Красовицький Віталій Борисович. Квантовий "високотемпературний" осциляційний кінетичний ефект і гальванотермомагнітні явища в режимі нелінійної провідності у вісмуті: дисертація д-ра фіз.-мат. наук: 01.04.07 / Фізико-технічний ін-т низьких температур ім. Б.І.Вєркіна НАН України. - Х., 2003. - На обкл.: ...ім.Б.І.Вєркина...; ...эфект.... - Бібліогр.: с. 28-29.
Анотація до роботи:
Красовицький В.Б. Квантовий “високотемпературний” осциляційний кінетичний ефект і гальванотермомагнітні явища в режимі нелінійної провідності у вісмуті. – Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харків, 2003.
Представлено результати експериментального дослідження нового по суті, незвичайного квантового “високотемпературного” осциляційного кінетичного ефекту на монокристалах вісмуту і напівметалевих сплавах вісмуту із сурмою, телуром і оловом. Показано, що “високотемпературні” осциляції кінетичних коефіцієнтів (магнітоопір і термоерс) пов'язані з міжзонним електрон-дірковим розсіюванням носіїв заряду і є результатом інтерференції осциляцій щільності станів в електронній і дірковій частинах енергетичного спектра. Експериментально досліджено характеристики монокристалічних зразків вісмуту в режимі акустоелектричної нестійкості, яка пов'язана з генерацією пружних хвиль носіями заряду, дрейфова швидкість яких у схрещених електричному і магнітному полях перевищує швидкість звуку. У цих умовах виявлені і вивчені особливості гальванотермомагнітних явищ, які обумовлені великим рівнем електричної потужності, що вводиться в досліджувані зразки. Режим акустоелектричної нелінійності реалізовано у чистих, якісних зразках вісмуту при контрольованому, штучно заданому неоднорідному розподілі потенціалу. Запропонована і реалізована методика генерації акустоелектричних коливань при довільному сполученні величин струму, магнітного поля і температури.
При виконанні роботи отримано нові, конкретні, принципові науково-обгрунтовані результати і сформульовані положення, що мають визначальне значення для розуміння природи квантового “високотемпературного” осциляційного кінетичного ефекту, а також процесів, що протікають у вісмуті в режимі нелінійної провідності. Експериментально вивчені двовимірні об'єкти, що являють собою -шари бора і сурми в кремнії, і отримана інформація про температурну зміну часу непружної релаксації і параметри взаємодії носіїв заряду.
Основні результати дисертації отримані уперше, носять фундаментальний характер і можуть служити надійною експериментальною базою для подальшого розвитку теорії осциляційних кінетичних ефектів і явищ в умовах нелінійної провідності. Серед пріоритетних результатів, що виносяться на захист, принциповий характер носять наступні:
1. Експериментально досліджено новий тип квантових осциляцій кінетичних коефіцієнтів (магнітоопір і термоерс) – квантовий “високотемпературний” осциляційний кінетичний ефект.
а) Уперше з експериментів по вимірюванню періодів осциляцій Шубникова – де Гааза і “високотемпературних” осциляцій при варіюванні параметрів енергетичного спектра вісмуту тим чи іншим способом (некомпенсовані сплави вісмуту, гідростатичний тиск, одноосьовий стиск) показано, що період “високотемпературних” осциляцій визначається сумою екстремальних перетинів поверхні Фермі електронів і дірок.
б) Уперше експериментально досліджено вплив всебічного й анізотропного тиску на частоти “високотемпературних” осциляцій. З аналізу отриманої картини змін енергії перекриття енергетичних зон показано, що “високотемпературні” осциляції пов'язані з міжзонним электрон-дірковим розсіюванням носіїв заряду. Такий же висновок зроблено з експериментальних температурних залежностей амплітуди “високотемпературних” осциляцій вісмуту.
в) Експерименти, які проведені у високих стаціонарних магнітних полях до 330 кЕ в умовах реалізації квантової межі для електронів чи дірок, дозволили встановити природу квантового “високотемпературного” осциляційного кінетичного ефекту: “високотемпературні” осциляції пов'язані з міжзонним електрон-дірковим розсіюванням носіїв заряду і є результатом інтерференції осциляцій щільності станів в електронній і дірковій частинах енергетичного спектра.
