Ефекти мікроскопічної та макроскопічної невпорядкованості та перехід метал-ізолятор у провідності тонких плівок золота

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

ім. Б. І. ВЄРКІНА

УДК 539. 216; 539. 292

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ефекти мікроскопічної та макроскопічної невпорядкованості та перехід метал-ізолятор у провідності тонких плівок золота

01. 04. 07 - фізика твердого тіла

БІЛЯЄВ ЄВГЕНІЙ ЮРІЙОВИЧ

Харків - 2002

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

гальваномагнiтна властивість плiвка золото

Метою даноп роботи було експериментальне дослiдження впливу мiкроскопiчної та топологiчної невпорядкованості на резистивнi i гальваномагнiтнi властивостi двовимiрних металевих систем. Об'єктом дослiджень стало широке коло локалiзацiйних явищ, які відбуваються під впливом розупорядкування. Предметом досліджень були обрані плiвки золота з початковою товщиною 10 нм та ультратонкi холодноосадженi плiвки золота, якi вивчались in situ. Для всiх зразкiв, окрiм холодноосаджених, одержанi електронно-мiкроскопiчнi фотографiп та електронограми. Використання рiзних методик розупорядкування дозволило вивчити широкий спектр локалiзацiйних явищ:

Ефекти слабкоп локалiзацiп (СЛ) та електрон-електронноп взаємодiп (ЕЕВ) у тонких плiвках золота, в кристалiчнiй гратцi яких шляхом опромiнювання високоенергетичними iонами Ar+ створювались рiзнi концентрацiп радiацiйних дефектiв;

Некогерентнi мезоскопiчнi флуктуацiп опору в неоднорiдних плiвках з топологiчною невпорядкованістю, створеної шляхом iонного щавлення;

Перехiд вiд сильної до слабкоп локалiзацiп електронiв в ультратонких гранульованих холодноосаджених плiвках, що знаходяться поблизу порогу протiкання, який вiдбувається як пiд дiєю прикладеного в процесi вимiрювань електричного поля, так і під впливом температури.

Актуальнiсть теми дисертацiп визначається як потребами практики, так i великим фундаментальним значенням проведеного дослiдження. Досягнення теорiп останнiх рокiв [1-6] значно пiдвищили рiвень розумiння електронних транспортних властивостей невпорядкованих металевих систем, однак ряд фундаментальних питань залишився недостатньо дослiдженим. Серед них слiд згадати вплив непорядку на характеристичнi часи електрон-фононноп взаємодiп [7-11]. До цого часу не до кiнця зрозумiлi загальнi закономiрностi змiни електричних властивостей поблизу переходу метал-iзолятор (ПМЭ).

Основними завданнями дослiдження були: 1) експериментальне визначення впливу розупорядкування кристалiчноп гратки на характеристичнi часи електрон-фононноп взаємодiп (фep) та 2) дослiдження провiдних i гальваномагнiтних властивостей плiвок золота при значному розупорядкуваннi аж до переходу метал-iзолятор.

Варiювання ступеня непорядку досягалось шляхом створення в кристалiчнiй гратцi вихiдних суцiльних плiвок золота радiацiйних пошкоджень при опромiненнi пх високоенергетичними iонами Ar+ з енергiєю 3, 5 кеВ. При малих дозах iонне опромiнення приводило до сорокакратного зростання величини R (R - опiр квадратноп дiлянки плiвки) внаслiдок збiльшення густини радiацiйних дефектiв. При великих дозах конку руючi процеси вiдпалу дефектiв та iонного щавлення уздовж границь кристалiтiв приводили до утворення у плiвках розгалуженоп перколяцiйноп структури. У зв'язку з тим, що використана методика не дозволяла вiдтворюваним чином одержувати перколяцiйнi зразки, подальшi дослiдження провiдності та гальваномагнiтних властивостей поблизу ПМЭ проводились in situ на ультратонких холодноосаджених плiвках золота.

