Влияние электрон-фононного взаимодействия на перенос электронов проводимости при низких температурах

Взаимодействие возбуждений играет в твёрдых телах фундаментальную роль при формировании кинетических свойств. В металлической фазе, при высокой плотности электронов, наиболее характерным является взаимодействие блоховских электронных состояний и фононов-волн плотности в заряженной решётке ионов. При низких температурах это взаимодействие, в основному определяет температурное поведение широко изученных кинетических коэффициентов хороших проводников. Основные законы такого взаимодействия к настоящему времени в принципе выяснены и довольно подробно исследованы. И тем не менее', можно составить весьма обширный список актуальных физических задач, связанных с проблемой электрон-фононного взаимодействия"которые либо требуют продолжения их теоретической и экспериментальной разработ-ки^либо вообще новы по своей постановке .Так1, остаются актуальными^ в частности', исследования явлений переноса в условиях больших изменений импульса электронов при их взаимодействии с длинноволновыми Зрононами — процессов^сопровождающих индуцированное фононами брэг-ровское отражение электронов и приводящих к анизотропии рассеяния. 1рактически экспериментально не изучены особенности электропровод-юсти в условиях неравновесной фононной системы (эффекты увлечения). Зледует выделить особо совершенно новый тип явлений — нелинейные эффекты переноса с участием «холодных» электронов, наблюдение кото->ых непосредственно связано со свойствами электрон-фононного взаи-юдействия при низких температурах. Здесь перечислены только те воросы, которые затронуты в настоящей работе, однако перечень актуальных физических задач"связанных с влиянием электрон-фононного взаимодействия на явления переноса в металлах, мог быть продолжен.

Ряд явлений^например нелинейные эффекты, для своего изучения требуют нетрадиционного экспериментального подхода"другие могут быть исследованы в настоящее время благодаря успехам в совершенствовании экспериментальной техники и получению образцов с новыми свойствами. Оба подхода легли в основу исследований, составивших содержание настоящей диссертации.

Из представленных в диссертации результатов будет видно, что некоторые явления5, обусловленные электрон-фононным взаимодействием в металлах, обладают наряду с научной и практической ценностью-, обнаруживая неожиданную возможность создания на их основе новых низкотемпературных физических приборов.

В основу диссертации легли следующие работы: I) разработка метода исследования маломасштабных кинетических эффектов, пригодного для работы в магнитном поле- 2) исследование анизотропии рассеяния, индуцированной топологической анизотропией орбит носителей в магнитном полете помощью экспериментального изучения продольного маг-неторезистивного эффекта в алюминии- 3) создание прецизионного экспериментального метода исследований на широкий интервал гелиевых температур, включая область сверхтекучего гелия- 4) экспериментальное обнаружение и исследование переданного эффекта увлечения в многослойных структурах металл-изолятор-металл- 5) экспериментальное получение нелинейных вольт-амперных характеристик нормального иеталла в режиме «холодных» электронов и обнаружение и исследование низкотемпературных температурно-электрических доменов.

Структура диссертации следующая. ГЛАВА 1 является теоретическим введением в круг проблем, охватываемых диссертацией, включающим так-?се известные экспериментальные результаты, относящиеся к рассматриваемым вопросам. В ГЛАВЕ 2 описываются оригинальные методики, разработанные и использованные для изучения явлений переноса, рассмотренных в диссертации. ГЛАВА 3 содержит результаты экспериментального исследования продольного магнеторезистивного эффекта в алюминии. Экспериментальные результаты по обнаружению и изучению переданного эффекта увлечения представлены в ГЛАВЕ 4. ГЛАВА 5 посвящена исследованию нелинейных эффектов. В-ПРИЛОЖЕНИЕ вынесены методические вопросы, относящиеся к ГЛАВЕ 3, и, наконец, в ЗАКЛЮЧЕНИИ кратко резюмированы основные результаты, содержащиеся в диссертации.

Некоторые из полученных результатов, в частности защищённые авторскими свидетельствами высокочувствительные методики экспериментального исследования явлений переноса в металлах при низких температурах, внедрены в ряде научных учреждений страны: в ВАМИ МИН-ЦВЕТМЕТ (г'.Ленинград) для контроля чистотысверхчистого алюминия (с подтверждённым экономическим эффектом 20,6 тыс. руб.) — в ФТИ им'. А .Ф.Иоффе АН СССР для научных исследований.

5.8. ВЫВОДЫ.

