Низькотемпературні аномалії фізичних властивостей структурно-невпорядкованих матеріалів у приладових системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ніконова Олена Петрівна

УДК 621.539.211

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНІ АНОМАЛІЇ ФІЗИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СТРУКТУРНО-НЕВПОРЯДКОВАНИХ МАТЕРІАЛІВ У ПРИЛАДОВИХ СИСТЕМАХ

01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем

Одеса - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Криворізькому державному педагогічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Соловйов Володимир Миколайович, Криворізька філія Запорізького інституту економіки та інформаційних технологій, заступник директора

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Висоцький Володимир Іванович, Київський національний університет ім. Т.Г. Шевченка, професор кафедри статистичної радіофізики;

доктор фізико-математичних наук, професор Новіков Віталій Володимирович, Одеський державний політехнічний університет, завідуючий кафедрою вищої математики № 1

Провідна установа - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”.

Захист відбудеться “23” листопада 2001 р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.06 в Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “ 20 ” жовтня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Зеленцова Т.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

В останні роки дослідження невпорядкованих систем - аморфних структур і стекол, розплавів, пористих матеріалів, шаруватих систем з розвиненою межею поділу, полімерів, біологічних об'єктів та ін. - зайняли одне з центральних місць в фізиці конденсованих середовищ. Це зумовлено зростанням практичної важливості таких систем. Невпорядкованими системами є системи загального положення, а впорядковані кристалічні структури являють собою ідеалізовані об'єкти. Практична сторона справи пов'язана з рядом обставин важливості прикладного використання невпорядкованих систем. Аморфні, полікристалічні і пористі напівпровідники інтенсивно експлуатуються в мікроелектроніці, витісняючи кристалічні аналоги. Сильнолеговані напівпровідники використовуються як матеріали для лазерів і термоелектричних пристроїв. Фотоелектричні властивості невпорядкованих напівпровідників виявляються досить нетривіальними і відкривають принадні перспективи застосування. Металеве скло має цікаві електричні, магнітні властивості, стійкі до корозії і радіації. Оксидні стекла - хороші іонні провідники, що дозволяє використати їх у якості твердих електролітів. Структури типу метал-діелектрик-напівпровідник, а також структури з подвійним і потрійним діелектричними шарами знаходять інтенсивне використання в електроніці. Матеріали електроніки також мають значний вплив структурної невпорядкованості.

Добре відомо, що всі структурно-невпорядковані матеріали мають ряд загальних властивостей, принципово відмінних від кристалічних. Винятково важливим із загальних результатів цих досліджень є відкриття властивостей, практично незалежних від хімічного складу невпорядкованих матеріалів. До них відносяться низькотемпературні теплові, акустичні, кінетичні властивості.

Модель дворівневих систем (ДРС), запропонована Андерсеном, Гальперіним, Вармою і незалежно Філіпсом , дозволила тлумачення ряду низькотемпературних властивостей невпорядкованих матеріалів, але залишила багато з них без відповіді. В першу чергу сюди відносяться питання вивчення мікроскопічних механізмів означених аномалій. Не до кінця виявлені причини аномалій термодинамічних і кінетичних властивостей невпорядкованих структур при більш високих температурах, де вони не описуються моделлю ДРС. Залишаються недостатньо вивченими і особливості коливних спектрів.

Значним узагальненням моделі ДРС є модель м'яких атомних потенціалів (МАП) Карпова, Клінгера, Ігнат'єва , що пояснює більшість універсальних властивостей невпорядкованих структур.

Аномальність атомної динаміки невпорядкованих систем визначають і механізми атомних активаційних процесів: дифузії, рекристалізації, комплексоутворення. Як відомо, коефіцієнт дифузії в некристалічних матеріалах практично завжди на декілька порядків вищий, ніж у кристалах. Висока рухомість атомів помітно змінює електронні властивості матеріалів, які до кінця не вивчені.

Актуальність теми. Наведені моделі ДРС і МАП пояснюють деякі аномальні властивості структурно - невпорядкованих матеріалів. В той же час такі питання як релаксаційне поглинання звуку, нестаціонарні явища (тепловиділення, залежність теплоємності від часу), універсальність щільності станів, особливо на кількісному рівні, залишаються невирішеними. Потребує також подальшого дослідження природа атомних метастабільних станів, їх зв'язок з особливостями електронних станів в невпорядкованих системах.

Відсутність повної кількісної картини відносно цих властивостей, робить неможливим застосування до них відомих теоретичних уявлень при достатніх експериментальних даних. В роботі побудована щільність станів низькоенергетичних коливних збуджень структурно-невпорядкованих матеріалів та розроблені фізичні моделі, що дає можливість з єдиних позицій інтерпретувати широкий клас універсальних аномальних низькотемпературних фізичних властивостей аморфних, полікристалічних і пористих напівпровідників. Теоретичні дослідження атомної структури невпорядкованих матеріалів важливі у прикладному значенні. Прикладом можуть бути зарядові нестабільності у приладових структурах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з держбюджетною науково-дослідною роботою “Дослідження структурної моделі фотопровідності напівпровідників” (№ державної реєстрації 0199U000429) відповідно до програми науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Нові речовини і матеріали” та за держбюджетною науково-дослідною роботою “Структурні особливості поверхні тетраедричних напівпровідників та механізми їх модифікації під впливом іонізуючого опромінення” (№ державної реєстрації 0100U002927) відповідно до програми науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Фізика конденсованого стану, включаючи метали, напівпровідники та рідини”, за планами науково-дослідної роботи кафедри “Вплив розмірних дефектів на ефективність підпорогового дефектоутворення” та “Теорія метастабільних властивостей структурно-невпорядкованих матеріалів”.

При виконанні науково-дослідної роботи роль автора дисертації полягала у дослідженні фізичних властивостей структурно-невпорядкованих систем, вивченні механізмів атомних активаційних процесів в некристалічних структурах, виявленні ролі метастабільних дефектів у процесах деградації приладових систем.

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи - побудова фізичних моделей структурно-невпорядкованих систем для дослідження особливостей їх атомної динаміки.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:

дослідити шляхом комп'ютерного моделювання модель м'яких атомних потенціалів;

провести теоретичні розрахунки щільності станів коливних збуджень;

отримати залежність низькотемпературної теплоємності від температури та часу;

дослідити властивості релаксаційного поглинання звуку та надвисокочастотного випромінювання;

з'ясувати природу температурної залежності однорідно уширених безфононних ліній в домішкових спектрах некристалічних матеріалів;

дослідити особливості атомної дифузії в розупорядкованих структурах та її зв'язок з електронними властивостями.

Об'єкт дослідження - фізичні процеси в невпорядкованих структурах, як то аморфні напівпровідники та стекла, розчини, полімери, біологічні середовища тощо. фізичний атомний випромінювання

Предмет дослідження - виявлення низькотемпературних фізичних процесів у структурно-невпорядкованих матеріалах.

Методи дослідження - модель МАП для розрахунків щільності станів спектра елементарних збуджень, комп'ютерне моделювання для визначення структури невпорядкованих матеріалів, теорія динаміки кристалічної гратки при розрахунках взаємодії гармонічних осциляторів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1)розроблена кількісна теорія коливних спектрів структурно-невпорядкованих систем, яка дозволяє з єдиних позицій розглянути деякі з їх універсальних аномалій в області температур від наднизьких до температур Дебая;

2)на підставі проведених чисельних розрахунків щільності станів низькоенергетичних коливних збуджень встановлено, що при температурах TЈ1K щільність станів дворівневих систем непостійна, а має слабку енергетичну залежність ;

3)показано, що низькотемпературна теплоємність, яка залежить як від температури так і від часу, визначається енергетичною залежністю щільності дворівневих систем;

4)встановлено, що температурна залежність півширини безфононних ліній, яка спостерігається в домішкових центрах, визначається спектром низькочастотних коливних збуджень;

5)визначені енергетичні характеристики і щільність станів флуктуонів. Подана нова інтерпретація відомих метастабільних властивостей в аморфних речовинах.

Практичне значення одержаних результатів полягає:

у можливості адекватної інтерпретації фізичних властивостей структурно-невпорядкованих матеріалів, що є важливим для прогнозування стабільної роботи приладів;

у передбаченні механізмів електронно-атомних процесів з урахуванням спектру коливних збуджень структурно-невпорядкованих матеріалів, які можуть бути застосовані для подальшого удосконалення приладів мікроелектроніки;

у можливості керувати структурними характеристиками реальних невпорядкованих матеріалів і структур мікроелектроніки шляхом використання відповідних температурних режимів;

у вивченні впливу низькоенергетичних електронних та атомних збуджень на процеси примусової деградації та природного старіння матеріалів і приладів мікроелектроніки;

у перспективі використання унікальних електричних, механічних, корозійних, радіаційних властивостей досліджуваних систем, які можуть бути застосовані на перспективу до зміни домішкової системи аморфного напівпровідника за допомогою впливу на його електронну підсистему.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що становлять основний зміст дисертації, автор отримав самостійно, а саме:

розроблено методику чисельних розрахунків низькоенергетичних коливних збуджень невпорядкованих структур;

у рамках моделі МАП проведено розрахунки щільності станів спектра елементарних збуджень: дворівневих систем, релаксаційних систем, гармонічних осциляторів;

одержано узагальнення гармонічних осциляторів, яке виникає із зростанням енергії і призводить до формування максимуму в енергетичній залежності щільності станів, яку враховано за допомогою методу когерентного потенціалу; одержана загальна картина щільності станів і проведено співставлення з експериментальними даними;

проведені розрахунки температурної залежності півширини безфононних ліній в домішкових центрах;

розроблена та досліджена модель флуктуона, вивчено вплив флуктуонних станів на метастабільні властивості невпорядкованих систем.

Апробація результатів дисертації. Всі основні результати досліджень, які ввійшли до дисертації, докладені та обговорені на таких конференціях і семінарах:

Міжнародна конференція “Комп'ютерне моделювання електронних та атомних процесів в твердих тілах” (Польща, Вроцлав, 1996).

Міжнародна конференція DIFTRANS “Дифузія та дифузійні фазові перетворення в сплавах” (Україна, Черкаси, 1998).

Міжнародна науково-практична конференція “Проблеми електронної промисловості в перехідний період” (Україна, Луганськ, 1998).

International Conference “Diffusion and Reactions, from basis applicationsў99” (Польща, Закопане, 1999).

Всеукраїнська конференція "Комп'ютерне моделювання і інформаційні технології в природничих науках" (Україна, Кривий Ріг, 1999).

DIMAT 2000. Fifth international conference on diffusion in materials (Франція, Париж, 2000).

Всеукраїнська конференція "Комп'ютерне моделювання і інформаційні технології в науці, економіці та освіті" (Україна, Кривий Ріг, 2001).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 4 статтях в фахових наукових виданнях, 2 роботах в збірниках наукових праць і додатково висвітлені в 3 матеріалах наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та чотирьох додатків. Обсяг дисертації - 147 с., включаючи 15 с. ілюстрацій, список використаних літературних джерел містить 161 найменування цитованої літератури на 15 с., додатків - 15 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається загальна характеристика роботи. Описані актуальність, мета, основні завдання та наукова новизна і практичне значення досліджень. Сформульовано основні положення, що винесені на захист.

У першому розділі викладені особливості фізичних властивостей структурно-невпорядкованих систем, наведені експериментальні факти, а також теоретичні уявлення, які склалися в попередній період, проведений їх критичний аналіз, виявлені ключові проблеми.

В області наднизьких температур (Т<1К) замість відомого для кристалів дебаївського закону C(T)µT3, спостерігається теплоємність С, близька до лінійної СµT1+k (k”0,3). При Т”10K має місце пік в залежності С/T3 , що свідчить про надлишкову (в порівнянні з дебаївською) теплоємність. При цьому теплопровідність KµT2. При цій же температурі теплоємність виходить на плато, а далі K зростає майже пропорційно Т.

У поглинанні звуку при температурах порядку декількох десятків градусів Кельвіна в деяких стеклах має місце так званий релаксаційний пік, за який відповідають процеси термічної активації. Швидкість звуку при температурах вище декількох градусів Кельвіна лінійно зростає з температурою. В чисельних експериментах по тепловиділенню було знайдено його насичення при порівняно низьких температурах. Експериментальні дані по інфрачервоному поглинанню, низькочастотному комбінаційному розсіянню нейтронів вказують на існування додаткових (в порівнянні з дебаївськими) низькочастотних гармонічних мод.

