ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. В.Н. Каразіна
На правах рукопису
ВЕГА МОНРОЙ РIКАРДО
УДК 537.531.2
ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ І ПЛАЗМОВІ ХВИЛІ У ШАРУВАТИХ
ПРОВІДНИКАХ ТА НАДГРАТКАХ
01.04.07 – Фізика твердого тіла
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико–математичних наук
Харків – 1999
Дисертація є рукописом
Робота виконана у Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна, Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор фіз.-мат. наук, доцент
Гвоздіков Володимир Михайлович, професор кафедри теоретичної фізики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.
Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук, професор
Оболенський Михайло Олександрович, завідувач кафедри фізики низьких температур Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.
доктор фіз.-мат. наук, старший науковий співробітник
Шевченко Сергій Іванович, провідний науковий співробітник Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України.
Провідна установа: Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України; відділ радіофізики твердого тіла, м. Харків.
Захист відбудеться “03” березня 2000 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 у Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна (61077, м. Харків, майдан Свободи, 4, ауд. ім. К.Д. Синельникова).
З дисертацією можна ознайомитися у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків-77, майд. Свободи 4.
Автореферат розіслано “01” ______02_______ 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради В. П. ПойдаЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Створення штучних напівпровідникових, металічних та надпровідних періодичних структур суттєво розширило експериментальне поле твердотільної мікроелектроніки. Один з актуальних напрямків у цій галузі пов'язаний з дослідженням різного типу власних електромагнітних коливань у таких системах, а також умов їх поширення у періодичних провідних структурах. Принципова можливість керування властивостями електромагнітних хвиль шляхом здійснення структурних змін у надгратках важлива з точки зору перспективи їх практичного використання у твердотільній мікроелектроніці.
В останні роки великий інтерес викликають дослідження колективних збуджень у надгратках та шаруватих системах, частково, у шаруватих ВТНП купратах. Експериментальні дослідження цього явища грунтуються на використанні оптичних методів з інфрачервоного поглинання або розсіяння світла. При цьому піки поглинання ідентифікуються із збудженнями у зразку колективних мод: плазмонів, фононів та різних типів електромагнітних хвиль. Інтерпретація результатів подібних експериментів неможлива без теоретичного опису можливих типів власних коливань у системі.
У надгратках, завдяки низьковимірним ефектам та шаруватій структурі, виникають нові типи колективних коливань, які не спостерігаються у звичайних твердих тілах. Їх частоти, згасання та дисперсія залежать від структурних параметрів надграток. Квантуюче магнітне поле сильно впливає на вигляд двовимірного тензора провідності у шарах надграток і, таким чином, на спектр не лише електронних але й зв'язаних з ними колективних мод. Квантування провідності, яке спостерігалось у надгратках, також істотно впливає на спектр власних коливань у таких системах і потребує спеціального теоретичного аналізу.
Реальні кристали завжди мають деяку кількість точкових (вакансії, домішки) або лінійних (дислокації) дефектів. Специфіка шаруватих кристалів і надграток полягає у тому, що у них поряд з традиційними для твердого тіла дефектами, з'являються нові типи дефектів, наприклад “дефектний шар”, а роль точкових або лінійних дефектів змінюється в силу квазідвовимірності таких систем. Завдяки цим обставинам з'являються нові (не типові для тривимірних кристалів) високочастотні моди у штучних надгратках.
У шаруватих купратах неоднорідністі у розподілі кисню при відпалі зразків призводять до появи нових мод. Подібні дослідження були зроблені у [1]. Автори цієї праці спостерігали виникнення трьох піків у інфрачервоному спектрі поглинання у нормальному стані шаруватого кристала YBaCuO при допуванні його киснем. Ці піки були інтерпретовані як квазілокальні коливання, природа котрих залишалась неясною. Непружне розсіяння світла у надграці GaAs-GaAlAs показало, що крім акустичної плазмової гілки у спектрі збуджень такої системи існує додаткова оптична гілка неясної природи [2]. Розуміння подібних явищ неможливе без детального теоретичного аналізу умов поширення електромагнітних хвиль у шаруватих твердотільних структурах.