Результаты исследований, изложенных в данной главе, показали, что реализация нелинейных эффектов в электропроводности нормальных металлов вполне возможна и на холодных электронах. Это обеспечивается тем, что при низких температурах сравнительно небольшую энергию, приобретаемую электронами от электрического поля, можно практически целиком направить на разогрев решётки кристалла. Для этого необходимо лишь создать квазиадиабатические условия разогрева, что и обеспечивается специфическим поведением механизмов электрон-фо-нонного взаимодействия и теплоотвода при низких температурах: при определённом уровне интенсивности указанного взаимодействия процесс отбора энергии электронов решёткой становится преобладающим над. процессом увеличения той же энергии за счёт электрического по-ля.В результате, дрейфовая скорость электронов при увеличении электрического поля не возрастает, как обычно, а падает, создавая условия для отрицательной дифференциальной проводимости металла. Исследование уравнений переноса в этом случае показывает, что процесс квазиадиабатического разогрева является неустойчивым по координате и не может охватывать образец на всём его протяжении, оказываясь локализованным на длине, зависящей от кинетических характеристик образца. В итоге, в образце достаточной длины неизбежно возникновение темпе-ратурно-электрического домена, который может, к тому же, перемещаться вдоль электрического тока.

Изучение подобных эффектов как в теоретическом, так и в экспериментальном плане только начинается и, с нашей точки зрения, весьма перспективно. Уже первые экспериментальные результаты, представленные в данной главе, демонстрируют и практическую ценность их. Так, домен в кольце индия обладает «логическими» свойствами (рис.83), а вольт-амперные характеристики этого же кольца и других образцов позволяют их использовать в схемах стабилизации тока.

— 15.

— 10 а.

— 5 у / 1 I 3 |.

Рис, 83. Амплитуда напряжения на паре диаметрально расположенных контактов А-ВСрис.65)при возбуждении домена в кольце 1пЗ а-слева от линии АВ-самопроизвольное возбуждениеб-справа от линии АВ-возбуждение, инициированное тепловым импульсом на восходящем участке ВАХ, рис. 73,при значениях тока «5 :1−1,46 А-2−1,8 А-3−2,05 А. сек.

Рис. 84.Пространственно-временная неустойчивость температурно-электрического домена, наблюдаемая на контактах 1−1,не наблюдается на контактах 2−2. Образцы 1 г 3, АЬ 5. Вверху показан один из возможных вариантов взаимного расположения домена и контактов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные результаты, представленные в диссертации, можно резюмировать следующим образом.,.

Г. Разработаны оригинальные высокочувствительные методы исследования маломасштабных кинетических явлений в металлах в широком интервале низких температур, включая температуры сверхтекучего гелия, и магнитных полей, использующие принцип сверхпроводящей коммутации проводимости измерительной цепи с источником измеряемого напряжения. Предложен новый принцип сверхпроводящей коммутации, позволяющий повысить чувствительность сверхпроводящих модуляторов до уровня 5* 10″ *^%, не критичный к температуре ванны с жидким гели ем. Разработанные методы исследования защищены двумя авторскими свидетельствами на изобретение.

2ш0бнаружена и исследована при 4,2К анизотропия продольного магнеторезистивного эффекта в алюминии: а) Установлено влияние геометрии эксперимента на асимптотику продольного магнеторезистивного эффекта в сильных полях. Показано, V что такое влияние обязано неколлинеарности векторов Н и ] «обусловливающей в условиях магнитного. пробоя появление чётных по маг—иитному полю напряжений в плоскости, ортогональной | ¿-обнаруженных на холловских контактах образцов, и не ортогональности линии потенциальных контактов к вектору таких напряжений. б) Устранение влияния геометрии эксперимента позволило наблюдать и измерить истинные уровни насыщения продольного эффекта, которые оказались в строгом количественном соответствии с теоретически рассчитанными в приближении изотропного времени релаксации1. Теоретический расчёт проведен по методу траекторий и явился первым полным расчётом (для всех основных кристаллографических ориентацию продольного эффекта в конкретном металле. Теоретически и экспериментально обнаружена значительная (до 300 $) анизотропия продольного магнеторезистивного эффекта в алюминии в насыщении. Выяснено, что данная анизотропия есть следствие анизотропии X — компоненты длины свободного пробега (при изотропном рассеянии), инициированной нарушением движения электронов по свободноэлектронным траекториям в местах пересечения последних с границами зоны Брил-люэна.

3.Исследовано влияние на продольную проводимость алюминия малоуглового рассеяния электронов на протяжённых дефектах и фононах: а) Обнаружено, что дислокации и фононы ликвидируют насыщенное поведение продольного эффекта, приводя к появлению линейной компоненты по магнитному полю-* б) Впервые наблюдена немонотонная температурная зависимость продольного магнетосопротивления (^!11(Т)) алюминия с максимумом в области 20К. в) Обнаружена неизотропная температурная зависимость продольного сопротивления в магнитном поле (р^ (Т)), коррелирующая с симметрией кристалла относительно вектора Н.

4.Предложена теоретическая модель влияния малоуглового рассеяния электронов в алюминии и проведен количественный расчёт температурной зависимости продольной проводимости в рамках этой модели с применением диффузионного уравнения. Результаты расчёта объясняют экспериментально наблюдаемое поведение продольного магнетосоп-ротивления алюминия (п.36) и продольного сопротивления алюминия (п.Зв), указывая, что основной причиной такого поведения является внутризонная анизотропия 1 — компоненты скорости электронов на несферичной ферми-поверхности внутри зоны. Установлены температурные границы преимущественно изотропного (до ЮК) и неизотропного (выше ЮК) рассеяния электронов в алюминии.