Всі ці експериментальні дані вказують на існування загальної причини універсальних властивостей структурно-невпорядкованих матеріалів. Комп'ютерне моделювання структурно-невпорядкованих систем виявило існування двоямних потенціалів, а також квазілокальних мод, яким відповідає колективний рух групи атомів.

В умовах моделі ДРС в двоямних потенціалах реалізуються дворівневі системи з постійною щільністю станів n(E)=const, які забезпечують лінійну за температурою залежність теплоємності. Розкид енергій обумовлений флуктуаціями асиметрії мінімумів ям D і амплітуд тунелювання (де w0 - внутрішньоямна частота, l - потужність бар'єру). Спостережувана теплопровідність KµT2 забезпечується резонансним розсіюванням фононів на ДРС. Крім того, модель ДРС дозволила пояснити ряд закономірностей поглинання звуку та надвисокочастотного випромінювання. Модель МАП природно вводить окрім ДРС ще два типи систем: релаксаційні системи (РС) і гармонічні осцилятори (ГО).

Модель МАП, яка являється продовженням моделі ДРС, якісно, а іноді і кількісно, інтерпретує ряд аномалій термодинамічних і кінетичних властивостей. І все ж деякі з них залишаються без відповіді. А саме: причина універсальності щільності станів невпорядкованих структур і її вплив на універсальні властивості матеріалів, температурна залежність релаксаційного поглинання звуку, залежність теплоємності з часом, особливості оптичних властивостей тощо. Розв'язанню відмічених проблем і присв'ячена основна частина роботи.

У другому розділі описано модель МАП і розроблено методику розрахунку щільності станів атомних елементарних збуджень. Основна ідея моделі зводиться до ствердження, що низькочастотні квазілокальні моди описуються гамільтоніаном м'якого ангармонічного осцилятора

(1)

де М - ефективна маса осцилятора.

Потенційна енергія V(x) має вигляд одномодового розкладу

,(2)

де a,e0, - характерні атомні розмір та енергія, h,t - випадкові величини, зв'язані з похідними потенціалу в точці екстремуму.

Функції розподілу h, t для конкретних матеріалів одержані в .

Знаходження енергетичного спектру для потенціалу (2) проводилось шляхом чисельного розв'язку рівняння Шредінгера.

Побудована картина ізоенергетичних ліній для перших міжрівневих щілин E12, E23,E13 і встановлено відповідність збуджень значенням параметрів h,t. Так, при h,t0 модель МАП переходить в модель ДРС. При в одноямних потенціалах реалізуються ГО, а в двоямних РС.

Найбільш значним результатом розрахування щільності станів є встановлення залежності щільності ДРС вигляду де k=0,3.

Це дозволяє інтерпретувати чисельні експериментальні дані по вимірюванню низькотемпературної теплоємності, ширини безфононних ліній в домішкових центрах та інші. Уперше також отримано чисельний розв'язок для щільності станів гармонічних осциляторів. Показник степені в залежності k=4, що відповідає теоретичним прогнозам моделі МАП.

При підвищенні енергії зростає концентрація ГО, вони починають взаємодіяти між собою і цю взаємодію треба враховувати. Вона врахована в рамках методу когерентного потенціалу.

Припишемо кожному вузлу системи ефективний потенціал s(e), де . Роль вузлових збуджень грають величини Ua - s. Ua (w) - вузловий псевдопотенціал, який залежить від енергії. Самоузгоджена умова для знаходження s(e) полягає в тому, що середнє за ансамблем значення t-матриці дорівнює нулеві:

,(3)

Іншими словами, середнє по всіх вузлах розсіювання відсутнє і система веде себе як ефективно-когерентна.

Вузлова функція Гріна яка входить до (3), сама містить s. Тому система нелінійних інтегральних рівнянь для знаходження невідомих Res, Ims, ReP, ImP розв'язувалась для кожного значення чисельними методами для потенціалу U виду де x - силова постійна. Початковий розподіл гармонічних осциляторів піддавався варіаціям і особливого значення не мав. Щільність станів когерентного середовища вважалась дебаївською. Обчислення щільності станів проводилось за виразом

.(4)

Розрахунки методом когерентного потенціалу дозволили врахувати взаємодію гармонічних осциляторів і відтворити універсальний характер щільності станів. Отже, незважаючи на істотну відмінність хімічного складу, характеру ближнього порядку і електронних властивостей, низькоенергетична щільність коливних станів у них має універсальний характер.

