментально этот эффект был обнаружен в монокристаллах кадмия С7,8]. Позднее он исследовался в нонокристаллических пластинках вольфрама и молибдена с9] и в монокристаллических вискерач СІОЗ, то есть, практически в чистом виде, когда при г< а « і "объемные" механизмы рассеяния электронов (на «Тойонах, на дефектах и др. ) были несущественны. В сильных магнитных полях, когда г « а, ССЭ не исследовался. Однако, существовала точка зрения, что в этих условиях рассеяние электронов на поверхности не будет давать преобладающего вклада в проводимость металлов, так как толщина приповерхностного слоя г в который вытесняется электрический ток при статическом скин-эффекте, много меньше, чем поперечные размеры образцов d и, следовательно, будет преобладать вклад "объемных" электронов. Так как из теоретических исследований ССЭ C4-6J не вытекет ограничений на величину напряженности н для возникновения этого эффекта, то представлялось важным внести ясность в этот вопрос путем постановки прямых экспериментов, которые бы смогли продемонстрировать преимущественное протекание постоянного электрического тока у поверхности компенсированных металлов с замкнутыми ПФ в сильных магнитных полях. Наряду с этим отсутствовали экспериментальные исследования роли поверхностного рассеяния электронов проводимости при ССЭ в компенсированных металлах с открытыми и многосвязными ПФ. Не изучался эффект Холла в условиях ССЭ, тогда как в металлах с равными концентрациями электронов пр и дырок п коэффициент Холла характеризуется именно особенностями рассеяния носителей тока.
Понимание основных закономерностей проявления ССЭ в гальваномагнитных свойствах компенсированных металлов мож?т способствовать изучению других механизмов рассеяния электронов в сильных магнитных полях. Так, например, корректного эксперимен-
талыюе исследование электрон-фононного рассеяния при ССЭ вообще невозможно из-за перераспределения приповерхностного з -и объемного jQ(5 электрических токов в процессе изменения температуры. Такое перераспределение искажает характер температурных зависимостей гальваномагнитных коэффициентов. В сильных магнитных полях рассеяние электронов на приповерхностных дефектах должно изучаться во взаимосвязи со ССЭ на совершенной поверхности компенсированных металлов.
Из выше сказанного следует целесообразность экспериментального исследования рассеяния электронов проводимости на поверхности металлических кристаллов в сильных магнитных полях. ССЭ и его роли в формировании гальваномагнитных свойств.
В области исследований электронов на фононах накоплен большой объем экспериментальных и теоретических данных С2.3, 11, 123. Однако, до сих пор отсутствует полная ясность в понимании совместного влияния нормальных электрон-фононных процессов рассеяния, низкотемпературных электрон-фононных процессов пе реброса и топологических особенностей ПФ на времена релаксации электронов проводимости в металлах. В частности, до сих пор не увенчались успехон многочисленные попытки надежного экспериментального обнаружения экспоненциального (пайерлсов-ского ) типа температурной зависимости времени релаксации электронов СЗ, 133 (т ~ ехр(Т0/Т-) . где Т « Т0, и характерная температура TQ определяется размерами межлисных щели в импульсном пространстве и законом дисперсии фонснов)." Из теоретических исследований СЗД43 вытекает, что поиск экспоненты Пайерлса в компенсированных металлах может быть существенно облегчен в сильном магнитном поле, гак как удается создать условия для эффекта увлечения фононов при холловском дрейфе носителей тока, и межлистные процессы переброса могут стать преобладающим механизмом рассеяния электронов на фононах. Постановка экспериментов .по изучении межлистноя релаксации электронов проводимости осложнена существованием в компенсированных металлах в сильных магнитных полях ССЭ.
Таким образом, вопрос о существовании экспоненты Пайерлса в температурных зависимостях транспортных свойств металлов на сегодняшний лень является принципиальным в понимании механиз-
мов электрон-фононного взаимодействия при низких теипературах и является одним из ключевых результатов в современной теории явлений переноса в металлах СЗЗ. Постановка экспериментов по изучению низкотемпературного электрон-фононного . рассеяния должна преследовать цель - ответить на вопрос: "Насколько важную роль играют межлистные электрон-фононные процессы переброса в транспортных свойствах металлов и приводят ли они к существованию экспоненты Пайерлса в магнитосопротивлении?
Э;спеоиментально П51 и теоретически C16J показано, что в условиях ССЭ изменение коэффициента зеркальности отражения электронов от поверхности q может в значительной степени повлиять на величину и асимптотики полевых и температурных зависимостей кинетических коэффициентов. Наличие дефектов кристаллической решетки в приповерхностной области образцов будет изменять длину свободного' пробега электронов г и влиять на перераспределение приповерхностного электрического тока. Вопрос о взаимном влиянии ССЭ и рассеяния электронов на дефектах решетки, сосредоточенных вблизи поверхности, ранее экспериментально не изучался. Подобная задача теоретически рассматривалась лишь для влияния слоя диффундирующих через поверхность примесей на электросопротивление компенсированных металлов в сильных магнитных полях [17з, но экспериментальные работы в этом направлении отсутствовали.