Перважна частина результатiв одержана вперше i має наукову новизну. Це забезпечено: 1) використанням унiкальноп установки, яка дозволяла проводити вимiрювання провiдних i гальваномагнiтних властивостей тонких плiвок in situ при температурах 0, 3 - 70 К; 2) використанням методики одержання невпорядкованих зразкiв шляхом iонного опромiнення, що дозволило одержувати стабільні в широкому дiапазонi температур зразки металевих плiвок з рiзними ступенями розупорядкування кристалiчної гратки; 3) комплексним характером більшості виконаних дослiджень.

Серед одержаних результатiв, якi мають прiоритетний характер, слiд вiдзначити:

¦ Спостереження змiни функцiонального вигляду залежностей частоти електрон-фононноп релаксацiп вiд температури i довжини вiльного пробiгу електронiв при розупорядкуваннi кристалiчної гратки плiвок золота пiд впливом опромiнення iонами Ar+ в умовах, коли середня довжина вiльного пробiгу електронiв стає близького порядку до довжини хвилi характеристичного термiчного фонона;

¦ Вiдкриття явища зменшення частоти спiн-орбiтальноп релаксацiп електронiв (фSO-1) при пiдсиленнi атомної невпорядкованості в тонких плiвках золота. Це явище пояснюється послабленням домiнуючого внеску поверхневого спiн-орбiтального розсiяння в загальну частоту спiн-орбiтальноп релаксацiп при розупорядкуваннi;

¦ Показано, що провiднiсть двовимiрноп перколяцiйноп плiвки поблизу порогу протiкання може визначатись одним провiдним ланцюжком. Наявнiсть вузьких дiелектричних мiсткiв у цьому ланцюжку зумовлює як одновимірний характер провідності всієї системи в цілому, так і появу некогерентних мезоскопічних флуктуацій опору;

¦ Дослідження переходу від сильної до слабкої локалізації електронів в ульратонкій холодноосадженій гранульованій плівці золота, яка знаходиться поблизу порога протікання, що відбувається як під дією прикладеного в процесі вимірювань електричного поля, так і під впливом температури;

¦ Відкриття ефекта від'ємного магнітоопору, який виявляє себе в ультратонких холодноосаджених плівках золота в режимі стрибкової провідності між найближчими центрами локалізації (найближчими сусідами) та визначення його температурної і магнітнопольової залежності: ДR (H) /R (0) - H 2/T.

Представлена дисертаційна робота є підсумком 7 - річної роботи автора в галузі фізики невпорядкованих металевих систем. Отримані результати здобуті у співавторстві, але особистий внесок здобувача полягає в: 1. Вдосконаленні дослідної установки; 2. Виготовленні експериментальної вимірювальної комірки; 3. Виготовленні системи змінних масок, яка дозволяє проводити процеси напилення підшару, вимірюваної плівки, підвідних контактів та консервуючого покриття в єдиному технологічному процесі без порушення вакууму; 4. Приготуванні зразків; 5. Проведенні вимірювань; 6. Обробці експериментальних даних з використанням ЕОМ та їх порівнянні з існуючими теоретичними моделями; 7. Участі в поясненні одержаних результатів та написанні наукових статей.

Апробація результатів дисертації проводилась на:

¦ II конференції “Фізичні явища в твердих тілах” (м. Харків, Україна, 1995 р.),

¦ VI Міжнародному симпозіумі “Тонкі плівки в електроніці” (м. Херсон, Україна, 1995 р.),

¦ Міжнародній конференції з фізики низьких температур LT-21 (м. Прага, Чехія, 1996 р.),

¦ III конференції “Фізичні явища в твердих тілах” (м. Харків, Україна, 1997 р.),

¦ XVI конференції Європейського Фізичного Товариства (м. Leuven, Belgium, 1997),

¦ 99-й конференції Американського Керамічного Товариства (м. Цінцінатті, США, 1998 р.),

¦ Міжнародній конференції “Фізика Тонких Плівок: Формування, структура та фізични властивості” (м. Харків, Україна, 1999 р.).

