WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Орлов Андрей Петрович МЕЖСЛОЕВАЯ ТУННЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КВАЗИОДНОМЕРНЫХ ПРОВОДНИКОВ С ВОЛНОЙ ЗАРЯДОВОЙ ПЛОТНОСТИ 01.04.07 – Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2008 2

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Научный консультант: доктор физико-математических наук Латышев Юрий Ильич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Кошелец Валерий Павлович кандидат физико-математических наук, Преображенский Владимир Борисович

Ведущая организация: Институт неорганической химии им. А.В.Николаева СО РАН

Защита состоится «20» июня 2008 г. в 12-00 на заседании диссертационного совета Д002.231.01 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН

Автореферат разослан «_16_» мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор С.Н. Артеменко 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время исследования низкоразмерных наноматериалов и структур на их основе стало одним из определяющих направлений физики твердого тела. Это связано прежде всего с неослабевающим интересом к фундаментальным свойствам конденсированных электронных состояний с макроскопической когерентностью, реализуемых в этих материалах, таких как высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), волны зарядовой и спиновой плотности (ВЗП/ВСП) [1]. Необходимо отметить большие потенциальные возможности практического использования низкоразмерных материалов в твердотельной наноэлектронике. Например, реализуемые в этих материалах естественные туннельные переходы, образуемые чередованием атомно тонких проводящих и изолирующих слоев имеют размеры порядка постоянной решетки, то есть единиц нанометров, что дает принципиальную возможность использования нелинейных туннельных явлений для создания электронных приборов. Традиционные методы туннельной спектроскопии квазиодномерных материалов чрезвычайно затруднены в силу малости поперечных геометрических размеров соединений данного типа. Проблематичным является и создание искусственных туннельных барьеров на их поверхности. Развиваемый в работе метод использует естественные туннельные барьеры, обусловленные самой кристаллической структурой этих материалов, что определяет высокое качество полученных туннельных спектров.

Первая реализация такого типа туннельных структур была сравнительно недавно продемонстрирована на слоистых высокотемпературных сверхпроводниках типа Bi2Sr2CaCu2O8+x [2]. Настоящая работа продолжает развитие этого метода для спектроскопии другого класса слоистых материалов с волной зарядовой плотности (ВЗП).

Цель работы заключалась в исследовании межслоевых туннельных спектров в пайерлсовском состоянии с ВЗП в двух широко исследуемых квазиодномерных материалах NbSe3 и TaS3 [3], представляющих собой реализацию полного и частичного пайерсовских переходов; исследование в широком диапазоне температур температурной зависимости энергетической щели ВЗП в обоих материалах; поиск эффектов взаимной соизмеримости двух ВЗП, сосуществующих в NbSe3 при низких температурах; исследование влияния статических (до 28 Тл) и импульсных (до 55 Тл) магнитных полей на энергетическую щель и температуру пайерлсовского перехода в NbSe3.

Научная новизна полученных результатов заключается в адаптации метода межслоевой туннельной спектроскопии к классу слоистых материалов с волной зарядовой плотности и получение с его помощью следующих новых фундаментальных результатов: определены и исследованы энергетические щели высокотемпературной и низкотемпературной ВЗП в NbSe3, а также в оTaS3 и установлен характер их температурной зависимости; обнаружен эффект взаимодействия двух ВЗП в NBSe3 при низких температурах в области их сосуществования; обнаружены и исследованы особенности туннельных спектров, локализованные внутри энергетической щели ВЗП в NbSe3; впервые проведена спектроскопия энергетической щели ВЗП в сильных магнитных полях до 55 Тл, показана возможность индуцирования энергетической щели магнитным полем выше температуры пайерлсовского перехода; обнаружен и объяснен немонотонный характер зависимости температуры пайерлсовского перехода от величины магнитного поля.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Определение энергетической щели волны зарядовой плотности (ВЗП) методом межслоевой туннельной спектроскопии в NbSe3 и oTaS3.

• Обнаружение взаимодействия двух ВЗП, сосуществующих в NbSeпри низких температурах.

• Обнаружение эффекта увеличения температуры пайерлсовского перехода и индуцирования энергетической щели ВЗП в NbSe3 в сильных магнитных полях.

