Введение к работе
Актуальность темы. Благодаря своим уникальным свойствам низкоразмерные наноструктуры занимают ведущее положение в современной физике твердого тела и находят применение в различных областях химии, материаловедении, биологии, компьютерной техники и др К числу таких свойств относится и возможность проявления нелинейности и неравновесности в относительно слабых электрических полях Применительно к квазидвумерной сверхрешетке (2СР), эта возможность приводит к появлению мультистабиль-ных состояний, неравновесных фазовых переходов (НФП), стохастического резонанса (СтР) (об этих явлениях идет речь в данной диссертации)
Нанотехнологические исследования имеют государственную поддержку в ведущих индустриальных странах, в том числе и в России, где создается Правительственный совет по нанотехнологиям в рамках президентской инициативы «Стратегия развития напоиндустрии» Предполагается, что нанотех-нологии станут основой систем вооружения нового поколения Кроме того, нанотехнологии могут быть востребованы и во многих других отраслях, в частности, в промышленности, медицине, транспортной и аэрокосмической сферах, а также в сфере телекоммуникаций К настоящему времени уже разработан ряд программ данною направления Тематика диссертационной работы соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН» и Российской государственной программе «Физика твердотельных наноструктур» Значтельная часть работы выполнена в рамках проекта № 02-02-16238 («Неравновесные фазовые переходы в низкоразмерных полупроводниковых структурах») Российского фонда фундаментальных исследований
Цель работы заключалась в теоретическом исследовании мультиста-бильных состояний и влияния шума на неравновесный электронный газ в 2СР, а также в изучении стохастического и вибрационного резонансов в таких системах
Конкретно решались следующие основные задачи-
расчет плотности тока, плотности потока тепла, коэффициента диффузии и электронной теплопроводности в 2СР,
изучение спонтанного поперечного (по отношению к тянущему полю) потока тепла в изотермическом режиме,
исследование спонтанных поперечных электрического поля и градиента температуры в адиабатическом режиме,
решение стационарного уравнения Фоккера - Планка для функции распределения спонтанного поперечного электрического поля (как случайной величины) с учетом теплового или «мультипликативного» шума,
с помощью численного моделирования иллюстрирование временного процесса флуктуации поперечного электрического поля, вызванных аддитивным белым шумом в 2СР,
исследование новых мультистабильных состояний неравновесного электронного газа в 2СР, возникающих под действием мультипликативного шума в изотермическом и адиабатическом режимах,
расчет интегральных характеристик СтР в 2СР с аддитивным или мультипликативным белым шумом,
расчет коэффициента усиления поперечного (относительно протекающего в образце постоянної о тока) гармонического сигнала за счет постоянного продольного тянущего поля и/или поперечного высокочастотного тока
Научиая новизна работы заключается в том, что в ней впервые
-
получено выражение для потока тепла в линейном приближении по градиенту температуры в 2СР,
-
показана возможность возникновения спонтанного поперечного потока тепла в 2СР в изотермическом режиме,
-
в адиабатическом режиме исследованы мультистабильные состояния и НФП в 2СР, проявляющиеся в возникновении спонтанных поперечных электрического поля и градиента температуры,
-
найдены условия возникновения новых индуцируемых мультипликативным шумом мультистабильных состояний неравновесного электронного газа в 2СР,
-
обнаружен и исследован СтР в квазидвумерном неравновесном электронном газе,
-
с учетом влияния электрического поля на интенсивность шума рассчитаны коэффициент усиления, отношение «сигнал/шум» и коэффициент передачи в 2СР,
-
получено аналитическое выражение для коэффициента усиления гармонического сигнала в присутствии постоянного тянущего поля и внешнего высокочастотного тока в 2СР
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
В изотермическом режиме в квазидвумерном электронном газе имеет место НФП 2-го рода, где управляющим параметром является тянущее поле, а параметром порядка - плотность потока тепла
-
В адиабатическом режиме возможны НФП 1-го или 2-го рода в неравновесном электронном іазе в 2СР, заключающиеся в спонтанном возникновении поперечных электрического поля и градиента температуры
-
В сильном тянущем электрическом поле квазидвумерный электронный газ представляет собой бистабильную систему, в которой возможно существование стохастического резонанса, интегральные характеристики которого зависят не только от интенсивности шума, но и от электрических полей
-
Учет влияния полей на электрические флуктуации приводит к возникновению новых мультистабильных состояний (не существующих при детерминистическом описании) электронного газа в 2СР и индуцируемых шумом НФП
-
Внешнее нагрузочное сопротивление обеспечивает немонотонную зависимость скорости Крамерса от тянущего поля, при этом коэффициент усиления сигнала как функция тяігущего поля имеет два максимума (двойной электростохастический резонанс)
-
В 2СР постоянное тянущее электрическое поле стимулирует усиление слабого гармонического сигнала внешним высокочастотным током
Научная и практическая ценность работы. Представленные новые результаты могут быть полезны для дальнейшего теоретического изучения и экспериментальных исследований термоэлектрических и стохастических свойств 2СР На основе предсказанных эффектов возможно создание устройств для охлаждения элементов микроэлектроники, усилителей слабых периодических сигналов, фильтров и і еиераторов шумов
Достоверность результатов работы подтверждается испочьзованием современных физических и математических методов анализа, численным экспериментом, непротиворечивостью полученных результатов основным физическим представлениям о процессах, протекающих в сильных постоянных электрических полях в сверхрешетках, а также тем, что в предельных случаях результаты, полученные в работе, совпадают с результатами других авторов
Апробации работы. Результаты, полученные в диссертации, докладывались на региональной школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (Ульяновск, 2001 г), Всероссийской научной конференции «Физика полупроводников и полуметаллов» (Санкт-Петербург,
-
г), Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2002, 2004 гг), 1-й Украинской научной конференции по физике полупроводников (с международным участием) (Одесса, 2002 г), 10-й Всероссийской конференции по физике сегнетоэлектриков (Тверь, 2002 г), Международной конференции «Физика электронных материалов» (Калуга, 2002 г), IV Международной конференции «Фундаментачьные и прикладные проблемы физики» (Саранск,
-
г), Международной научно-технической школе-конференции «Молодые ученые 2003» (Москва, 2003 г), IV Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2004 г ), IX межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2004 г), Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-13 (Ростов-на-Дону, Таганрог, 2007 г )
Результаты диссертации опубликованы в 20 научных работах, в том числе в 11 статьях, 1 из которых - в журнале «Известия РАН», включенном в список ВАК, в 9 тезисах докладов
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из предисловия, трех глав, включающих обзорные параграфы, заключения и списка цитируемой литературы Общий объем диссертации составляет 139 с, включая 42 рисунка Список литературы содержит 148 наименований
Личный вклад автора. Постановка задач, обобщение полученных данных, интерпретация и обсуждение результатов осуществлены диссертантом совместно с научным руководителем и соавторами публикаций Проведение ряда аналитических, всех численных расчетов, реализация численных экспериментов и графическое представление результатов были выполнены диссертантом самостоятельно