Зазначимо, що подібна універсальність спостерігається і в спектрах комбінаційного розсіяння світла в склі. Надмірна щільність станів приводить до виникнення в спектрах розсіяння так званого бозонного піка. Природа бозонного піка також добре описується в моделі МАП.

У третьому розділі проведені розрахунки деяких відомих аномальних явищ, які вдалося інтерпретувати, спираючись на одержані результати. Так, специфічна залежність теплоємності з часом, температурна залежність півширини безфононних ліній в домішкових спектрах зумовлені слабкою енергетичною залежністю щільності станів дворівневих систем, а релаксаційний пік в поглинанні звуку - розподілом релаксаційних систем.

Відомо, що додатково до розглянутих вище температурних аномалій, теплоємність С має аномальну залежність від часу експерименту. Якщо n(Е)=const, то згідно з стандартною теорією ДРС С(t) слабологарифмічно залежить від часу. Експеримент же вказує на більш значну складну залежність.

Враховуючи енергетичну залежність щільності ДРС , яка встановлена в наших розрахунках, залежність теплоємності вдається природно інтерпретувати.

Розглядалась система ДРС з енергетичними розщепленнями (відстанями між найнижчими рівнями енергії) .

Очевидно, що ДРС розподілені нерівномірно: станам з найменшими розщепленнями відповідають значення h, t, що реалізовуються при h=0 і вздовж виразно помітних “жолобів".

Запасена системою ДРС енергія має вигляд

,(5)

Усереднення в (5) проводилось по h, t з функціями розподілу і .

Населеність верхнього рівня ДРС n знайдемо з рівняння

,(6)

де - рівноважна заселеність ДРС з розщепленням Е при температурі Т. Час релаксації ДРС за рахунок однофононних процесів дається виразом :

.(7)

У (7) g - деформпотенціал ДРС, r - густина скла, u - швидкість звуку.

Рішення (6) запишемо у вигляді , де n(0) - заселеність верхнього рівня ДРС в момент часу t=0.

Остаточно, шукану залежність отримаємо з виразу: .

Розрахована нами щільність коливних збуджень дозволяє задовільно описати як низькотемпературну так і високотемпературну залежність g(Т) однорідного уширення домішкових безфононних ліній. Проведені розрахунки свідчать про те, що температурна залежність півширини безфононних ліній, що спостерігається в домішкових центрах, визначається спектром низькочастотних коливних збуджень в аморфних структурах. В області низьких температур взаємодія дворівневих систем з домішкою приводить до явища спектральної дифузії. Слаба енергетична залежність щільності ДРС n(Е)µEd забезпечує залежність, що спостерігається g(Т) µ T1+d. При підвищенні температури основними збудженнями стають квазілокальні гармонічні осцилятори із швидкозростаючою енергією щільності збуджень. Раманівське розсіяння на цих збудженнях і визначає температурну залежність g (Т).

В четвертому розділі викладена інтерпретація метастабільних властивостей структурно-невпорядкованих систем. Вона заснована на врахуванні прямої взаємодії нейтральних рухомих домішок з локалізованими носіями. Суть в тому , що в присутності локалізованих електронів рухомі домішки утворюють конфігурації, які знижують енергію. Електрон локалізований в області з лінійним розміром R має кінетичну енергію порядку 2/mR2, а його потенційна енергія лінійно залежить від локальної концентрації домішки. При належному відхиленні DN локальної концентрації від середнього значення енергія знижується. Однак при цьому зменшується і ентропія системи, завдяки чому, вільна енергія зростає на величину порядку TR3 DN. В результаті, без урахування міждомішкової взаємодії, вільна енергія приблизно описується виразом:

F ” -A DN +2 /mR2 + TR3 DN, A= const.(8)

У невпорядкованій системі, завдяки безладдю, потенційний рельєф домішкового атома має випадковий характер. Випадкові енергії мінімумів потенційних ям характеризуються деяким ймовірним розподілом, який ми, для простоти, вважаємо прямокутним з шириною B. Пpи Т=0 домішкові атоми послідовно займають потенційні ями з енергією від мінімальної до деякої демаркаційної енергії mi , так що всі енергетичні мінімуми нижче mi зайняті домішкою, а вище mi - пусті.