2. Виявлено і вивчено ефекти, які пов'язані з процесами релаксації електронної і нерівноважної фононної систем у вісмуті в режимі нелінійної провідності.
а) Режим акустоелектричної нелінійності реалізовано у чистих, якісних зразках вісмуту при контрольованому, штучно заданому неоднорідному розподілі потенціалу. Показано, що в даній експериментальній ситуації подовжня провідність зразка в нелінійній області електричних полів стає неоднорідною. Доведено, що ефект “невзаємності”, який полягає в невідтворюваності нелінійної частки вольтамперної характеристики при інверсії вектора дрейфової швидкості носіїв заряду, пов'язаний з неоднорідним розподілом потенціалу в зразку і визначається різними механізмами релаксації нерівноважних фононів.
б) Проведені виміри ефекту Еттінгсгаузена у вісмуті в лінійному і нелінійному режимах провідності. Уперше ефект Еттінгсгаузена вивчено у вісмуті в умовах генерації нерівноважних фононів і показано, що перехід зразка в режим нелінійної провідності супроводжується різким зростанням поперечного градієнта температури: різниця температур бічних граней збільшується майже на два порядки. Продемонстровано існування потоку нерівноважних фононів, генеруємих у режимі ефекту Есаки, і виміряно коефіцієнт генерації звуку, що визначає потужність, винесену з електронної системи нерівноважними фононами.
Нові дані про великі градієнти температур в умовах поперечного гальванотермомагнітного ефекту в режимі генерації нерівноважних фононів дають можливість порушувати питання про постановку експериментів по розробці охолоджуючих пристроїв при температурі рідкого гелію.
в) В умовах штучно заданої неоднорідності в провідності зразка, коли одночасно реалізовані два режими провідності – омічна і нелінійна, виконано спостереження динаміки розвитку і встановлення в зразку стаціонарного стану, що визначався сигналом акустомагнітоелектричного ефекту. Уперше здійснено спостереження спрямованого потоку нерівноважних фононів, що генеруються при надзвуковому дрейфі носіїв заряду і поширюються по зразку. Вимір величини акустомагнітоелектричного ефекту дає можливість безпосередньо визначити, яка частина електричної потужності, що надходить у зразок, перетворюється в звукову.
г) Вивчено механізм взаємодії нерівноважних фононів, які генеруються у режимі нелінійної провідності, з границями двійникових прошарків у вісмуті. При орієнтації вектора магнітного поля поблизу напрямку, паралельного площині двійникування, в зразку виявлено незвичайний релаксаційний процес, час протікання якого на порядок перевищує характерні часи стабілізації нерівноважних фононів. Ефект пояснюється релаксацією нерівноважних фононів на електронах в умовах статичного дифузійного скин-ефекту, що реалізується на двійниковому прошарку, розглянутого як внутрішня границя в зразку. Запропонована модель явища описує, як сам нестаціонарний процес, тобто всі особливості на складному сигналі відгуку, так і його залежність від зовнішніх параметрів – струму, магнітного поля і температури.
д) Запропонована і реалізована методика генерації акустоелектричних коливань при довільному сполученні величин струму, магнітного поля і температури. Уперше проведено єдиний комплекс досліджень періодів акустоелектричних коливань у вісмуті в широкому інтервалі величин і напрямків магнітного поля при різних температурах. Встановлено, що режим генерації акустичного шуму є необхідною, але не достатньою умовою для генерації у вісмуті електричних коливань. Показано, що вмикання фонон-електронного механізму релаксації нерівноважних фононів призводить до появи акустоелектричних коливань.
З експериментально доведеної подоби відповідних залежностей періоду осциляцій і часу релаксації в нелінійний режим показано, что ефект акустоелектричних коливань і процес релаксації в режим нелінійної провідності однаковий за суттю релаксаційний процес. Наочно продемонстровано зв'язок періоду коливань, як зі станом електронного спектра, так і з процесами релаксації нерівноважних фононів.