Достоверность полученных результатов подтверждена воспроизводимостью данных на большом числе образцов и их признанием научной общественностью. Определенные в работе значения энергетической щели ВЗП согласуются с результатами измерений, полученными независимыми методами. Часть обнаруженных эффектов количественно согласуются с результатами теоретических расчетов, а также теоретических предсказаний.

Практическая значимость работы связана с разработкой нового независимого метода спектроскопии низкоразмерных материалов с ВЗП. Этот метод уже зарекомендовал себя при исследовании слоистых высокотемпературных сверхпроводников. В работе продемонстрированы высокие потенциальные возможности этого метода на другом классе материалов – квазиодномерных проводников с ВЗП.

Личный вклад автора. Автор внес личный вклад в развитие межслоевой туннельной спектроскопии квазиодномерных проводников с ВЗП, который состоял в получении экспериментального материала, опубликованного в статьях, в объяснении поведения щели и состояний внутри нее от температуры и магнитного поля. Автором создана высокочувствительная система компьютерного сбора данных для измерения межслоевых туннельных спектров, в том числе система быстрого сбора данных для измерения спектров в импульсных магнитных полях. Им проведена значительная часть измерений и большая часть обработки экспериментальных данных. Участие в выработке интерпретации полученных результатов.

Апробация работы. Результаты диссертации были доложены на российских и международных конференциях: International Workshop on Electronic Crystals (Cargese, France, 21 - 27 August 2005); 4th International conference on magnetic and superconducting materials (Agadir, Morocco, 5 - September 2005); на семинаре “Сильно коррелированные системы и квантовые критические явления” (ИФВД РАН, Троицк, 15 июня 2006); International workshop on Recent Developments in Low Dimensional Charge Density wave Conductors (Skradin, Croatia, 29 June – 3 July 2006); 5th International Workshop on the intrinsic Josephson effect in high-Tc superconductors, Plasma-2006 (London, –19 July 2006); International workshop on quantum mesoscopics (Montpellier, France, 9-12 October, 2006); на семинаре “Сильно коррелированные системы и квантовые критические явления” (ИФВД РАН, Троицк, 14 июня 2007);

International School “Magnetic Fields for Science” (Cargese, France, 27 August – September 2007); NATO Advanced Research Workshop on electron transport in nanosystems, (Yalta, Crimea, 17 - 21 September 2007); VIII Российская конференция по физике полупроводников (Екатеринбург, 30 сентября – октября 2007); EuroMagNET Conference (Nijmegen, Netherlands, 22 - 23 October 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей (список приведен в конце), из них 2 статьи в ведущих российских и 3 статьи в зарубежных журналах, внесенных в список ВАК. Общий объем опубликованных работ по теме диссертации составил 33 страницы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 103 страницы, рисунка, 1 таблицу и библиографию из 66 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, поставлены цели и задачи диссертационной работы, включая научную новизну и практическую значимость полученных результатов работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

Глава 1 имеет обзорно-аналитический характер. В ней изложены основные сведения, необходимые для понимания оригинальных частей диссертации. В ней представлено описание конденсированного состояния с ВЗП (характеризующегося пространственной модуляцией коррелированной электронной плотности с волновым вектором Q=2kF, где kF - фермиевский волновой вектор и энергетической щелью 2 в электронном спектре), сделан обзор существующих методов спектроскопии энергетической щели ВЗП, среди которых подробно рассмотрен метод туннельной спектроскопии. Далее в главе рассмотрен метод межслоевой туннельной спектроскопии на примере слоистых ВТСП структур, рассмотрены его преимущества, приведен краткий обзор методов получения слоистых туннельных структур. В конце главы сформулирована постановка задачи исследований: развитие метода межслоевого туннелирования для спектроскопии состояния с ВЗП в материалах с полной и частичной диэлектризацией спектра, в широкой области температур, включая флуктуационную область, в условиях взаимодействия двух сосуществующих ВЗП в NbSe3, а также в условиях воздействия сильных магнитных полей.

Глава 2 посвящена описанию исследуемых образцов и методики их измерений и состоит из трех разделов и выводов. В разделе 2.1 дано описание и характеризация изучаемых многослойных структур. Во многих проводниках с ВЗП цепочечного типа MX3 (где М – металл, Х- халькогенид) проводящие цепочки организованы в элементарные, хорошо проводящие слои, изолированные друг от друга, изолирующими слоями атомной толщины. В случае NbSe3 изолирующие слои образуются двойными слоями оснований селеновых призм расположенных вокруг цепочек атомов ниобия, рис. 1a [4].

