Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Туннельные явления в твердотельных структурах являются объектом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований на протяжении многих десятилетий [1]. В последнее время, в связи с уменьшением размеров туннельных структур, в экспериментальных исследованиях все отчетливей стали проявляться эффекты, связанные с межэлектронным и электрон-фононным взаимодействием.
Это наблюдается и в современных экспериментах по сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии (СТМ/СТС) различных систем [2],[3], и в искусственно созданных структурах с квантовыми точками и квантовыми ямами [4] [5]. СТМ/СТС являются в настоящее время наиболее совершенным методом для исследования свойств различных материалов, изучения свойств единичных локализованных состояний и их взаимодействия на поверхности. Вместе с тем, особенности туннели-рования в СТМ контактах, масштабы которых сопоставимы с межатомными, приводят к существенно неравновесным процессам, что вызывает появление эффектов, связанных с искажением равновесного распределения туннелирующих частиц |6].
Существует также другой тип экспериментов, в которых проявляется не только кулоновское, но и электрон-фононное взаимодействия для предельно малых объектов. Это туннельные эксперименты на так называемых разломных контактах (break-junctions), позволяющих подстраивать характеристики контакта практически на атомном уровне. В последнее время стало возможным осаждать в область контакта молекулы, что дало возможность исследовать возбуждение колебательных мод отдельных молекул туннельным током [7],[8].
Практически для всех современных экспериментов в этой области стандартный подход к описанию туннельных процессов [9] становится неприменимым. Простая картина, согласно которой туннельная проводимость пропорциональна одноэлектронному коэффициенту прохождения и исходной плотности состояний берегов контакта, верна только для очень ограниченного круга систем. При наличии взаимодействия электронов друг с другом или с фононами в области контакта необходим учет всех неравновесных изменений в системе. Возникает важная задача - теоретическое описание туннелирования как существенно неравновесного процесса. Проблема возникновения состояний, далеких от равнове-
сия особенно актуальна в контактах малых размеров, содержащих примесные локализованные состояния, а также в искусственных структурах - квантовых ямах и квантовых точках, в которых скорости процессов релаксации сопоставимы со скоростями туннельных переходов. В работе рассмотрены три группы явлений, в которых неравновесность существенно влияет на характеристики системы: кулоновское взаимодействие электронов на примесных состояниях в полупроводниковых структурах и экспериментах по сканирующей туннельной микроскопии; проявления электрон-фононного взаимодействия в различных туннельных структурах; сверхпроводящие контакты малых размеров. Последовательное описание таких систем возможно только в рамках диаграммной техники для неравновесных процессов.
Важность развития теории, учитывающей электрон-фононное взаимодействие, обусловлена также тем, что такое взаимодействие всегда приводит к двум основным следствиям. Во-первых, взаимодействие с фононами приводит к появлению особенностей на вольт-амперных характеристиках, по которым можно судить о величине энергий колебательных мод [10]. Тем самым, в СТМ экспериментах можно получать информацию не только об электронных состояниях адсорбированных молекул, но и об изменении колебательных мод молекул и о появлении новых, что дает информацию о типе связи молекулы с поверхностью. Во-вторых, протекание туннельного тока через квантовые точки (или отдельные молекулы) будет сопровождаться излучением фононов. Выяснение вопроса о том, насколько сильно "разогревается"фононная подсистема при протекании тока важно как для элементов наноэлектроники, так и при исследовании молекул на поверхностях методами СТМ.
Разработанная в диссертации теория, в частности, позволяет контролируемым образом менять условия эксперимента (параметры туннельного контакта) для получения желаемых характеристик системы.
Цель диссертационной работы состояла в теоретическом исследовании неравновесной кинетики туннельных процессов при наличии электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействия в структурах малых размеров или же в системах с пониженной размерностью. Для достижения этой цели были проанализированы следующие задачи: 1. Исследование влияния кулоновского взаимодействия, связанного с неравновесными локализованными зарядами, на энергетический спектр и туннельные характеристики структур, содержащих примесные состояния.
Изучение влияния электрон-фононного взаимодействия на туннельные характеристики различных систем и классификация обусловленных взаимодействием особенностей туннельной проводимости.
Определение интенсивности генерации фононов туннельным током в различных условиях.
Определение возможных типов туннельных характеристик SIN структур сверхмалых размеров в зависимости от параметров туннельного контакта
Развитие методов описания нелинейных эффектов в Джозефсонов-ских контактах.
Научная новизна работы заключается в построении существенно неравновесного описания туннельных структур сверхмалых размеров, определении особенностей туннельных характеристик и условий генерации колебаний за счет туннельных процессов. В диссертации сформулированы и обоснованы научные положения и выводы, совокупность которых представляет новое научное направление, исследующее проявления электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействий в неравновесных условиях.
Научная и практическая значимость
Развитые в диссертации методы описания эффектов взаимодействия в неравновесных условиях могут быть применены как для расчетов и интерпретации различных физических эффектов в реальных экспериментальных ситуациях, так и служить основой для дальнейшего развития теории неравновесных явлений в системах со взаимодействием На основе построенной теории был объяснен ряд экспериментальных результатов, и предсказано появление новых эффектов Развитая теория позволяет контролируемым образом менять условия эксперимента (параметры туннельного контакта) для получения желаемых характеристик системы.
