Введение к работе
Актуальность темы. Физика систем с пониженной размерностью представляет собой одну из динамично развивающихся областей современной физики. Интерес к этой области связан с активным поиском новых физических явлений, которые могли бы лечь в основу приборов и устройств. Особый интерес представляют физические системы, в которых перенос электрического заряда осуществляется не отдельными электронами, а носит коллективный характер. В качестве примеров можно привести двумерные системы с квантовым эффектом Холла, вигнеровские кристаллы, квантовые проволоки и точки, системы с кулоновской блокадой, а также квазиодномерные проводники с волнами зарядовой и спиновой плотности (ВЗП). Эти системы активно исследуются в настоящее время.
ВЗП возникает в квазиодномерных проводниках в результате пайерлсовского перехода, – самосогласованной деформации решетки и модуляции электронной плотности с волновым вектором, равным удвоенному фермиевскому вектору электронов kF. Возникновение такой деформации понижает энергию электронной системы одномерного металла, одновременно увеличивая упругую энергию, связанную с возникновением деформации кристаллической решетки. Однако, в одномерных системах при достаточно низких температурах проигрыш энергии при малых деформациях всегда оказывается меньше выигрыша энергии электронной системы. В результате перехода в электронном спектре возникает пайерлсовская щель 2D. Под действием электрического поля ВЗП может перемещаться вдоль одномерных цепочек, перенося электрический ток (фрёлиховская проводимость). Взаимодействие ВЗП с дефектами кристаллической решетки и примесями приводит к тому, что скольжение ВЗП возникает лишь при превышении электрическим полем некоторого значения Et, называемого пороговым полем возникновения нелинейной проводимости. Зацепление ВЗП за примеси называется пиннингом ВЗП.
В электрических полях меньших порогового ВЗП запиннингована, а ее поляризуемость характеризуется гигантской диэлектрической проницаемостью, до 109. Специфическим свойством ВЗП является также её способность деформироваться при внешних воздействиях, скажем при изменении температуры или при приложении электрического поля.
Таким образом, квазиодномерные проводники являются физическим объектом, обладающим уникальными свойствами, обусловленными наличием коллективного состояния – ВЗП. Поскольку пайерлсовский переход является переходом трёхмерного упорядочения и из-за сильных одномерных флуктуаций не описывается теорией среднего поля, в области перехода можно ожидать ряд явлений, не имеющих аналогов в других типах фазовых переходов и требующих специфического описания.
Другое важнейшее свойство ВЗП – её способность деформироваться при воздействии электрического поля и температурном воздействии. Интересно было выяснить, проявляется ли эта деформация в свойствах основной решётки.
Из изложенного выше очевидна актуальность проведения как фундаментальных, так и прикладных исследований в области флуктуационных и деформационных свойств квазиодномерных проводников, причём эти две группы свойств находятся во взаимной связи: флуктуации, проявляющиеся в динамической деформации ВЗП, могут приводить к деформации образцов, например, к особенностям в тепловом расширении.
К началу работы над диссертацией не был исследован ряд свойств квазиодномерных проводников: не исследовались спонтанные флуктуации сопротивления, тепловое расширение нитевидных кристаллов, не ставился вопрос об исследовании неоднородной деформации кристаллов. Среди задач, которые оставались нерешёнными к началу работы над диссертацией, были описание поведения основных параметров в области перехода трёхмерного упорядочения, таких как транспортные свойства, теплоёмкость, модули упругости, тепловое расширение, а также описание спонтанных флуктуаций сопротивления в этой области температур. Не был исследован вопрос о возможном воздействии деформации ВЗП на форму кристалла.
Целью данной диссертационной работы является изучение особенностей свойств квазиодномерных проводников с ВЗП в области пайерлсовского перехода и физических механизмов, определяющих эти свойства, а также влияния воздействии температуры или электрического поля на размеры и форму образцов.
Научная новизна работы заключается в том, что для квазиодномерных проводников с ВЗП автором впервые экспериментально исследованы:
- особенности флуктуаций вблизи пайерлсовского перехода и их связь с динамикой деформации ВЗП;
- воздействие деформации ВЗП на решётку кристалла;
- спонтанные флуктуации сопротивления вблизи пайерлсовского перехода;
- особенности вольт-амперных характеристик образцов ромбического TaS3 нанометровой толщины в области пайерлсовского перехода;
- тепловое расширение квазиодномерного соединения TaS3, температурный гистерезис теплового расширения и особенности тепловом расширении вблизи пайерлсовского перехода;
- деформация кручения и изгиба квазиодномерных проводников, возникающая при приложении электрического поля.
Проведён теоретический анализ полученных результатов.
В ходе выполнения перечисленных исследований автором вблизи пайерлсовского перехода были обнаружены спонтанные электрические шумы, особенность в тепловом расширении, размытие вольт-амперных характеристик (ВАХ) тонких образцов TaS3 в области порога для нелинейной проводимости. Выше перехода в тонких образцах, наоборот, был обнаружен пороговый характер ВАХ. Был обнаружен гистерезис в тепловом расширении квазиодномерных проводников, а также кручение и изгиб в электрическом поле.