Впервые в C18.19J било высказано предположение, что при преимущественном протекании постоянного тока в приповерхностном слое толщиной г достаточно легко могут быть реализованы условия, в ко.торых закон Ома не выполняется. Экспериментальные исследования нелинейных транспортных свойств компенсированных металлов в сильных магнитных полях с учетом эффективного рассеяния электронов на поверхности, приводящего к ССЭ, до последнего Бремени отсутствовали. Среди воэмокнах причин отклонения от закона Ома в условиях сильного сканирования постоянного тока теоретически С203 рассматривался и механизм нелинейности, вызванный особенностями рассеяния электронов на поверхности кристаллов в неоднородном магнитном поле, возникающем в ре-зультае большой плотности тока у поверхности. Это может приво-
лить к перераспределению плотности тока р кристалле и отклонению от линейных ВАХ. При ГСЭ возможность реализации механизма генерации фононов, возникающей при достижении электронами дрейфовой скорости равной скорости звука в металле. Экспериментально он изучался лишь в полуметаллах С21.221.
D связи .с этим представляет интерес поиск и исследование нелинейных транспортных эффектов в компенсированных металлах высокой чистоты, связанных со сканированием постоянного электрического тока при поверхностном рассеянии электронов проводимости в сильном магнитном поле. Это, вероятно, один из воэиож- ных путей перехода к освоению новой широкой области исследований - нелинейных электронных явлений в металлах.
Дальнейшее исследование физических свойств чистых компенсированных металлов может оказаться полезным и для того, чтобы понять существует ли принципиальная возможность для создания на их основе пассивных и активных устройств для работы в сверхпроводящих и криолроводящих электрических цепях. На сегодняшний день эта- задача имеет не столько практическое, сколько чисто научное значение, поскольку ее решение позволяет найти возможные пути технического использования транспортных свойств особочистых металлических кристаллов и сформулировать новые направления для технических исследований.
ЦЕЛЬ И НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель исследований, результаты которых описаны в диссертации, сострит в том, чтобы на основе уже изученных и надежно восстановленных электронных и фононных энергетических спектров, данных о поверхностях Ферми ряда переходных компенсированных металлов tw.Mo.Re и Ru) экспериментально изучить роль различных механизмов рзссеяния электронов проводимости (рассеяние на поверхности кристаллов, на фононах и дефектах кристаллической решетки ), в формировании транспортных свойств в сильных магнитных полях, в том числе и в случаях, когда невыполняется закон Ома.
ВЫБОР ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель исследований определила выбор объектов исследования. В работе изучались наиболее чистые и совершенные в настоящее время монокристаллы компенсированных переходных металлов кубической (мо,и)и гексагональной симметрии (). Использование в экспериментах монокристаллов вольфрама и молибдена обусловлено, во-первых, тем; что они
являются электронными аналогами, имеющими замкнутые ПФ, в ко
торых ранее обнаружен ССЭ и, во-вторых, их хорошо изученные ПФ
позволяют использовать эти негаллы в качестве модельных для
изучения электрон-фононных процессов переброса. Рений и руте
ний имеют.ПФ с замкнутыми'И открытыми листами. Эксперименталь
но ССЭ в компенсированных металлах с открытыми ПФ еще не наб
людался. Поэтому рении используется для этих целей, как наибо
лее чистый в настоящее время металл. Рутений представляет ин
терес в связи с существованием в нем сильных нагнитопробойных
эффектов. Наиболее чистые монокристаллы w имеют отношение
р /р а ЮОООО, для монокристаллов мо и Re оно равно
о /р X зоооо, а В Ru - Р 1р а 3000.
ВЫБОР МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЙ. Выбор экспериментальных методик для изучения явлений переноса в компенсированных металлах обусловлен целью исследований. Обширную информацию о механизмах рассеяния электронов проводимости в сильном магнитном поле может дать изучение низкотемпературных гальваномагнитных и тер-иомагнитных свойств. Поэтому в работе измерялись электрическое сопротивление, магиитосопротивление, эффект Холла, эффект поперечного четного напряжения, нагнитотермоэдс и эффект Нернс-та-Эттингсгаузена.
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. Исследования гальванонагнитных и термомагнитных свойтв высокочистых компенсированных металлов выполнены в интервале температур 4,2 + 50 К в постоянных магнитных полях до 150 кЭ. Параметр ь> т варьировался от 0 до 5-ю . Транспортная длина свободного пробега в наиболее чистых кристаллах достигала 5 нм.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы.