Введение к работе
Актуальность темы. Быстрое развитие полупроводниковой нано-электроннки привело к интенсивному исследованию низкоразмерных полупроводниковых систем, в которых классическое поступательное движение электрона возможно только по одной пли двум пространственным координатам. Это связано с тем, что основные характеристики наноэлектронных приборов определяются электронными процессами п области пространства размером несколько нанометров, где движение носителей заряда ограничено по одной или двум пространственным координатам на расстояниях порядка длины волны де Бройля. Поэтому дальнейший прогресс наноэлектроники находится в прямой связи с исследованием физических свойств низкораз-мерных систем как основы для создания наноэлектронных приборов с новыми функциональными возможностями. Наряду с получением результатов, которые могут быть непосредственно использопаны в напоэлектронике, исследование таких систем привело к открытию большого числа качественно новых явлений, имеющих общефизическое значение [1]. Важность этих открытий с точки зрения фундаментальной науки подтверждается тем, что за последние пятнадцать лет Нобелевская премия дважды (в 1985 и 1998 годах) присуждалась за работы в области физики ннзкоразмерных полупроводниковых систем.
Характерной особенностью ннзкоразмерных систем являются многообразие и сложность реализующегося в них энергетического спектра носителей заряда. В связи с этим большое число теоретических и экспериментальных работ посвящено изучению сложной структуры энергетического спектра в различных низкоразмерных системах и анализу влияния этой сложной структуры на их физические свойства [1]. Однако к моменту начала данной работы оставался практически не исследован вопрос о том, каким образом сложная структура энергетического спектра влияет на процессы взаимодей-
ствия носителей заряда с акустическими фононами. Поскольку такие процессы в немалой степени определяют физические свойства полупроводниковых структур и электронных приборов на их основе, то представляется необходимым восполнить этот пробел в физической картине низкоразмерных систем. Отсюда следует цель работы: теоретическое исследование процессов взаимодействия носителей заряда с акустическими фононами в пизкоразмерпых полупроводниковых системах со сложной структурой энергетического спектра.
Научная новизна работы обусловлена тем, что в ней впервые рассмотрены следующие вопросы:
-
Исследованы пространственная асимметрия электрон-фононного взаимодействия, появляющаяся в квазидвумерных системах с асимметричным квантующим потенциалом при наличии параллельного плоскости системы магнитного поля и связанные с этой асимметрией кинетические эффекты;
-
Проведен анализ энергетического снектра носителей заряда в цанотрубке с хиральной симметрией при наличии магнитного поля и обусловленные особенностями этого спектра эффекты элсктрон-фононпого взаимодействия;
-
Проанализировано влияние взаимодействия электронов с акустическими фононами на структуру энергетического спектра квазидвумерных систем при наличии магнитного поля;
-
Проведено исследование электрон-фопонных состояний, возникающих благодаря взаимодействию носителей заряда с акустическими фононами в квазидвумерных слоях дырочных полупроводников с непараболическим законом дисперсии;
-
Исследованы возможные механизмы подавления электронного рассеяния на акустических фононах в квазиодномерных системах.
Научная и практическая значимость работы определяется тем, что на основе проведенного теоретического анализа предсказывается существование новых физических эффектов, объясняются ра-
нее полученные экспериментальные результаты и даются рекомендации по созданию новых наноэлектронных приборов. Для квазидву-мерных систем с асимметричным квантующим потенциалом в магнитном поле предсказана пространственная асимметрия электрон-фононного взаимодействия, впоследствии обнаруженная экспериментально. Проведенные псследовашія показали, что электрон-фононное взаимодействие в нанотрубках с хиральной симметрией при наличии магнитного поля приводит к появлению вольт-амперной характеристики диодного типа, что создает теоретические предпосылки для использования нанотрубки в качестве элемента функциональной электроники. Исследование влияния электрон-фононного взаимодействия на энергетический спектр электронов в квазидвумерпых системах при наличии магнитного поля позволяет непротиворечиво объяснить ранее наблюдавшиеся в таких системах аномалии кинетических эффектов. Анализ различных механизмов подавления фононного рассеяния электронов в квазиодномерных системах позволяет сформулировать рекомендации по увеличению быстродействия наноэлектронных приборов. Таким образом, работа включает в себя исследования, представляющие интерес с точки зрения фундаментальной науки и одновременно способствующие решению прикладных задач современной наноэлектроники.