Розглянемо далі сферу радіуса R, в якій локалізований електрон з енергією є нижче за край рухливості. Як і у випадку (8), локалізований електрон лінійно взаємодіє з локальною концентрацією домішки. Однак, на відміну від ситуації в кристалах, відхилення локальної концентрації від середнього значення спричиняє програш в енергії навіть при нульовій температурі. Дійсно, нехай в область локалізації, що містить (R/а )3 вузлів, вміщене DN надлишкових домішок. Вони заповнюють енергетичні мінімуми в шарі з середньою шириною DE”B(a/R)3DN вище за енергію mi. Це приводить до зростання енергії на 1/2DNDE=B/2(a/R)3DN2. Повна енергія локалізованого носія заряду і домішок складає

E = e - A ( a / R)3DN + B/2( a / R )3 (DN )2(9)

і оптимальна при DN = N0 = A/B та E = e - w0, де w0 = A2/2B( a / R )3.

Орієнтуючись на емпіричні оцінки радіуса локалізованих станів в аморфних напівпровідниках , вважаємо R”10 Е, ? параметр В, що характеризує флуктуації потенційного рельєфу, B”1eV . Взявши відношення R/а ” 10, маємо, що N0”10 і характерний флуктуонний виграш в енергії w порядку десятих часток електронвольта. Ці дані підтверджуються і даними математичного моделювання.

Із зростанням температури флуктуони розвалюються шляхом "випаровування" надлишкових атомів домішки.

Одержані теоретичні результати використано для інтерпретації метастабільних властивостей аморфного гідрогенізованого кремнію. Флуктуонні стани виявляються і в ряді інших ефектів. Найбільш яскравим з них є ефект Стеблера-Вронського. Він полягає в оборотній повільній зміні властивостей матеріалу при зовнішніх впливах. Природа протікаючих при цьому процесів складна і до кінця не зрозуміла. Встановлено, однак, що основна причина полягає в зміні концентрації обірваних зв'язків кремнію. При низьких температурах рухливість атомів водню низька і ефект Стеблера-Вронського пов'язаний з народженням надлишкових обірваних зв'язків, стимульованих електронними збудженнями. При температурах, вищих за кімнатну, починають виявлятися флуктуонні стани. Надлишкові носії конкурують з локалізованими, захопленими у флуктуони. При цьому рівновага системи зміщується у бік депасивованих зв'язків. При подальшому зростанні температури флуктуони розпадаються, що приводить до пасивації обірваних зв'язків і відпалу метастабільних дефектів.

Прикладом флуктуонних ефектів можуть слугувати також всілякі зарядові нестабільності в приладових структурах. Якщо в шарі об'ємного заряду напівпровідника є рухомі домішки, то взаємодіючи з носіями струму, вони зв'язуються у флуктуонні стани. Утвориться просторово-неоднорідний розподіл домішки, відповідний розподілу просторового заряду. Отже, в таких структурах повинні відбуватися довготривалі процеси, зумовлені дифузією домішки що і зберігаються протягом тривалого часу після зняття напруження.

ВИСНОВКИ

В роботі одержано принципово нові результати щодо атомної структури і фізичних процесів в структурно-невпорядкованих матеріалах. Це дозволило розробити фізичні моделі цих структур, які характеризуються кращим узгодженням з відомими експериментальними даними.

1.Доведено, що cпектр низькочастотних атомних збуджень в МАП включає дворівневі системи, релаксаційні системи та гармонічні осцилятори. Це дозволяє провести класифікацію атомних елементарних збуджень в невпорядкованих системах.

2.Показано, що в двоямних потенціалах виникають ДРС, щільність станів ДРС є функцією енергії: n(E)µE( k”0,3). Слабка енергетична залежність щільності станів ДРС спричинює специфічну залежність від часу низькотемпературної теплоємності. Одержані дані мають значення для прогнозування низькотемпературних властивостей склоподібних матеріалів.

3.Встановлено, що релаксаційні системи відповідають за термоактиваційні процеси і дають основний внесок в релаксаційне поглинання звуку та надвисокочастотне випромінювання. Таким чином, це дозволяє знайти точку кросоверу між тунельними і термоактиваційними процесами та інтерпретувати особливості термодинамічних, кінетичних властивостей матеріалів у приладових структурах.

