Введение к работе
Актуальность темы. Экспериментальное и теоретическое исследование физических свойств поверхностных слоев кристаллов и проводящих тонкопленочных покрытий ведется на протяжении нескольких десятилетий. Однако, несмотря на достаточно длительное изучение, теория указанных объектов разработана гораздо меньше теории кристаллического состояния массивных образцов, что связано в значительной степени с существенной пространственной неоднородностью этих систем и со сложным характером граничных условий.
Проводящие тонкопленочные покрытия по своим свойствам радикально отличаются от массивного образца. Причиной отого отличия в случае пленки с достаточно совершенной структурой является малость ее толщины по сравнению с различными параметрами, характеризующими поведение электронов проводимости. Это приводит к возникновению размерных эффектов в электронных свойствах.
Квантовый размерный эффект имеет место, если толщина пленки оказывается одного порядка с дебройлевской длиной волны электронов (.1,2] , В этом случае движение электронов поперек пленки оказывается квантованным, так что зона проводимости разбивается на ряд двумерных подзон. Аналогичная ситуация реализуется в инверсионных и обогащенных слоях вблизи поверхности в полупроводниках, где так же, как и в тонких проводящих пленках, имеет место квантование движения носителей в направлении, перпендикулярном поверхности образца. Во всех этих случаях движение носителей сильно ограничено по одному направлению, так что электронная система является по своим свойствам квазидвумерной [3J .
Интенсивное исследование электронных свойств квазидвумерных систем, ведущееся в последнее время, обусловлено рядом причин. Во-первых, это связано с необходимостью создания больших интегральных схем и других элементов микроэлектроники с улучшенными рабочими параметрами. Основные характеристики таких структур -быстродействие, надежность и другие - определяются именно процессами переноса вблизи поверхности. Во-вторых, развитие прецезион-ных способов реализации различных микроэлектронных схем, таких, как мо :екулярно-лучевая эпитаксия, электронно-лучевая литография, позволяют воспроизводить с высокой точностью тонкопленочные и
слоистые структуры с заданными свойствами, на которых разыгрываются явления двумерной проводимости, что делает -их доступными для широкого круга исследований и что, в свою очередь, приводит к получению новых физических результатов. Ярким примером этого является открытие квантования холловской проводимости в сильном магнитном поле [4] . В-третьих, открываются широкие возможности по практическому применению новых, присущих только кваэидвумер-ным системам, физических свойств во многих областях новой техники; в микроэлектронике, в ядерных исследованиях, СВЧ-технике, оптике, метрологии и т.д.
Ограниченность движения носителей по одному измерению приводит к рчцу характерных особенностей, независимо от конкретных условий на границах образца и вида самосогласованного равновесного потенциала. Поэтому поиск и теоретическое рассмотрение свойств квазидвумерных систем, существование которых не зависит от конкретного вида энергетического спектра носителей, является важным направлением исследований, развивающим представления о физике таких систем и стимулирует дальнейшие экспериментальные исследования. Вместе с тем, специфика спектра, связанная с характером зонной структуры и влиянием внешних полей, может быть причиной появления новых, эффектов в системе квазидвумерных электронов.
Наряду с эффектом кваэидвумерности важную роль в формировании электронных свойств тонких пленок и поверхностных слоев играет межчастичное взаимодействие. Существенное качественное отличие электронной ферми-жидкости от электронного газа проявляется при этом в сравнительно высокочастотных процессах, в частности, при распространении электромагнитных волн как в отсутствие, так и при наличии внешнего магнитного поля.
Целью диссертации является построение кинетической теории коллективных движений электронной системы размерно-квантованных пленок и поверхностных слоев на основе подхода, позволяющего последовательно учесть влияние межчастичного взаимодействия, а также исследование некоторых равновесных свойств квазидвумерных систем, существование которых обусловлено эффектом размерного квантования.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
- выведены точные уравнения для корреляционных функций в
системе взаимодействующих ферми-частиц, на основе которых получено квантовое кинетическое уравнение для кваоичастиц в электронной жидкости с пространственно-неоднородным состоянием равновесия;
в ферми-жидкостном приближении получена замкнутая система уравнений для матричных элементов функции распределения квазичастиц и потенциалов самосогласованного электромагнитного поля в тонких проводящих пленках в условиях квантования движения носителей тока размерами образца;
рассчитан спектр коллективных возбуждений электронной системы тонкой пленки, связанных с переходами носителей между подзонами размерного квантования; для квантовых волн различных поляризаций проанализирована роль корреляционного взаимодействия;
исследованы условия существования и основные характеристики квантовых акустических волн в квазидвумерной электронной системе; показано, что скорость распространения и затухание таких волн существенно зависят от диэлектрических свойств образца и концентрации носителей в подзонах;
рассмотрено влияние размерного квантования на дисперсионные зависимости плазменных волн, существующих в классической пленке;
исследовано распространение необыкновенных циклотронных волн в электронной жидкости размерно-квантованных пленок: проанализирован спектр колебаний в приближении самосогласованного поля, а также принципиальные отличия, возникающие при учете корреляционного взаимодействия;
показано, что размерное квантование движения носителей приводит к возникновению новых типов спиновых волн в ферромагнитных проводящих пленках;
- сформулирована система уравнений, позволяющая описывать
электродинамические свойства планарных систем, содержащих не
сколько проводящих слоев; на ее основе исследовано прохождение
излучения сквозь проводящую пленку с модулированной прозрачнос
тью в условиях возбуждения плазменных волн.
