Анотація до роботи:

Біляєв Є.Ю. Ефекти мікроскопічного та макроскопічного непорядку та перехід метал-ізолятор у провідності тонких плівок золота. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харків, 2002.

Експериментально досліджені ефекти слабкої локалізації електронів у суцільних плівках золота завтовшки 10 нм з різними концентраціями радіаційних дефектів в кристалiчній гратці, створених шляхом бомбардування іонами Ar⁺ з енергіями 3,5 кеВ. Показано, що при досягненні критичного ступеня розупорядкування зявляється лінійна залежність частоти електрон-фононної релаксації _ep^-1 від довжини вільного пробігу електронів і починається зростання показника ступеня в температурній залежності _ep^-1 Т^P від значення р=2 в “чистої межі” до р=2,8 для найбільш розупорядкованого зразка. Виявлений ефект збільшення часу спін-орбітальної (SO) взаємодії з розупорядкуванням інтерпретується на основі передбачення про переважаючий внесок поверхневого SO розсіяння в загальну частоту SO релаксації в тонких плівках.

Вивчення некогерентних мезоскопічних флуктуацій опору в плівці з топологічною невпорядкованістю, створеною методом іонного витравлювання матеріалу плівки, показало, що її провідність поблизу порогу перколяції може визначатися одним провідним ланцюжком послідовно зєднаних флуктуюючих резисторів.

Дослідження in situ переходу метал-ізолятор у холодноосадженої плівці Au завтовшки 3 нм виявило невідомий раніше ефект відємного магнітоопору R/R – H ²/T, який спостерігався в умовах здійснення стрибкової провідності поміж найближчими сусідами.

1. На основі аналізу проявів ефектів СЛ та ЕЕВ вперше експериментально знайдено зміну функціонального вигляду залежностей частоти електрон-фононної релаксації від температури і довжини вільного пробігу електронів при розупорядкуванні кристалічної гратки плівок золота. Вказана зміна відбувається при досягненні критичного ступеня розупорядкування кристалiчної гратки, який відповідає ситуації “брудної межі”, коли середня довжина вільного пробігу електронів за порядком величини зрівнюється з довжиною хвилі характеристичного термічного фонона. Зміна ступеня розупорядкування досягалось шляхом бомбардування вихідних суцільних плівок золота різними дозами іонів Ar⁺, що приводило до виникнення в плівках радіаційних дефектів кристалiчної гратки. Таким чином, в роботі експериментально підтверджуються теоретичні передбачення [7 – 11] про послаблення електрон-фононної взаємодії при переході до “брудної межі”.

2. Підсилення невпорядкованості кристалiчної гратки плівок золота супроводжувалось несподіваним зменшенням частоти спін-орбітальної взаємодії. Виявлений ефект інтерпретовано на основі припущення про переважаючий внесок поверхневого спін-орбітального розсіяння в загальну частоту спін-орбітальної релаксації в тонких плівках. В роботі показано, що процес спін-орбітальної взаємодії при розсіянні на поверхні відбувається значно ефективніше, ніж при розсіянні на домішках у обємі, а саме він визначає високу частоту спін-орбітальної релаксації у слабконевпорядкованих плівках, де довжини вільного пробігу електронів, по суті, обмежуються товщиною плівки. Із зростанням невпорядкованості, неефективні щодо перевороту спіну процеси розсіяння на домішках в обємі збільшують час дифузійного прольота електрона від поверхні до поверхні, що і призводить в експерименті до послаблення спін-орбітальної взаємодії з розупорядкуванням.

3. Виявлена при температурах вище мінімуму опору квадратична залежність опору від температури є проявом процесів електрон-фонон-домішкової інтерференції, передбачених у роботі [18]. При цьому, на відміну від роботи [19], де для виявлення цього ефекту довелось розраховувати і чисельно відділяти внески ефектів СЛ та ЕЕВ, зазначена поправка виявилась для досліджених плівок золота в чистому вигляді внаслідок того, що для золота – метала з інтенсивною спін-орбітальною взаємодією – внески в температурну залежність опору, зумовлені ефектами СЛ та ЕЕВ, в цій області температур взаємно компенсуються.

На основі аналізу відомих літературних даних для температурних залежностей часу електрон-фононної взаємодії в тонких плівках різних металів і результатів даного дослідження, в роботі висловлюється гіпотеза про те, що квадратична залежність частоти електрон-фононної релаксації від температури в слабкорозупорядкованих плівках зумовлена можливістю розповсюдження в системі плівка-підкладка поверхневих пружних хвиль Лява, які у випадку плівки з важкого метала з низькою поперечною швидкістю звуку (важкого сповільнюючого шару), якщо така плівка знаходиться на підкладці з легкого матеріалу з високою поперечною швидкістю звуку, мають незвичайний для акустики закон дисперсії [17]. Густина станів для такої хвилі в одновимірному випадку лінійно залежить від частоти.