Автором предложена модель, связывающая разрушение дальнего порядка ВЗП со спонтанным проскальзывания фазы и образованием областей локального подавления (или сильного возмущения) пайерлсовского состояния. Модель объясняет спонтанные флуктуации сопротивления, размытие ВАХ в области Et, особенности на температурных зависимостях теплового расширения, теплоёмкости, модуля Юнга и проводимости. Также предложена модель, объясняющая сильную неоднородную деформацию квазиодномерных проводников с ВЗП в электрическом поле.
Автором разработан ряд экспериментальных методик, в том числе оптические методики, позволяющие измерять тепловое расширение и кручение нитевидных образцов.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о физике квазиодномерных проводников с ВЗП, создают цельную картину флуктуационных явлений в них, демонстрируют возможность создания неоднородной деформации кристаллической решётки в электрическом поле за счёт её взаимодействия с ВЗП. Обнаружение и исследование кручения квазиодномерных проводников в электрическом поле открывает возможность для создания эффективных актюаторов (приводов) микронного и субмикронного размера, необходимых в микро- и наносистемной технике. Интерференционная методика, разработанная для измерения удлинения нитевидных образцов, может быть применена для исследования различных объектов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) В квазиодномерном проводнике, ромбическом TaS3, вблизи температуры пайерлсовского перехода, TP, возникают спонтанные флуктуации проводимости, имеющие спектр типа 1/f. Флуктуации связаны с актами проскальзывания фазы волны зарядовой плотности (ВЗП), имеющими обратимый характер.
2) Тепловое расширение TaS3 вблизи TP испытывает особенность, имеющую вид размытой ступени. Сделан вывод, что механизм разрушения трёхмерного порядка ВЗП есть следствие роста вероятности проскальзывания фазы ВЗП с повышением температуры.
3) В образцах квазиодномерного проводника TaS3 нанометровой толщины при температурах существенно ниже TP срыв ВЗП с примесей (депиннинг) происходит без резкого порога. Данный эффект является следствием обратимого проскальзывания фазы ВЗП: каждый акт проскальзывания фазы приводит к локальному переносу заряда ВЗП. В то же время, депиннинг в таких образцах сохраняет пороговый вид существенно выше TP. Это связано с большими длинами флуктуаций параметра порядка ВЗП, достигающими поперечных размеров образцов и определяющими её временную когерентность.
4) Создана оптическая интерференционная методика, позволяющая исследовать удлинение нитевидных кристаллов с чувствительностью не менее 510-7. Обнаружено, что тепловое расширение TaS3 имеет гистерезис, который достигает 510-5 и связан с деформацией ВЗП. Упругое взаимодействие ВЗП и основной решётки определяется зависимостью импульса Ферми от деформации решётки.
5) Квазиодномерные проводники под действием электрического поля испытывают деформацию кручения (TaS3, (TaSe4)2I, K0.3MoO3) и изгиба (TaS3), которая обусловлена неоднородной деформацией ВЗП. Зависимость угла кручения от электрического поля носит пороговый гистерезисный характер. Для TaS3 сдвиговая деформация при этом достигает величины, соответствующей пьезомодулю более 10-6 м/В.
Личный вклад автора
Большая часть экспериментальных результатов и все теоретические результаты, выносимые на защиту, были получены автором. Автор также проводил обработку экспериментальных данных, написание и оформление публикаций. Использованные в работе соединения квазиодномерных проводников были выращены в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, а также в лабораториях США, Франции и Швейцарии.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на научных семинарах ИРЭ РАН, Физфака МГУ, Курчатовского института, МИФИ, на Научной сессии Отделения информационных технологий и вычислительных систем (ОИТВС) РАН «Проблемы наносистем и микросистемной техники» 28.09.07, в Лаборатории сверхнизких температур (Гренобль, Франция), в Лаборатории сильных магнитных полей (Вроцлав, Польша), в Университетах Байройта и Хемница (Германия), в Университете Эксетера (Англия), на 25 и 26 Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (Ленинград 1988, Донецк 1990), на XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников (Кишинев 1988), на 5 и 6 Всесоюзных конференциях по флуктуационным явлениям в физических системах (Паланга 1988, 1991), XXII Международной конференции по физике низких температур (Хельсинки, Финляндия), 13-й Международной конференции по шумам в физических системах и флуктуациям 1/f (Паланга, Литва 1995), на Международных конференциях по физике электронных кристаллов ECRYS'93, ECRYS'02, ECRYS'05, ECRYS'08 (Франция 1993), на 3-й конференции IEEE по НЭМС (Хайнянь, Китай 2008), представлялись для 7-ой рамочной Европейской программе по направлению микро-наносистемы, 26.09.07, 21.10.08.
Публикации. Основные результаты опубликованы в 40 научных работах, в том числе в 29 статьях в реферируемых отечественных (7) и зарубежных (22) журналах; все 29 публикаций – в журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией. 11 публикаций - в сборниках трудов докладов отечественных и международных конференций и симпозиумов, а также интернет-изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем работы 132 страницы, включая 36 рисунков. Список цитированной литературы содержит 87 наименований.