Известно, что длина свободного пробега носителей в плоскости слоев составляет несколько мкм, а анизотропия проводимости вдоль и поперек слоев достигает 104 при низких температурах [2]. Оценка показывает, что в этих условиях длина свободного пробега поперек слоев составляет величину, меньшую расстояния между проводящими слоями ~10. Это указывает на то, что транспорт поперек слоев имеет туннельный характер. Подобная ситуация имеет место в анизотропных ВТСП материалах типа Bi2Sr2CaCu2O8+x, в которых анизотропия проводимости вдоль и поперек слоев также составляет 104, и туннельный характер поперечной проводимости доказан многочисленными экспериментами [2,5].

Слоистые структуры для исследования межслоевого туннелирования (мезы) получались методом двустороннего или латерального травления тонких (a) (b) (c) c 1m b a* ~слои участвующие в I туннелировании Рис. 1. (a) Слоистая структура NbSe3 в плоскости a*c, штриховкой выделены проводящие слои; (b) схема межслоевого туннельного перехода; (c) SEM изображение мезы с размерами 1x1x0.1 мкм, полученной двухсторонним травлением монокристалла NbSe3 в фокусированных ионных пучках.

монокристаллов NbSe3 и o-TaS3 в фокусированных ионных пучках [5].

Латеральные размеры мез составляли (1 - 1.5) мкм x (1 - 1.5) мкм, а размер поперек слоев – 30 - 200 нм. Выбор малых латеральных размеров, меньших длины свободного пробега в плоскости слоя, обеспечивает когерентность туннелирования. Сопротивление мез при комнатной температуре варьировалось от 100 Ом до единиц кОм, для NbSe3 и от 100 до 300 Ом для TaS3. На рис. 1b показана схема протекания тока через мезу, а на рис. 1с изображена фотография мезы NbSe3 с размерами 1 мкм x 1 мкм х 0.1 мкм полученной в сканирующем электронном микроскопе (SEM).

В разделе 2.2 изложена методика измерений межслоевых туннельных спектров. Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) осуществлялись 4-х зондовым методом. Постоянный ток I через мезу задавался источником тока, а напряжение V снималось с электродов расположенных в непосредственной близости от мезы. Вследствие высокой анизотропии материала и геометрических соотношений размеров мезы к ширине (20 – 40 мкм) и толщине (1 - 2 мкм) исходного кристалла в “берегах” падает пренебрежимо малая часть от общего напряжения, составляющая меньше 0.1%. Спектры дифференциальной проводимости dI/dV(V) получались численным дифференцированием исходных ВАХ.

При образовании энергетической щели ВЗП возникает резкий максимум плотности состояний вблизи края щели [1]. Поэтому туннельный ток на ВАХ должен резко возрастать при смещениях вблизи V= ±2/e, а на зависимости dI/dV от V должны появиться пики при смещениях -2/e и +2/e. Положение этих пиков на зависимости дифференциальной проводимости от напряжения смещения и связывается с энергией щели (2).

В разделе 2.3. описана экспериментальная установка для измерения туннельных спектров слоистых наноструктур. Система обеспечивает измерение ВАХ слоистых структур, как в режиме заданного постоянного тока (1 пA – мА), так и в режиме заданного напряжения (1 мкВ – 40 В), с предельной точностью измерений напряжения ~1 нВ, а также обеспечивает автоматическую стабилизацию температуры, с точностью не хуже 0.01К.

Глава 3 посвящена спектроскопии энергетической щели ВЗП и состоит из пяти разделов и выводов. В разделе 3.1. изложены результаты измерений и изучения межслоевых туннельных спектров NbSe3 и o-TaS3 при низких температурах T << Tp, где Тp– температура пайерлсовского перехода. На рис. показана измеренная зависимость дифференциальной проводимости от NbSe-22 +T=1.5K -200 -100 0 100 4 -+-200 -1000100 V (mV) Рис. 2. Межслоевой туннельный спектр dI/dV(V), измеренный на мезе NbSe3 при T=1.5K.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.