Робота присвячена теоретичному опису енергетичного спектра колективних збуджень типу фонон-плазмових мод, які спостерігались у штучних надгратках на основі GaAs [2], локальних плазмових хвиль у шаруватих ВТНП купратах при неоднорідному розподілі кисню по шарам [1], а також вивченню впливу дефектної структури, домішок та зовнішнього магнітного поля на спектр високочастотних власних електромагнітних коливань різних твердотільних надграток. Актуальність теми дисертації, зумовлена необхідністю подальшого детального вивчення фізичних властивостей шаруватих провідників.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі теоретичної фізики Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна у рамках досліджень за програмою Державного комітета України з питань науки та інтелектуальної власності "Нові типи хвиль в конденсованих середовищах" за проектом № 2.3/157 та за темою "Елементарні збудження надпровідних, нормальних та спінових низьковимірних систем у магнітному полі" номер держ. реєстрації 0197U002478 Міністерства освіти України.
Тема дисертації відповідає розділам "Енергетичний спектр твердих тіл (фонони, спектри електронних збуджень, магнони та ін.)" та "Вплив дефектної структури, домішкових атомів і зовнішніх полів на високочастотні резонансні і осциляційні явища у твердих тілах" паспорту спеціальності 01.04.07- "Фізика твердого тіла"
Мета і задачі дослідження. Основна мета роботи полагає у теоретичному описі результатів експериментів з непружного розсіяння світла на фонон-плазмових коливаннях у надгратках на основі GaAs, а також у поясненні локальних плазмових піків у інфрачервоному поглинанні шаруватих кристалів YВaCuO, які спостерігались при кімнатній температурі, та у з'ясуванні їх еволюції в залежності від утримування кисню.
Для досягнення подставленої мети було необхідно:
·
обрахувати електрон-фононову взаємодію при описі спектра фонон-плазмових збуджень у надгратках,
·
обрахувати вплив неоднорідного розподілу носіїв заряду по шарах надгратки на спектр локальних фонон-плазмових та електромагнітних збуджень у надгратках,
·
вивчити вплив домішок та зовнішнього магнітного поля на спектр електромагнітних коливань у шаруватих провідниках.
При розв'язанні вказаних вище задач були використавані відомі методи теорії твердого тіла, які грунтуються на використанні функції Гріна, рівняння Ліфшиця, а також рівнянь Максвелла у середовищі. За їх допомогою була сформульована система рівнянь для компонент напруженості електричного поля у шаруватих провідниках у зовнішньому квантуючому магнітному полі, яка дозволяє, на відміну від попередних праць у цій галузі, дослідити власні коливання у присутності неоднорідності як у розташуванні шарів, так і у діелектричних властивостях середовища проміж шарами.
Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі одержані такі нові результати:
·
теоретично описаний енергетичний спектр зв'язаних фонон-плазмових коливань при розрахунку електронів та фононів у шарах надгратки. Спектр збуджень складається з акустичної та оптичної гілок, закон дисперсії яких відповідає спектру, який спостерігався у експериментах з непружного розсіяння світла у штучних надгратках на основі GaAs,
·
теоретично описаний спектр локальних фонон-плазмових хвиль у надгратках при неоднорідному розподілі носіїв заряду по шарах, який якісно відтворює особливості у інфрачервоному поглинанні шаруватого кристала YвaCuO при зміні у ньому утримування та розподілу кисню,
·
досліджені спектр та згасання геліконних хвиль за умов звичайного ефекту Холла у шаруватих провідниках та надгратках. Зясований закон дисперсії хвилі, яка є сумішю гелікона та плазмона,
·
Показано, що за умов цілочислового квантового ефекту Холла для магнітних полів усередині кожного плато поширюються одна високочастотна оптична (яка має поріг закінчення по хвильовому вектору) та одна низькочастотна акустична геліконова мода,
·
з'ясований спектр і згасання магнітодомішкових та геліконих хвиль у шаруватих провідниках та надгратках, які містять домішкові стани.
Конкретні наукові результати та положення, що виносяться на захист.
1. Енергетичний спектр зв'язаних фонон-плазмових коливань у надгратках складається із двох типів гілок з оптичним та акустичним законами дисперсії. У залежності від напрямку хвильового вектора існують або одна оптична та одна акустична мода, або дві акустичні фонон-плазмові хвилі.
2. В анізотропних шаруватих провідниках та надгратках, що містять дефектні шари з відрізняючимися за концентрацією та ефективною масою носіями заряду, крім двох об'ємних фонон-плазмових мод можливе поширення трьох додаткових типів мод, локалізованих на дефектних шарах. У залежності від знака зсуву величин концентрації та маси носіїв заряду, які визначаються параметром відхилення D, можливим є поширення або двох локальних мод акустичного типу (D>0), або однієї оптичної та однієї оптичної локальної моди (D<0). Подібні локальні моди можуть поширюватися усередині щілини у шаруватих надпровідниках.