3. Представлено результати експериментального дослідження двовимірних 2D електронних систем, які являють собою -шари бора і сурми в епітаксіальному кремнії.
а). Уперше досліджено поводження провідності при зміні температури в інтервалі 1,5-40 К і напруженості магнітного поля до 21 кЕ для серії зразків з -шаром бора в кремнії з концентрацією дірок у провідному -шарі см-2. З аналізу температурних і магнітопольових залежностей провідності, відповідно до концепції слабкої локалізації і взаємодії електронів у неупорядкованої 2D електронній системі, отримана інформація про температурну зміну часу непружної релаксації і параметрах взаємодії носіїв (дірок).
б). Уперше експериментально показано, что низькотемпературна провідність -шарів сурми в кремнії з поверхневою концентрацією атомів сурми і см-2 пов'язана зі стрибковим механізмом провідності з енергією активації мэВ, а при досить низьких температурах ( К) – із стрибковою провідністю зі змінною довжиною стрибка. Виявлено нелінійність вольтамперних характеристик, що успішно описується теорією неомічної стрибкової провідності в помірно сильних електричних полях.
Публікації автора:
Богод Ю.А., Красовицкий Вит. Б., Миронов С.А. Свойства “высокотемпературних” осцилляций магнетосопротивления висмута // ЖЭТФ. – 1980. –Т.78, №3. – с.1099–1113.
Богод Ю.А., Красовицкий Вит. Б., Лемешевская Е.Т. О симметрии “высокотемпературного” магнеторезистивного эффекта в висмуте // ФНТ. – 1981. –Т.7, №12. – с.1530–1533.
Богод Ю.А., Красовицкий Вит. Б., Лемешевская Е.Т. “Высокотемпературные” осцилляции магнетосопротивления как метод исследования электронного спектра // ФНТ. – 1983. –Т.9, №1. – с.34–39.
Богод Ю.А., Красовицкий Вит.Б., Лемешевская Е.Т. “Высокотемпературные” осцилляции проводимости в сплавах Bi-Sb, легированных теллуром и оловом // В кн. Полупроводники с узкой запрещенной зоной и полуметаллы. – Львов: – Минвуз СССР, 1986. – с.192–193.
Богод Ю.А., Красовицкий Вит. Б., Лемешевская Е.Т. “Высокотемпературные” осцилляции в некомпенсированных сплавах на основе висмута // ФНТ. – 1986. –Т.12, №6. – с.610–615.
Бударин А.Г., Вентцель В.А., Руднев А.В., Богод Ю.А., Красовицкий Вит.Б. Влияние давления на период “высокотемпературных” осцилляций висмута. // ФНТ. – 1988. –Т.14, №8. – с.875–878.
Богод Ю.А., Красовицкий Вит.Б., Левантовский В.Я, Лемешевская Е.Т. Экспериментальное исследование “высокотемпературных” осцилляций термоэдс висмута и анализ их частотного спектра // ФНТ. – 1988. –Т.14, №12. – с.1252–1258.
Богод Ю.А., Красовицкий В.Б. О влиянии межзонного неупругого рассеяния на свойства “высокотемпературных” осцилляций (ВТО) // ФНТ. – 1990. –Т.16, №7. – с.900–905.
Красовицкий Вит. Б., Хоткевич В.В. Влияние анизотропных деформаций на частоты “высокотемпературных” осцилляций (ВТО) // ФНТ. – 1991. –Т.17, №5. – с.710–715.
Бенгус С.В., Красовицкий Вит. Б., Финкель П.Е. Акустоэлектрические свойства висмута при неоднородном распределении тока // ФНТ. – 1992. –Т.18, №1. – с.30–36.
Бенгус С.В., Красовицкий Вит. Б., Финкель П.Е. Нестационарные процессы в режиме генерации фононов в Bi // ФНТ. – 1992. –Т.18, №8. – с.876–879.