5.На трёхслойных структурах с медными пластинами, разделёнными диэлектрическим слоем из аральдита, впервые удалось осуществить возбуждение электрического тока давлением увлечённых фононов (переданный Эффект увлечения).

6 .Изучено влияние на величину переданного эффекта увлечения различных физических факторов — чистоты, степени кристаллографического совершенства, толщины металлических пластин"материала диэлектрической прослойки. Оценены значения длин свободного пробега, определяющих величину эффекта.

7.Исследована температурная зависимость переданного эффекта увлечения в интервале температур 2 •" ЗОК. На основании её поведения высказано предположение, что в низкотемпературной части (ниже ~ 12К) характер указанной зависимости формируется под влиянием элек-трон-фононных процессов рассеяния с перебросом в местах контакта ферми-поверхности меди с границами зоны Бриллюэна, а в высокотемпературной области (начиная с ~ 20К) — под влиянием фонон-фононных столкновений с перебросом, устраняющих эффект увлечения.

8.Обнаружена зависимость величины переданного эффекта увлечения от среды окружения структур. Последовательное уменьшение эффекта отвечает такой последовательности изученных условий измерения: вакуум, газообразный гелий, стайкаст, контакт с жидкостью. В последнем случае в х — точке наблюдено резкое уменьшение эффекта по величине. Зависимость эффекта от среды окружения указывает на значительную диссипацию импульса фононов на поверхности пластин, приводящую к снижению итоговой скорости дрейфа неравновесных фононов, определяющей величину импульса, передаваемого в пластину-приёмник.

9.Количественно оценена роль всех термоэлектрических явлений, сопутствующих переданному эффекту увлечения. Показан о, что она не—значительна1;

10.Впервые экспериментально реализована возможность достижения режима отрицательной дифференциальной проводимости нормального металла на хододных электронах.

И.Проведен подробный анализ физических условий, необходимых для реального наблюдения режима 0ДП-сформулированы требования к экспериментальным методикам, пригодным для этой цели-разработаны соответствующие методики.

12¿-На широком спектре металлов различной чистоты и разными методами реализованы и детально изучены вольт-амперные характеристик ки с падающими участками ОДП"Показано, что в грязных образцах С Д300 /Я^ <Ю2) из-за узости области ОДП не обеспечиваются условия для образования температурно-электричеоких доменов, что находится в согласии с теоретическими оценками-1.

13.Дан анализ реального вида вольт-амперных характеристик. Исследована роль электрон-фононного взаимодействия в установлении условий для возбуждения температурно-электрического домена. Уточ-нена роль кризиса кипения гелия. Доказано, что кризис кипения не является самостоятельным механизмом образования отрицательной дифференциальной проводимости металлов, как иногда кажется, а есть яв-' ление, способствующее проявлению электрон-фононного взаимодействия, от уровня которого только и зависит возможность достижения режима ОДП нормального металла без применения магнитного поля.

14 Г.В кольце из чистого индия впервые осуществлено возбуждение температурно-электрического домена и проведено наблюдение за его поведением. Предложен метод идентификации домена и импульсно-тепло-вой способ его «перемещшия» для логических операций. Определён пространственный размер домена в кольце.

15.Наблюдена пространственно-временная неустойчивость темпера-турно-электрического домена. Обсуждены динамические свойства доменов в реальных условиях.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах [761 [77], [78], [80], [81], [88], [92], [93], [НО], [III], [112], [ИЗ], [123], [124] и доложены на.

ХП1 (Донецк, 1972 г.), ХШ1 (Киев, 1974 г.), XIX (Минск, 1976 г.),.

XX (Москва, 1979 г.), и XXI (Харьков, 1980 г.) Всесоюзных совещаниях по физике низких температур;

XX Международной конференции стран-членов СЭВ по физике и технике низких температур (Вроцлав, ПНР, 1981 г.);

ХЗТС Международной конференции по физике низких температур (Лос-Анджелес, США, 1981 г.).

II Всесоюзном семинаре по вепросам микроконтактной спектроскопии и солитонным состояниям в металлах (Харьков, 1982 г.).

Считаю своим приятным долгом выразить глубокую признательность академику АН УССР Б. И. Веркину за неизменный интерес к работе и её поддержку, коллективу отдела кинетических свойств металлов во гла^-ве с профессором Ю. Ф. Комником, в особенности 0.Г.Шевченко, И. И. Логвинову, А. Г. Ордынцу, за повседневную помощь, тесное сотрудничество и творческую атмосферу, способствовавшую выполнению работы, а также коллегам по институту А. А. Слуцкину, А. М. Кадигробову, Р. Н. Гуржи, А. И. Копелиовичу и многим другим, с которыми у меня состоялось много полезных обсуждений по существу проблем, затронутых в диссертации.