Основні результати, які увійшли в дану роботу, опубліковані в 9 друкованих наукових статтях і матеріалах 7 наукових конференцій.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з вступу, огляду літератури, розділу, присвяченого методиці експеримента, трьох експериментальних розділів та підсумкової частини. Загальний обсяг роботи 154 сторінки, в тому числі 33 рисунка і 2 таблиці. Список цитованої літератури містить 129 назв. В кінці кожного розділу формулюються висновки, а основні висновки дисертації приводяться в підсумковій частині.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано обгрунтування актуальності роботи, вказані її основні цілі та завдання, дається коротке висвітлення дисертації за розділами.

Перший розділ містить огляд літератури, присвяченої проявам ефектів СЛ та ЕЕВ у тонких плівках нормальних металів, експериментальним дослідженням характеристичних часів енергетичної, фазової та спіновоїрелаксації в електронних системах нормальних металів і відповідним передбаченням теорії. В огляді показано, що наявні теоретичні моделі передбачають залежність характеристичного часу електрон-фононної релаксації для слабконевпорядкованих металів фep-1 T 3 в “чистій межі” [9, 10], в ситуації, коли (тут l - середня довжина вільного пробігу електронів, а qT - хвильовий вектор характеристичного термічного фонона) і фep-1 l·T 4 для значно розупорядкованих металів у “брудній межі” [7, 8, 9, 11], коли виконується нерівність . Однак, спостережені в експерименті залежності фep (T), як правило, мають вигляд фep-1 T 2 для зразків тонких плівок металів, які знаходяться в “чистій межі” [12] і фep-1 T 3 в “брудній межі”. Спроби експериментального спостереження залежності фep (l) шляхом ступеневого відпалу холодноосаджених плівок [12] виявились невдалими, оскільки експериментаторам не вдавалось змінювати l в достатньо широкому діапазоні. Розглянуті також різноманітні теоретичні моделі, які описують поведінку стрибкової провідності та магнітоопору в околі переходу метал-ізолятор і явища некогерентної мезоскопіки [13 - 16].

В другому розділі формулюються постановка задачі та критерії вибору об'єктів дослідження. Дається опис дослідної установки, технології приготування зразків і методики проведення вимірювань на постійному струмі.

В третьому розділі висвітлені результати дослідження проявів ефектів СЛ і ЕЕВ у провiдності плівок Au, опромінених різними дозами іонів .

Аналіз температурних та магнітнопольових залежностей опору, зумовлених проявом ефектів СЛ та ЕЕВ у тонких плівках з радіаційними пошкодженнями, дозволив визначити характеристичні часи фазової та спінової релаксації електронів для серії зразків тонких плівок золота з різними ступенями розупорядкування кристалiчної гратки. Експеримент показав (Рис. 1), що часи фазової релаксації в температурній області домінування процесів електрон-фононної взаємодії збільшуються з розупорядкуванням. Виділення внеску в фц, зумовленого процесами електрон-фононної релаксації, дозволяє стверджувати, що при досягненні критичного ступеня розупорядкування, який відповідає ситуації “брудної межі”, коли виконується співвідношення , починається зростання показника ступеня в температурній залежності частоти електрон-фононної релаксації фep-1 TP від величини p = 2 в “чистій межі”, коли , до значення p = 2, 8 для найбільш розупорядкованого з досліджених зразків. Крім того, побудова залежності фep (l) для серії досліджених зразків при сталій температурі (Т = 20 К) дозволяє продемонструвати передбачуваний теоретиками [7-10] і такий, що ніколи раніше не спостерігався в експерименті, прояв у “брудній межі” лінійної залежності частоти електрон-фононної релаксації (фep-1) від довжини вільного пробігу (Рис. 2.).

На основі проведеного аналізу літературних даних і результатів даного дослідження в роботі висловлено припущення про те, що спостереження знижених у порівнянні з передбаченнями теорії [7-11] показників ступеня в температурних залежностях часу електрон-фононної релаксації може бути зумовлено можливістю розповсюдження в системі плівка-підкладка пружних поверхневих хвиль Лява (A. E. H. Love). У випадку плівки з важкого металу з низькою швидкістю поперечного зву-ку (важкого сповільнюючого шару), яка знаходиться на підкладці з легкого матеріалу з високою швидкістю звуку, ці хвилі мають незвичний для акустики закон дисперсії [17], властивий для двовимірних плазмонів у двовимірній електронній системі і, в одновимірному випадку, лінійну залежність густини станів від частоти (лінійну функцію Еліашберга).