- исследовано поведение различных термодинамических характе
ристик электронной системы тонких проводящих слоев в магнитном
поле, в частности, термо-э.д.с. в размерно-квантованных слоях в присутствии квантующего магнитного поля.
- рассмотрены особенности локализации носителей в поверхностном слое узкощелевого полупроводника, обусловленные нег.ара-боличностью зоны проводимости.
Практическая ценность работа заключается и том, что разви-' тая в ней кинетическая теория электронной жидкости с пространственно-неоднородным состоянием равновесия позволяет уверенно применять ферми-жидкостные представления при исследовании электронных свойств квазидвумерных систем, каким,! являются тонкие пленки и поверхностные слои проводников з условиях размерного квантования движения носителей тока. Предсказываемые на ее основе новые физические эффекты в высокочастотных свойствах указанных систем могут стимулировать постановку целенаправленных экспериментов по исследованию резонансных свойств носителей. Полученные в работе результаты свидетельствуют также об актуальности дальнейшего развития и детализации теории электронной жидкости квазидвумерных проводников в направлении учета реальных особенностей конкретных веществ', в частности, эффектов зонной структуры, при описании как равновесных, так и кинетических свойств таких систем, которые находят все более широкое практическое применение.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Точные уравнения для корреляционных функций в вигнзров-ском представлении и вывод на их основе квантового кинетического уравнения для электронной жидкости, равновесное состояние которой является пространственно-неоднородным.
-
Замкнутая система уравнении ферми-жидкостного приближения для функции распределения квазичастиц и постенциалов электромагнитного поля в размерно-киантовашшх пленках; спектр коллективных возбуждений в электронной жидкости тонких пленок в условиях размерного квантования, в том числе - кпантових волн, порождаемых переходами: носителей между подзонами, и квантовых акустических поли.
-
Дисперсионное уравнение для необыкновенных циклотронных волн в размерю-квантованных пленках, на основе которого проанализирован спектр колебаний и проведено сравнение результатов фер-ми-жидкостииго подхода с получаемыми в приближении самосогласован -мого ноля.
-
Спектр спиновых колебаний в ферромагнитных тонких пленках, показывающий возможность существования новых типов волн, порождаемых размерам квантованием движения носителей тока, и структура косвенного обменного взаимодействия между локализованными моментами в размерно-квантоаанних пленках.
-
Расчет электродинамических свойств планарных систем, в результате которого получено выражение для коэффициента проховде-ния излучения сквозь проводящую пленку с модулированной прозрачностью в условиях плазменного резонанса и исследовано влияние эффектов неидеальности проводимости на распространение плазмен-ньи волн в МДП-структуре.
-
Расчет термодинамических характеристик электронной системы квазидумерных слоев в магнитном поле, на основе которого предсказан эффект увеличения термо-э.д.с. размерно-квантованного слоя при наличии квантующего магнитного поля, по отношению к термо-э.д.с. массивного образца, впоследствии обнаруженный экспериментально.
-
Особый-характер заполнения .двумерных подзон в обогащенном слое на поверхности узксщелевого полупроводника, выявление которого позволяет правильно интерпретировать результаты экспериментального исследования параметров такого слоя.
Таким образом, в работе решена важная для физики твердого тела проблема создания методов описания равновесных и кинетических свойств электронной системы размерно-квантованных слоев при учете сильного межчастичного взаимодействия.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на зимних школах-симпозиумах физиков-теоретиков "Коуровка-ХУГ" (Свердловск, 1977) и "Коуровка-ХУШ" (Свердловск, 1980), на Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Донецк, 1977), на семинарах Института конденсированного состояния вещества Свободного университета Западного Берлина (Западный Берлин, I960), на Всесоюзных семинарах по низкотемпературной физике металлов (Донецк, 1981; 1983; I9Q5), на Международной конференции по поверхностным волнам в плазме (Елагоезград, НРБ, 1981), а также на научных семинарах в ЛГУ, ФИАН СССР, ИМ УрО АН СССР и в других научных учреждениях.
- d -
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав,заключения і 4 рисунков и списка цитированной литературы из 200 наименований. Общий объем работы - 250 страниц машинописного текста.
