Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время у вас в стране и за рубежом широким фронтом ведутся исследования нелегкий переноса в структурах микронных и субмикронвмх размеров, что прежде всего связано с достижениями современной технологии; практический интерес таких исследований hg вызывает сомнений. Выяснилось, что уменьшение размеров (и понижение размерности) этих структур приводит к существенному изменению их свойств. В частности, omt, как правило, обнаруживают повышенный уровень низкочастотных шумов, значительный уровень нелинейных эффектов н чувствительность к конкретной реализации.
Чрезвычайно важную роль при изучении этих структур играют эффекты беспорядка, связанного как с наличием дефектов, так и с нарушениями кристаллической структуры в области контактов и вблизи поверхностей ("аморфизация"), а также с неоднородностью границ. Беспорядок ие только модифицирует движение электронов и фоионов, но и приводит к появлению новых типов элементарных возбуждений. В частности, в стеклах беспорядок приводит к появлению локализованных колебательных состояний (і], определяющих низкотемпературную термодинамику и кинетику системы, а в легированных полупроводниках - к появлению т.н. электронных двухуровневых систем, образованных близкорасположенными свободным и занятым примесными центрами [2].
Физическая картина рассматриваемых явлений далека от полного понимания. В частности, в последнее время значительный интерес проявляется к исследованиям явлений переноса неравновесных фононов в структурах с различной степенью беспорядка, в том числе и в аморфных системах. Несмотря на наличие большого количества експериментальних данных, последовательный их анализ на основе какой-либо теоретической модели по сути дела отсутствует или ограничен изучением локальной фонопиой теплопроводности и поглощения звука.
В последнее время был достигнут существенный прогресс в решении проблемы фликкерного шума. Он связан прежде всего с рядом экспериментов по исследованию шума сопротивления в структурах малых размеров, в которых было доказано, что данный шум действительно представляет Собой совокупность вкладов отдельных объектов с внутренней степенью свободы. Развитый ранее теоретический подход позволил описать такие объекты в рамках модели мягких атомных потенциалов [3), однако полной ясности в микроскопической их природе пока нет. В втой связи особое значение имеют результаты экспериментальных
-4-.
исследований поведения таких систем при изменении тех или иных внешних факторов, в том числе приложенного напряжения [4], [5] и внешнего кагшггаого поля (6j. Хотя к настоящему времени уже сообщалось о Белом ряде экспериментов такого рода, последовательный теоретический анализ полученных данных по сути дела отсутствует.
Целью настоящего исследования является последовательный теоретический анализ всех отмеченных выше проблей. В частности, мы подробно сроалшшзи-руем кинетику неравновесных фононов в аморфных материалах и & полупроводниках, находящихся в режиме прыжковой проводимости; проанализируем возможности фопонной спектроскопии яа основе полупроводниковых гетероструктур и предложим ряд устройств для частотно-селективного детектирования и генерации неравновесных фононов; в также последовательно изучим особенности низкочастотных шумов в различных наноструктурах.
Научная новизпа. Впервые произведен последовательный теоретический анализ кинетики неравновесных фопонов в аморфных системах. В частности, проаии-лизирован стапиоварный транспорт фоионоэ, инжектированных в аморфный слой из кристаллической подложки как в геометрии "на отражение", так и в геометрии "папрохождение"; рассмотрено распространение слабых тепловых импульсов в объемных аморфных образцах и стационарное распространение фононов через аморфный слой в случае, когда генератором фононов является тонкая металлическая пленка, через которую пропускают импульсы тока, а уход фононов осуществляется в "холодную* кристаллическую подложку; обсуждены проблема неуяругогс рассеяния фононов на поверхности и возможная роль процессов конверсии фоиопных мод между ветвями фононного спектра.
Впервые рассмотрена кинетика неравновесных фононов в пленках легированного компенсированного полупроводника в условиях, когда рассеяние фононов, в основном, обусловлено взаимодействием с электронными двухуровневыми системами, определяющими низкотемпературные свойства полупроводников в режиме прыжковой проводимости. Предсказана "MarHeTOTennonpoBOflHocTb'', обусловленная влиянием магнитного поля на указанные системы.