Красовицкий Вит. Б., Бенгус С.В. Поперечный гальванотермомагнитный эффект в режиме генерации фононов в висмуте // ФНТ. – 1993. –Т.19, №7. – с.805–811.
Finkel P., Krasovitsky Vit.B., Bengus S.V. Time-dependent nonstationary processes in the phonon generation mode in bismuth // Physica B. – 1994. –V.194-196, №7. – P.435–436.
Бенгус С.В., Красовицкий Вит. Б. Новые особенности нелинейных вольт-амперных характеристик висмута // ФНТ. – 1994. –Т.20, №6. – с.562–565.
Красовицкий Вит.Б., Макаровский О.Н., Миронов О.А., Волл Т., Мэтью Н. Эффекты слабой локализации и междырочного взаимодействия в d-слоях бора эпитаксиального кремния // ФНТ. – 1995. –Т.21, №8. – с.833–838.
Красовицкий Вит. Б., Бенгус С.В. Взаимодействие неравновесных фононов с внутренней границей (двойник) в висмуте // ФНТ. – 1995. –Т.21, №10. – с.1075–1083.
Krasovitsky Vit.B., Bengus S.V. Interaction of nonequilibrium phonons with an internal boundary in bismuth // Czechoslovak J. Physics. – 1996. – V.46. – Suppl. S5 – P.2717–2718.
Каширин В.Ю., Комник Ю.Ф., Красовицкий Вит. Б., Миронов О.А., Макаровский О.Н., Эмелеус Ч.Дж., Волл Т.Э. Особенности электронных свойств d-слоев в эпитаксиальном кремнии. I. Общая физическая картина // ФНТ. – 1996. –Т.22, №10. – с.1166–1173.
Kashirin V.Yu., Komnik Yu.F., Krasovitsky Vit.B., Mironov O.A., Makarovskii O.N., Emeleus C.J., Gerleman I.G., Parker E.H.C., Whall T.E. Low temperature electron transport in Si with an MBE grown d-layer // Czechoslovak J. Physics. – 1996. – V.46. – Suppl. S5 – P.2479–2480.
Красовицкий Вит. Б., Комник Ю.Ф., Миронов О.А., Эмелеус Ч.Дж., Волл Т.Э. Особенности электронных свойств d-слоев в эпитаксиальном кремнии. IV. Прыжковая проводимость и нелинейные эффекты // ФНТ. – 1998. –Т.24, №3. – с.241–249.
Красовицкий Вит. Б., Бенгус С.В. Генерация неравновесных фононов и фонон-электронное увлечение в висмуте // ФНТ. – 1999. –Т.25, №5. – с.487–495.
Красовицкий Вит. Б., Хоткевич В.В., Янсен А.Г.М., Видер П. “Высокотемпературные” осцилляции проводимости висмута в ультраквантовом пределе // ФНТ. – 1999. –Т.25, №8/9. – с.903–909.
Красовицкий Вит.Б., Комник Ю.Ф., Миронов М., Волл Т.Э. Эффекты квантовой интерференции в дельта-слоях бора в кремнии // ФНТ. – 2000. –Т.26, №8. – с.815–820.
Agan S., Mironov O.A., Parker E.H.C., Whall T.E., Parry C.P., Kashirin V.Yu., Komnik Yu.F., Krasovitsky Vit.B., Emeleus C.J. Low temperature electron transport in Si with an MBE grown d-layer // Phys. Rev. – 2001. – V.B63, No.7. – P.075402-11.
Krasovitsky V.B. “High-temperature” oscillations of bismuth conductivity in the ultra-quantum limit // Int. Journal of Modern Physics B. – 2002. – V.16, No.22. – P.3054–3057.
Krasovitsky V. Quantum oscillations of Bi and BiSb magnetoresistance in magnetic fields up to 33 T // Physica B. – 2003. – V.329-333. – P.1099–1100.
Krasovitsky V.B. “High-temperature” oscillations of Bi and Bi(1-x)Sb(x) conductivity in high magnetic fields // Phys. Rev. – 2003. – V.B68. – P.075110-7.