3. В анізотропних провідниках та надгратках, які розташовані в перпендикулярному квантуючому магнітному полі, можливе поширення хвиль типу геліконів, згасання котрих не залежить від величини магнітного поля, а за умов квантового холловського плато можливе поширення двох хвиль геліконного типу з акустичним та оптичним законами дисперсії. У
похилому магнітному полі, електромагнітними збудженнями є хвилі гібридного гелікон-плазмового типу.
4. Локалізація електронів на домішках, які розташовані у шарах призводить до необхідності обрахування поправки до високочастотного тензора провідності і породжує дві моди: геліконоподібну та магнітодомішкову. Геліконоподібна мода у довгохвильовому випадку має щілину порядку частоти локального рівня, а частота магнітодомішкової моди пропорційна квадрату хвильового вектора.
Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що вони дозволяють дати теоретичний опис одержаних раніше експериментальних результатів, про особливості непружного розсіяння світла у штучних надгратках та інфрачервоне поглинання у шаруватих ВТНП купратах, а також стимулюють до подальшого цілеспрямованного експериментального пошуку та спостереження нових типів хвиль у шаруватих провідниках.
Особистий внесок здобувача. За темою дисертації опубліковано 7 наукових праць, які написані у співавторстві. Дисертант приймав безпосередню участь на всіх етапах виконання дослідження у розробці підходів і засобів розв'язання задач, проведенні розрахунків та написанні наукових статей. Автором проведені усі комп'ютерні розрахунки.
Апробація результатів дисертації. Основі результати дисертації доповідались на міжнародній конференції “XXII International Conference on Low Temperature Physics”, Espoo and Helsinki, Finland, 1999, а також на семінарах у Харківському державному університеті та Max-Planck-Institut fur Festkorperforshung, Grenoble, France.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових праць. Серед них – 6 статей у наукових фахових виданнях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 77 найменувань. Загальний обсяг дисертації 121 друкованих аркушів. Робота містить 18 рисунків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації. Сформульовані мета та задачі роботи, наукова новизна та її практична цінність. Наведені конкретні наукові результати і положення, що виносяться на захист.
Перший розділ "Колективні плазмові та електромагнітні збудження у шаруватих квазідвовимірних структурах" носить оглядовий характер, у ньому проаналізовані експериментальні та теоретичні праці про спектр колективних плазмових та електромагнітних збуджень у шаруватих структурах.
У другому розділі "Об'ємні та локальні фонон-плазмові хвилі у шаруватих провідниках та надгратках" описаний спектр зв'язаних фонон-плазмових мод у шаруватих провідниках та надгратках у випадку фонон-електронної взаємодії.
Розглянута шарувата система, яка складається із двовимірних провідних шарів, відділенних один від одного ізоляторами шириною а. Електрони різних площин корелюють шляхом взаємодії з електромагнітним полем. Флуктуація заряду, яка створена у одному з шарів, породжує електромагнітне поле, яке поляризує сусідні шари і, у свою чергу, створює збурення зарядової густини у них. Послідовно повторюючись, цей процес поширюється у вигляді плазмової хвилі впоперек до шарів. Таким є механізм поширення плазмових хвиль у шаруватих системах. На відміну від попередніх праць на цю тему, у даній роботі обраховується внесок у поляризуємість шарів не лише двовимірного електронного газу, але й довгохвильових фононів.
Припустимо, що скалярний потенціал типу діє у шарах ( і - двовимірні вектори у площині шару, вісь z спрямована перпендикулярно до шарів). У цьому выпадку рівняння Пуассона для Фур'є-компонент потенціала у шарах має такий вигляд:
, (1)
де величина . Густина заряду r пов'язана із двовимірною сприйнятливістю . Функція є довільною функцією відгуку системи у шарі. У цьому полягає відмінність даного підходу від результатів попередних праць, де вона виводилась у рамках визначеної моделі двовимірного електронного газу.
Полюси функції Гріна рівняння (1) дають закон дисперсії для об'ємних мод
, (2)
де - структурний форм-фактор шаруватої системи.
У моделі двовимірної системи, у якої зміщення іонів та поле швидкостей електронів зв'язані динамічними рівняннями, функція відгуку має вигляд
. (3)
Рівняння, яке описує дисперсію низькочастотних Наявість дефектних шарів, тобто таких, де концентрація і / а– фізика твердого тіла. – Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, Україна, 2000.
Робота присвячена