Объяснены наблюдаемые особенности низкочастотного шума в типичных исследовавшихся наноструктурах. В частности, указан новый, "фононний", механизм активации флуктуаторов в мегаллических микроконтактах; проанализировано влияние электронных процессов неупругого туняелнронания на физическую
каргииу телеграфного шума в наяометрояых туннельных контактах; объяснено магнитное поведение телеграфного шума в висмутовых микромостиках.
Практическая ценность. Предложена и теоретически обоснована методика частотно-селективного детектирования и генерации акустических фоконоп с помощью трехбарьерной туннельной квантоворазмерноіі структуры.
Построена теория нелинейного динамического отклика двухбарьерпой резонансно-туннельной структуры { ДБРТС) на переменное внешнее напряжение, указано на принципиальную возможность создания перестраиваемого генератора сверхвысокочастотяого звуча на основе ДБРТС.
Проведенный анализ низкочастотных телеграфных шумов в различных металлических наноструктурах позволяет получить дополнительную информацию о внутренней динамике структурных дефектов с внутрепней степепыо свободы и оценить шумовые ограничения на работу различных устройств микровлектрони-ки.
Осяоппые положения, выносимые иа защиту:
-
Вычисление в рамках модели мягких потенциалов эффективности яеупруго-го рассеяния фононов в стеклах в широко:* диапазоне частит.
-
Анализ влияния веуиругого рассеяния па кинетику неравновесных фононов в аморфных слоях как при малых, так и при больших числах заполнения фонона».
-
Вычисление вффективного ковффициеита диффузии фононов в стеклах в области плато в теплопроводности.
-
Анализ влияния конверсии фононних мод на транспорт нерашювесных фононов в аморфных пленках.
-
Вычисление ковффициента поглощения акустических фононов електронними двухуровневыми системами в легированных полупроводниках. Анализ зависимости этого коэффициента от приложенного магнитного поля.
в. Указание на трехбарьерную туннельную кнантоворазмерную гетерострук-туру как на возможное устройство для частотно-селективного детектирования и генерации неравновесных янустических фононов.
-a-
-
Получение и анализ уравнения для тока через цвухбарьерную реэонансно-тукпельную гетероструктуру, обусловленного приложенным переменным внешним напряжением, И нелинейном по втому напряжению режиме.
-
Указание на двухбарьерную резонансно-туннельную гетероструктуру как в» возможное устройство для генерации сверхвысокочастотного звука.
-
Нахождение зависимости характерного времени релаксации флуктуагора, расположенного в металлическом нанометровом микрококтакте, от приложенного к контакту напряжения в условиях, когда активация флуктуагора обусловлена взаимодействием с неравновесными фононами, испускаемыми неравновесными електронами в контакте.
-
Выражение для характерного времени релаксации флуктуатора, расположенного в барьере манометрового туннельного контакта как функции температуры и приложенного к контакту напряжения. Указание на взаимодей-стаия с туяиелнрующими электронами как на доминирующий во многих случаях канал активации флуктуатора.
-
Качественное объяснение зависимости знергетического расщепления двухуровневой системы, расположенной в висмутовом микромостике, от приложенного магнитного поля.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 7-
Межд. конференции "Рііолоп scattering hi Condensed Matter" (США, 1992), XXII и XXIII Межд. симпозиумах "Dynamical Properties of Solids" (ФРГ, 1992 и Нидерланды, 1993), Межд. конференции "Nanostructure physics and fabrication" (Санкт-Петербург, 1993), различных семинарах ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Kathoiieke University of N'ymegen (Holland), Institul fur Festxorperforschung (Julicb, FRG), Delft Institute of Microlechnology (Holland) и др.
Публикации. По результатам диссертации опублпковано 8 статей. Список трудов приведен в конце автореферат».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы из 117 наименовании. Диссертация содержит 131 страницу текста, в том числе 9 рисунков.