Виявлена при температурах вище мінімуму опору квадратична залежність опору від температури (Рис. 3) відповідала прояву передбачених в роботі Рейзера і Сергєєва [18] ефектів електрон-фонон-домішкової інтер-ференції. При цьому було одержано гарне чисельне узгодження з теорією як за величиною коефіцієнта , так і за положенням мінімуму опору. На відміну від попередніх робіт [19], в даному випадку нам не довелось розраховувати і виділяти поправки, пов?язані з явищами СЛ та ЕЕВ, внаслідок того, що для золота - метала з інтенсивною спін-орбітальною взаємодією - внески у температурну залежність опору, які зумовлені ефектами СЛ та ЕЕВ, в зазначеній температурній області взаємно компенсують одне одного.

Підсилення непорядку кристалiчної гратки плівок золота супроводжувалось несподіваним зростанням часу спін-орбітальної взаємодії (Рис. 4). Виявлений ефект інтерпретується на основі передбачення про перевагу внеску поверхневого спін-орбітального розсіяння в загальну частоту спін-орбітальної релаксації в тонких плівках. В роботі показано, що процес спін-орбітальної взаємодії при розсіянні на поверхні відбувається значно ефективніше, ніж при розсіянні на домішках в об?ємі, а саме він визначає високу швидкість спін-орбітальної релаксації в слабконевпорядкованих плівках, де довжини вільного пробігу електронів, по суті справи, обмежуються товщиною плівки. Із зростанням непорядку, неефективні щодо перевороту спіну процеси розсіяння на домішках в об?ємі збільшують час дифузійного прольоту електрона від поверхні до поверхні, що і призводить до спостереженого в експерименті послаблення спін-орбітальної взаємодії з розупорядкуванням.

Четвертий розділ подає результати дослідження плівок Au, опромінених значними дозами іонів Ar+, при яких відбувалось порушення суцільності плівок з утворенням розгалуженої перколяційної (протікальної) структури. В утвореній методом іонного щавлення перколяційній плівці золота, що знаходилась поблизу порогу протікання, спостерігались флуктуації опору (Рис. 5). Це відповідає прояву ефектів некогерентної ме-зоскопіки, описаних в роботах Райха і Рузіна [13 - 16]. Статистика флуктуацій, яка спостерігалась (функція розподілу величини флуктуацій несиметрична, її хвіст затягнутий в напрямі більших опорів) (Рис. 6), свідчить, що провідність двовимірної перколяційної плівки поблизу порогу протікання може визначатись одним найбільш провідним ланцюжком послідовно з?єднаних флуктуюючих опорів. Наявність вузьких діелектричних містків в цьому ланцюжку зумовлює як одновимірний характер моттівської стрибкової провідності всієї системи в цілому, так і прояв мезоскопічних флуктуацій опору, які, очевидно, не є температурними флуктуаціями опору, а зумовлені рухами заряджених домішок в околах цих діелектричних містків, що відбуваються під дією прикладеного в процесі вимірювань вольтамперних характеристик електричного поля.

У п?ятому розділі викладені результати проведеного in situ дослідження ультратонких холодноосаджених гранульованих плівок золота, яке дозволило спостерігати в них перехід від сильної до слабкої локалізації електронів, що відбувається як під дією прикладеного в процесі вимірювань електричного поля, так і під впливом температури. При достатньо низьких температурах і прикладених напругах досліджувана плівка поводила себе як ізолятор (двовимірний гранульований метал). У цьому стані спостерігались експоненціальні залежності опору від прикла деної вимірювальної напруги (при низьких температурах) (Рис. 7) та експоненціальні залежності опору від температури (при малих прикладених напругах) (Рис. 8), що відповідало прояву механізму стрибкової провідності між найближчими сусідами у (T) exp (-1/T). З підвищенням прикладеної до плівки вимірювальної напруги завдяки зменьшенню тунельних бар?єрів між гранулами, відбувався перехід до металевої поведінки провідності, який супроводжувався зміною знаку магнітоопору. Знак магнітоопору змінювався також під вплівом температури (Рис. 9). Поведінка магнітоопору в металевому стані відповідала проявам ефектів СЛ в гранульованому металі.