4.Показано, що в одноямних м'яких потенціалах реалізуються квазілокальні гармонічні осцилятори із щільністю станів пропорційною четвертому степеню енергії: n(E)µE4. Це зростання приводить до взаємодії гармонічних осциляторів між собою та їх делокалізації і спричинює бозонний пік в щільності станів. Результат має фундаментальне значення для дослідження природи коливних збуджень структурно - невпорядкованих систем.

5.Виявлено, що завдяки взаємодії домішок із носіями струму, дифузія домішок впливає на електронні властивості аморфного напівпровідника. Енергетично вигідними стають флуктуоноподібні стани з відмінною від середнього значення концентрацією домішок в зоні локалізації носія. Зміна електронних та оптичних властивостей аморфного напівпровідника пов'язана з дифузійними процесами формування та розпаду флуктуонних станів. Отримані результати важливі при інтерпретації метастабільних властивостей полікристалічних та аморфних гідрогенізованих матеріалів.

6.З'ясовано, що досліджені електронні та атомні процеси в некристалічних структурах можуть мати відношення до діючих механізмів примусової деградації та природного старіння матеріалів і приладів електронної техніки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Никонова Е.П., Соловьёв В.Н. Низкотемпературные аномалии физических свойств металлических стёкол // Металлофизика и новейшие технологии. - 1999. - Т. 21, № 3. - С. 27-30.

2.Никонова Е.П. Плотность колебательных состояний структурно-неупорядоченных материалов // Фотоэлектроника. - 1999. - № 8. - С. 99-101.

3.Боско Д.В., Никонова Е.П., Соловьёв В.Н., Дончев И.И. Метастабильные дефекты и процессы деградации полупроводниковых приборов // Фотоэлектроника. - 1998. - № 7. - С. 4-9.

4.Никонова Е.П., Соловьёв В.Н. Расчёт однородного уширения бесфононных линий в примесных спектрах аморфных веществ // Фотоэлектроника. - 1999. - № 8. - С. 50-52.

5.Nikonova E.P., Solovjev V.N. Computer modelling of the anomalous ultrasound attenuaton in glasses // NATO - ASI: Computer Modelling of Electronic and Atomic Processes in Solids. - 1996. - С. 301-307.

6.Никонова Е.П., Соловьев В.Н. Низкотемпературные аномалии физических свойств структурно-неупорядоченных материалов // Зб. наук. пр. Східноукр. держ. університету - Луганськ. - 1998. - С. 110-115.

7.Никонова Е.П., Соловьёв В.Н. Временная зависимость низкотемпературной теплоёмкости структурно-неупорядоченных материалов // Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці та освіті: Зб. наук. пр. - Кривий Ріг. - 2001. - Т 1. - С. 160-164.

8.Никонова Е.П. Компьютерное моделирование низкотемпературных аномалий физических свойств структурно-неупорядоченных материалов // Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в природничих науках: Зб. наук. пр. - Кривий Ріг. - 1999. - С. 97-106.

АНОТАЦІЯ

Ніконова О.П. Низькотемпературні аномалії фізичних властивостей структурно-невпорядкованих матеріалів в приладових системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук 01.04.01 - фізика приладів, елементів, систем. - Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 2001.

У дисертації на основі моделі м'яких атомних потенціалів проведені розрахунки щільності станів спектра елементарних коливних збуджень : дворівневих систем, релаксаційних систем, гармонічних осциляторів. Побудовано еквіпотенціальні поверхні дворівневих систем для дослідження низькоенергетичних квазілокальних збуджень. Одержано щільність станів для гармонічних осциляторів методом когерентного потенціалу. Виявлено, що гармонічні осцилятори відповідають за форму піка в щільності коливних станів. Показано, що в рамках загальної картини щільності станів вдається провести інтерпретацію деяких аномальних властивостей невпорядкованих систем: залежності теплоємності від температури і часу, особливостей релаксаційного поглинання, однорідного уширення безфононних ліній в спектрах поглинання домішків тощо. Встановлено вплив прискореної дифузії домішок на електронні властивості невпорядкованих систем, наведена нова інтерпретація відомих метастабільних властивостей, їх відношення до механізмів деградації систем приладів.