На защиту выносятся следующие положения:
-
В квазидвумерпых системах с асимметричным квантующим потенциалом при наличии магнитного поля, параллельного плоскости системы, возникает различное взаимодействие электроноп с фононами, имеющими взаимно противоположные направления волнового вектора. Этот эффект приводит к таким новым кинетическим явлениям, как возникновение электродвижущей силы в стоячей акустической волне и появление электродвижущей силы при пространственно-однородном нагреве системы;
-
В нанотрубках с хиральной симметрией при наличии магнит-
ного поля, параллельного оси нанотрубки, появляется энергетический спектр носителей заряда, асимметричный относительно инверсии волнового вектора. Благодаря такому энергетическому спектру возникает различное взаимодействие электронов с движущимися во взаимно противоположных направлениях фононами, приводящее к появлению квадратичного по току слагаемого в вольт-амперной характеристике;
-
Взаимодействие электронов с акустическими фононами в квазидвумерных системах при наличии магнитного поля приводит к снятию вьірождешія уровня Ландау по моменту импульса и связанному с ним появлению тонкой структуры циклотронного резонанса;
-
Электрон-фононное взаимодействие в квазидвумерных слоях многодолшшых полупроводников при наличии магнитного поля приводит к неустойчивости многодолшшого вырождения и обусловленному ей изменению периода осцилляции гальваномагнитных эффектов;
-
В квазидвумерных слоях дырочных полупроводников может возникать энергетический спектр дырок є(к) ос кл. При наличии такого спектра уже сколь угодно слабое взаимодействие носителей заряда с акустическими фононами приводит к появлению автолока-лизованного электрон-фононного состояния поляронного типа;
-
В полупровод1шковых системах со сложной структурой энергетического спектра при наличии квантующего магнитного поля возможно подавление электрон-фононного взаимодействия в квазиодномерных подзонах Ландау;
-
Ослабления электронного рассеяния на фононах в квазиодномерном проводнике можно достичь надлежащим выбором его конфигурации.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзной школе по физике поверхности (Ташкент, 1983), XII Всесоюзном совещании по теории полупроводников (Ташкент, 1985),
IV Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Минск, 1986), II Всесоюзном семинаре по электронным процессам в двумерных системах (Новосибирск, 1986), XIII Всесоюзном совещании по теории полупроводников (Ереван, 1987), XIV Всесоюзной конференции по акустоэлектроиикс и физической акустике твердого тела (Кишинев, 1989), III Всесоюзном семинаре по электронным процессам в двумерных системах (Новосибирск, 1989), II Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах (Болгария, Варна, 1989), XIV Пекаровском совещании по теории полупроводников (Львов, 1992), XXIX Международной школе по теоретической физике (Польша, Вроцлав, 1992), II Международной конференции по физике низкоразмерных систем (Дубна, 1995), II Российской конференции по физике полупроводников (Зеленогорск, 1996), I Российско-Корейском научно-технологическом симпозиуме (Корея, Ульсан, 1997), IV Международной копференшш по актуальным проблемам электронного приборостроения (Новосибирск, 1998), XIII Международной конференции по сильным магнитным полям в физике полупроводников (Нидерланды, Неймсгсн, 1998), III Российско-Корейском научно-технологическом симпозиуме (Новосибирск, 1999), IV Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999), а также на научных семинарах в Институте физики полупроводников СО РАН, Институте неорганической химии СО РАН и Новосибирском государственном техническом университете.
Публикации. По результатам вошедших в диссертацию исследований опубликованы 34 печатные работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации составляет 225 страниц, включая 19 рисунков и список литературы из 218 наименований.