Достоверность полученных результатов определяется использованием комплекса современных методов теоретической физики и сопоставлением результатов теоретического анализа с экспериментальными данными.
Научные положения, а также выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, обоснованы и хорошо согласуются с существующими экспериментальными результатами.
Теоретические и экспериментальные методы, используемые для решения конкретных задач проекта, являются в настоящее время наиболее современными и перспективными в области физики конденсированных
сред
Основные результаты и положения, выносимые на защиту :
Развитие теории туннельных явлений на основе диаграммной техники Келдыша, описывающей влияние кулоновского и электрон-фононного взаимодействия в существенно неравновесных условиях.
Возможность перехода взаимодействующих примесных атомов из парамагнитного состояния в магнитное при изменении напряжения на контакте. Найден новый неравновесный режим изменения энергетического спектра взаимодействующих примесных атомов, при котором происходит двукратное "появление"магнитного состояния на каком-либо из примесных центров. Показано, что в отсутствие взаимодействия такой режим не существует.
3 Описание сингулярного поведения туннельных характеристик, обусловленное корреляционными эффектами экситонного типа. Выражение для туннельного тока, полученное в рамках "паркетного"приближения диаграммной техники. Предсказано существование двух типов характеристик, в зависимости от типа примесного состояния и знака приложенного напряжения.
Вывод гамильтониана, описывающего взаимодействие электронов с колебательными модами в туннельных системах, содержащих молекулы, на основании адиабатического принципа. Показано, что в процессе тун-нелирования электронов через состояния молекулы возникает электрон-колебательное взаимодействие двух разных типов. Исследованы новые эффекты, связанные с интерференцией двух типов взаимодействия.
Метод определения среднеквадратичной амплитуды смещения атомов, связанной с процессами адиабатического изменения положения атомов при туннельных переходах электронов без возбуждения колебательных мод, основанный на модифицированном определении фононных функций Грина в неравновесных задачах.
Вывод выражений для туннельного тока и неравновесных чисел заполнения фононов для систем с одним или несколькими электронными уровнями при конечных напряжениях на контакте с учетом взаимодействия электронов и фононов.
7. Существование механизмя, приводящего к резкому усилению ге
нерации фононов вблизи некоторого порогового значения напряжения,
для систем с несколькими электронными уровнями (квантовых точек).
Развитие нелинейной теории, позволяющей самосогласованным образом
описывать генерацию фононов в режиме сильного возбуждения.
Определение условий сильной и слабой генерации фононов туннельным током для разных систем. Доказательство сильного влияния температуры электронной подсистемы на условия генерации фононов.
Предсказание новой особенности в туннельной проводимости , связанной с началом резкого возбуждения фононов. Напряжение, при котором возникает эта особенность, не связано напрямую ни с положением электронных уровней, ни с фононными частотами.
Теория сильного резонансного электрон-фононого взаимодействия, в которой туннельные процессы учитываются по теории возмущений. Описание сложной структуры линий туннельной проводимости в этом режиме. Показано, что в некоторых случаях происходит сужение линий за счет неравновесных эффектов.
Описание локализованных вблизи резонансных примесей в сверхпроводниках состояний с энергиями, лежащими внутри сверхпроводящей щели. Определено положение этих уровней в зависимости от параметров примеси.
Теория вольт-амперных характеристик SIN контактов, описывающая туннелирование через примесные состояния. Определение режимов туннелирования, в которых границы сверхпроводящей щели проявляются аномальным образом в виде провалов в зависимости туннельной проводимости от приложенного напряжения. Показано, что разнообразные особенности туннельных характеристик связаны с изменением параметров контакта при различных измерениях, а не с изменением свойств самого сверхпроводника.
13. Развитие единой методологии описания различных нелинейных
эффектов в Джозефсоновских контактах. Объяснение появления фонон-
ных особенностей на туннельных характеристиках, при напряжениях,
меньших сверхпроводящей щели. Описание проявления коллективных
мод сверхпроводника в туннельной проводимости.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы регулярно обсуждались на научных семинарах Отделения теоретической физики ФИ АН, кафедры квантовой электроники Физического факультета МГУ, докладывались на семинарах в ИФП РАН, представлялись на Всероссийских и международных конференциях, школах и совещаниях: Int.Conf.Nanostuctures: Physics and Tecnology, St.Petersburg (1993-2005); 42nd Nat.Symp of American Vacuum Society, Minneapolis, USA, (1995); Int.Conf. STM-97, Hamburg, (1997), III Всероссийская Конференция по физике полуповодников Полупроводники'97, Москва (1997); XXXV Recontie
De Moriond Condensed Matter Physics Conf., (2001); VII Школа - Семинар Молодых Ученых " Проблемы физики твердого тела и высоких дав-лений"Туапсе, (2002); Российско-Израильская конференция "Frontiers in Condensed Matter Physics Jerusalem, (2003); VIII Школа-семинар "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений Туапсе (2004); International Conference on Theoretical Physics, Москва (2005); XVI Уральская международная зимняя школа по физике полупроводников, Екатеринбург (2006); Международная конференция NANO2006 С-Петербург (2006).
Публикации.