Ключові слова: структурно-невпорядковані системи, м'які атомні потенціали, низькоенергетичні коливні збудження, дворівневі системи, двоямні потенціали.

Nikonova E.P. Low-temperatures anomalies of physical properties of structurally-disordered materials in device systems. Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of candidate by speciality 01.04.01 - physics of devices, elements and systems. - Odessa State Polytechnic University, Odessa, 2001.

The spectrum density states computations of elementary vibration excitations (two-level systems, relaxational systems, harmonious oscillators) are calculated in the model of soft atomic potentials SAP. Equipotential surfaces of two-level systems are calculated for investigation of low-energy excitation. Density states for harmonious oscillators are obtained by method of coherent potential. It was explored that harmonious oscillators response for the form of the peak in vibration-exictation density. It was established that anomalous properties of disordered systems (such as: specific heat dependence on temperature and time, peculiarities relaxation of absorption, homogeneous linewidth in impurity absorption spectrums and so on) are interpreted with the help of density states. The influence of accelerated diffusion on electronic properties of disordered systems was found; new interpretation of famous metastable properties and their attitude to mechanisms degradation of device systems was given.

Keywords: structurally-desordered systems, soft atomic potentials, low-energy excitation, two-level systems, two-well potential.

Никонова Е.П. Низкотемпературные аномалии физических свойств структурно- неупорядоченных материалов в приборных системах. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов, систем. - Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 2001.

Особенности атомной и электронной динамики в структурно - неупорядоченных системах составляют основу физических процессов, определяющих вынужденную деградацию и естественное старение приборов микроэлектроники. В диссертации проведено теоретическое исследование физических свойств структурно - неупорядоченных систем, построены их физические модели и изучены механизмы атомных активационных процессов в некристаллических структурах, рассмотрена роль метастабильных дефектов в процессах деградации приборных систем. На основании модели мягких атомных потенциалов МАП проведены расчеты плотности состояний спектра элементарных колебательных возбуждений: двухуровневых и релаксационных систем, гармонических осцилляторов. Выявлено, что при сверхнизких температурах (TЈ1K) в симметричных двухъямных потенциалах реализуються квазилокальные атомные возбуждения - двухуровневые системы. С повышением температуры на ряду с процессами туннелирования актуальными становятся термоактивационные процессы преодоления барьера. Двухуровневые системы такого вида называються релаксационными. Гармонические осцилляторы - это локальные возбуждения высокой плотности, возникающие в мягких одноямных потенциалах. Общим для всех типов возбуждений является то, что они возникают и трансформируются: один тип потенциала в другой, с меньшим (по сравнению с кристаллами) значением квазиупругой постоянной, в так называемых “мягких” атомных потенциалах.

Наиболее значительным результатом рассчитанной плотности состояний квазилокальных возбуждений есть установление зависимости плотности ДУС вида где k”0,3. Это позволяет интерпретировать многочисленные экспериментальные данные по измерению низкотемпературной теплоемкости, ширины бесфононных линий в примесных центрах. Построены эквипотенциальные поверхности двухуровневых систем для исследования низкоэнергетических возбуждений. Впервые также получено численное решение для плотности состояний гармонических осцилляторов.

Расчеты методом когерентного потенциала позволили учесть взаимодействие гармонических осцилляторов и воспроизвести универсальный характер плотности состояний. Форма пика в разных материалах одинакова и несмотря на существенные различия химического состава, характера ближнего порядка и электронных свойств в структурно - неупорядоченных материалах, плотность низкоэнергетических колебательных состояний имеет универсальный, хотя и не дебаевский характер. Показано, что в рамках общей картины плотности состояний удается провести интерпретацию некоторых аномальных свойств неупорядоченных систем: зависимости теплоемкости от температуры и времени, особенностей релаксационного поглощения, однородного уширения бесфононных линий в спектрах поглощения примесей и т.п. Указано на влияние ускоренной диффузии примесей на электронные свойства неупорядоченных систем, приведена новая интерпретация известных метастабильных свойств, их отношение к механизмам деградации приборных систем.

Ключевые слова: структурно-неупорядоченные системы, мягкие атомные потенциалы, низкоэнергетические колебательные возбуждения, когерентный потенциал, квазилокальные возбуждения, двухуровневые системы, двухъямные потенциалы.

Размещено на Allbest.ru

...