5. В утвореній шляхом іонного щавлення перколяційній плівці золота, яка знаходиться поблизу порога протікання, спостережено флуктуації опору, що відповідали прояву ефектів некогерентної мезоскопіки [13–16]. Показано, що провідність двовимірної перколяційної плівки поблизу порога протікання може визначатись одним найбільш провідним ланцюжком послідовно зєднаних флуктуюючих опорів. Наявність вузьких діелектричних містків у цьому ланцюжку зумовлює як одновимірний характер моттівської стрибкової провідності всієї системи в цілому, так і прояви мезоскопічних флуктуацій опору, зумовлених рухами заряджених домішок в околах цих містків. Ці рухи відбуваються під дією прикладеного в процесі вимірювання вольтамперних характеристик електричного поля.

6. Досліджено перехід від сильної локалізації до слабкої локалізації електронів, який відбувається в холодноосадженій гранульованій плівці золота як під дією прикладеного в процесі вимірювань електричного поля, так і під впливом температури. При достатньо низьких температурах і прикладених напругах плівка поводила себе як ізолятор (двовимірний гранульований метал у діелектричному стані). В цьому стані спостерігались експоненціальні залежності опору від прикладеної вимірювальної напруги (при низьких температурах) і експоненціальні залежності опору від температури (при малих прикладених напругах), що є проявом механізму стрибкової провідності між найближчими сусідами. З підвищенням прикладеної до плівки вимірювальної напруги завдяки зниженню тунельних барєрів між гранулами відбувався перехід до металевої поведінки опору, що супроводжувалось зміною знаку магнітоопору. Поведінка магнітоопору в металевому стані відповідала прояву ефектів СЛ в гранульованому металі.

7. В області температур і прикладених напруг, яка відповідає діелектричному стану зразка, виявлено невідомий раніше ефект відємного магнітоопору, що виявляється в ультратонких холодноосаджених плівках золота в режимі стрибкової провідності між найближчими центрами локалізації (найближчими сусідами), і визначена його температурна та магнітнопольова залежність: R(H)/R(0) – H²/T. Відкриття цього ефекту викликало появу двох нових теоретичних моделей, запропонованих різними групами теоретиків [20,21], що претендують на його пояснення.

8. В проміжному інтервалі електричних полів, в перехідному режимі від сильної до слабкої локалізації, знак магнітоопору визначається конкуренцією внесків позитивного магнітоопору всередині гранул, який добре описується теорією СЛ (R_WL H²/T²), та негативного магнітоопору, що описується залежністю R_SL – H²/T. Із зниженням температури співвідношення порушується на користь позитивного магнітоопору, що пояснюється відмінностями в їх температурних залежностях.

Публікації автора:

1. Белевцев Б. И., Беляев Е. Ю., Бобков В. В., Глушко В. И. Эффекты слабой локализации электронов в проводимости плёнок золота, подвергнутых облучению ионами аргона. // ФНТ. – 1995. – Т. 21, №7. – С. 763 - 772.

2. Белевцев Б. И., Комник Ю. Ф., Беляев Е. Ю. Процессы фазовой релаксации электронов в неупорядоченных плёнках золота, подвергнутых облучению ионами аргона. // ФНТ. – 1995. – Т. 21, №8. – С. 839 – 850.

3. Сыркин Е. С., Комник Ю. Ф., Беляев Е. Ю. Об аномалии низкотемпературной зависимости времени электрон-фононной релаксации в тонких плёнках, находящихся на подложке. // ФНТ. – 1996. – Т. 22, №1. – С. 107 – 110.

4. Белевцев Б. И., Беляев Е. Ю., Копейченко Е. Ю. Мезоскопические флуктуации проводимости двумерных перколяционных плёнок золота вблизи порога протекания. // ФНТ. – 1996. – Т. 22, №9. – С. 1070 – 1078.

5. Белевцев Б. И., Беляев Е. Ю., Комник Ю. Ф., Копейченко Е. Ю. Переход от сильной к слабой локализации электронов в перколяционной плёнке золота под влиянием электрического поля. // ФНТ. – 1997. – Т. 23, №9. – С. 965 – 976.

6. Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Kopeichenko E. Yu. Mesoscopic conductance fluctuations in two-dimensional percolation gold films near the percolation threshold. // Czech. J. Phys. – 1996. – Vol. 46, №S4. – P. 2363 – 2364.

7. Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Komnik Yu. F., Kopeichenko E. Yu. Negative magnetoresistance in the nearest-neighbour hopping conduction in granular gold film. // Physica B.- 1998. - Vol. 254. - P. 260 - 266.

8. Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Komnik Yu. F., Kopeichenko E. Yu. Study of metal-insulator transition in percolation gold film by electric field tuning. // Ceramic Transactions. – 1998. – Vol. 86. – P. 165 – 184.

9. Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Komnik Yu. F. Electron Relaxation in Disordered Gold Films. // Phys.Rev.B. – 1998. Vol. 58, №12. – P. 8079 – 8086.