Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы во всем мире уделялось большое внимание исследованию низкоразмерных твердых тел. Оказалось, что в одномерных и двумерных системах многие процессы происходят не так, как в трехмерных, и к тому же появляются новые эффекты, которые не наблвдались в трехмерных твердых телах. Низкая размерность в твердом теле может появиться по различным причинам. Понижение размерности может быть следствием геометрии образца. Примерами подобных низкоразмерных систем являются инверсионные слои в полупроводниках и монослои металлов. Существует, однако, большая группа материалов, низкоразмерные свойства кото-* рых являются следствием их кристаллической структуры. Такие материалы состоят из относительно слабо связанных между ообой слоев или цепочек, причем внутри слоев или цепочек связь между атомами довольно сильная. Подобные материалы называют соответственно квазидвумерными и квазиодномерными. Таким образом, квазиодномерные проводники - это очень анизотропные кристаллы, движение электронов внутри которых легко осуществляется только в одном направлении и сильно затруднено в остальных направлениях.
У подавляющего большинства твердых тел электропроводность определяется одночастичным механизмом проводимости. В зависимости от концентрации носителей заряда - электронов или дырок -и, соответственно, от величины удельного сопротивления такие ве-г щества делятся на металлы, полупроводники и диэлектрики» Примером твердых тел, в которых главную роль играет не одночастичный, а коллективный механизм проводимости, являются сверхпроводники.
В квазиодномерных проводниках реализуется еще один, новый коллективный механизм проводимости, не имеющий аналогов в других твердых телах. В результате фазового перехода, предсказанного Пайерлсом, в них развивается неустойчивость по отношению к формированию сверхрешетки - периодического искажения решетки с
волновым вектором Q= ~J^ , где Рр - фермиевский импульс. В результате такого перехода в квазиодномерном материале появляется запрещенная зона (пайерлсовская щель) на уровне Ферми и квазиодномерный металл превращается в полупроводник или диэлектрик (в зависимости от величины щели). Однако электрофизические характеристики образовавшегося полупроводника или диэлектрика (их обычно называют пайерлсовскими, сокращенно - ЦД) резко отличаются от характеристик обычных полупроводников и диэлектриков из-за того, что сформировавшаяся в ЦД электронная сверхрешетка - волна зарядовой плотности (ВЗП) может двигаться под действием электрического поля и участвовать в проводимости.
Этот механизм проводимости обусловливает многие интересные свойства квазиодномерных проводников, такие как огромная диэлектрическая проницаемость (например, в Тех. S, ее величина до-стигает 10'), сильная нелинейность вольт-амперной характеристики и необычная частотная зависимость проводимости (при увеличении электрического поля или частоты проводимость увеличивается от значений, характерных для полупроводника, до величин, типичных для плохих металлов), генерация колебаний тока при приложении постоянного напряжения, эффекты памяти и другие.
Таким образом, ОД представляют собой новый класс проводящих материалов, перспективных для использования в электронике.
Представления о пайерлсовском переходе /I/ и о вкладе дви-
жения ВЗП в ток (проводимость Фрёлиха /2/) были введены более 30 лет назад, а первые эксперименты по наблюдению движения ВЗП в электрическом поле были проведены около 10 лет назад /З/. В эти года была понята природа многих фундаментальных свойств квазиодномерных проводников. В частности, была исследована роль тепловых и квантовых флуктуации параметра порядка, которые играют большую роль в квазиодаомерных системах, и исследован вопрос о существовании дальнего порядка /4, 5/, был вычислен спектр собственных возбуждений ВЗП и установлена связь между фрёлихов-ской проводимостью и существованием электрически активной фазовой моды ВЗП /6, 7/, было установлено, что в достаточно слабых электрических полях положение ВЗП фиксируется ее взаимодействием с кристаллической решеткой (если периода ВЗП и решетки соизмеримы) или с примесями (пиннинг).
В то же время для глубокого понимания многих интересных эффектов в ІЗД необходимо адекватное описание кинетических процессов, принимающее во внимание различные механизмы рассеяния, изменение распределения электронов под действием внешних воздействий и т.д. В нормальных проводниках для описания таких процессов используется кинетическое уравнение. В системах с коллективным механизмом проводимости обычное кинетическое уравнение неприменимо. Например, для сверхпроводников выводятся более сложные, чем для обычных полупроводников или металлов, уравнения кинетики для функций Грина, наряду с вкладом квазичастиц учитывающие также движения конденсата /8, 9/. Для проводников с ВЗП подобный кинетический подход не был развит.
Цель диссертации заключается в теоретическом исследовании кинетических явлений в квазиодномерных проводниках с ВЗЛ. Основные задачи состояли в
выводе уравнений кинетики, учитывающих вклад ВЗП в явления переноса;
исследовании механизма явлений переноса с участием ВЗП в квазиодномерных проводниках и структурах на их основе;
исследовании особенностей электронного энергетического спектра и спектра собственных колебаний ЦЦ, существенных для понимания кинетических эффектов.
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем.
-
Выведены уравнения кинетики для квазиодномерных проводников с ВЗП - уравнения кинетики для матричных функций Грина и квазиклассическое кинетическое уравнение для функции распределения.
-
Получено уравнение движения однородной ВЗП в электрическом поле. Предложен объемный механизм генерации колебаний тока при движении ВЗП в поле сил пиннинга из-за соизмеримости.
-
Установлено, что экранирование поляризации ВЗП квазичастицами приводит к изменению выражения для тока квазичастиц и фазы ВЗП, в результате чего перенормируется характерная длина, на которой изменяется фаза и электрическое поле в пайерлсовском проводнике.
-
Показано, что экранирование квазичастицами приводит к нейтральности фазовых солитонных стенок, к изменению проводимости пайерлсовского проводника при деформации ВЗП, к смягчению спектра фазонов и к зависимости порогового поля примесного пиннинга от температуры.
-
Найдена в аналитическом виде структура центра проскальзывания фазы в пайерлсовском проводнике со щелью, не равной нулю, показано, что ЦДФ представляет собой динамический амплитуд-
ный солитон. Решена задача о динамике ЦПФ, возникающего при протекании тока, из-за деформации ВЗП вблизи контакта.
-
Предсказано, что движение ВЗП должно вносить вклад в хол-ловское напряжение. Вычислена величина этого вклада, выяснено, что он связан с квазичастицами, увлекаемыми движением ВЗП.
-
Вычислен спектр плазмонов для произвольного направления их волнового вектора относительно проводящих цепочек.
-
Вычислен вклад движения ВЗП в проводимость в фазе с до-.менными стенками в виде амплитудных солитонов.
-
Построена теория прохождения тока через туннельные и точечные контакты двух пайерлсовских проводников.
10. Вычислен спектр проводника с ВЗП в двухзонной модели.
Показано, что наличие двух близко расположенных электронных зон
может приводить к немонотонной зависимости запрещенной зоны от
температуры и к температурной зависимости волнового вектора ВЗП.
Эти результаты выносятся на защиту.
Научная ценность работы. В диссертации заложены основы кинетической теории квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности, нового класса материалов, перспективных для применения в электронике. С помощью развитого в диссертации подхода построена теория ряда кинетических эффектов в проводниках с ВЗП, дано объяснение ряду экспериментальных результатов и предсказаны новые явления, часть из которых уже обнаружена на опыте. Теоретические результаты, полученные в диссертации, стимулировали постановку экспериментов.
Так, например, предложенный механизм нелинейности вольт-амперных характеристик и генерации колебаний тока при движении ВЗП дает качественно правильное объяснение зависимости импеданса ЦД от частоты и постоянного напряжения, установленная в диссер-
тации необходимость учета экранировки деформаций ВЗП квазичасти-цами объясняет причину нелинейности вольт-амперной характеристики ЦД в полях меньше порогового поля срыва ВЗП, а предсказанный теоретически вклад движения БЗП в эффект Холла и характер его зависимостей от электрического поля и температуры был подтвержден в экспериментах, поставленных на разных квазиодномерных веществах в ИРЭ АН СССР и за рубежом.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на международных конференциях: "Волны зарядовой плотности в твердых телах" (Будапешт, 1984 г.), ХУ Конференция Ямада по физике и химии квазиодномерннх проводников ( Кавагучи, Япония, 1986 г.), "Органические материалы для электроники и приборостроения" (Ташкент, 1987 г.); на ХП и ХШ Всесоюзных совещаниях по теории полупроводников (Ташкент, 1985 г. и Ереван, 1987 г.), на 24-м Всесоюзном совещании по физике низких температур (Тбилиси, 1986 г.), на 2-м Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (Новосибирск, 1987 г.), на Всесоюзной конференции по избранным вопросам теории твердого тела (Звенигород, 1987 г.), на заседании Научного совета АН СССР по проблеме "Теория твердого тела" (Москва, 1986 г.) и на научных семинарах в ИРЭ АН СССР, ИФП АН СССР, ФТИ АН СССР, ФИАН СССР, ФТИНТ АН УССР, ЙАЭ им. И.В.Курчагова и др.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в
14 статьях в научных журналах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и одного приложения. Объем диссертации составляет 182 страницы машинописного текста, 7 рисунков, список литературы содержит 125 наименований.