Зміна опору дослідженої плівки під впливом температури та вимірювальної напруги демонструється лініями постійного опору на Рис. 10. В області температур і прикладених напруг, що відповідала діелектричному стану зразка (вертикальна штриховка) знайдено незвичайний ефект від?ємного магнітоопору, який проявив себе в ультратонких холодноосаджених плівках золота в режимі стрибкової провідності між найближчими сусідами і вперше визначена його температурна та магнітнопольова залежність: ДR (H) /R (0) - H 2/T. Відкриття цього ефекту викликало появу двох нових теоретичних моделей, запропонованих різними групами теоретиків [20-21], які претендували на його пояснення.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ДИСЕРТАЦІЇ

На основі аналізу проявів ефектів СЛ та ЕЕВ вперше експериментально знайдено зміну функціонального вигляду залежностей частоти електрон-фононної релаксації від температури і довжини вільного пробігу електронів при розупорядкуванні кристалічної гратки плівок золота. Вказана зміна відбувається при досягненні критичного ступеня розупорядкування кристалiчної гратки, який відповідає ситуації “брудної межі”, коли середня довжина вільного пробігу електронів за порядком величини зрівнюється з довжиною хвилі характеристичного термічного фонона. Зміна ступеня розупорядкування досягалось шляхом бомбардування вихідних суцільних плівок золота різними дозами іонів Ar+, що приводило до виникнення в плівках радіаційних дефектів кристалiчної гратки. Таким чином, в роботі експериментально підтверджуються теоретичні передбачення [7 - 11] про послаблення електрон-фононної взаємодії при переході до “брудної межі”.

Підсилення невпорядкованості кристалiчної гратки плівок золота супроводжувалось несподіваним зменшенням частоти спін-орбітальної взаємодії. Виявлений ефект інтерпретовано на основі припущення про переважаючий внесок поверхневого спін-орбітального розсіяння в загальну частоту спін-орбітальної релаксації в тонких плівках. В роботі показано, що процес спін-орбітальної взаємодії при розсіянні на поверхні відбувається значно ефективніше, ніж при розсіянні на домішках у об?ємі, а саме він визначає високу частоту спін-орбітальної релаксації у слабконевпорядкованих плівках, де довжини вільного пробігу електронів, по суті, обмежуються товщиною плівки. Із зростанням невпорядкованості, неефективні щодо перевороту спіну процеси розсіяння на домішках в об?ємі збільшують час дифузійного прольота електрона від поверхні до поверхні, що і призводить в експерименті до послаблення спін-орбітальної взаємодії з розупорядкуванням.

Виявлена при температурах вище мінімуму опору квадратична залежність опору від температури є проявом процесів електрон-фонон-домішкової інтерференції, передбачених у роботі [18]. При цьому, на відміну від роботи [19], де для виявлення цього ефекту довелось розраховувати і чисельно відділяти внески ефектів СЛ та ЕЕВ, зазначена поправка виявилась для досліджених плівок золота в чистому вигляді внаслідок того, що для золота - метала з інтенсивною спін-орбітальною взаємодією - внески в температурну залежність опору, зумовлені ефектами СЛ та ЕЕВ, в цій області температур взаємно компенсуються.

На основі аналізу відомих літературних даних для температурних залежностей часу електрон-фононної взаємодії в тонких плівках різних металів і результатів даного дослідження, в роботі висловлюється гіпотеза про те, що квадратична залежність частоти електрон-фононної релаксації від температури в слабкорозупорядкованих плівках зумовлена можливістю розповсюдження в системі плівка-підкладка поверхневих пружних хвиль Лява, які у випадку плівки з важкого метала з низькою поперечною швидкістю звуку (важкого сповільнюючого шару), якщо така плівка знаходиться на підкладці з легкого матеріалу з високою поперечною швидкістю звуку, мають незвичайний для акустики закон дисперсії [17]. Густина станів для такої хвилі в одновимірному випадку лінійно залежить від частоти.

В утвореній шляхом іонного щавлення перколяційній плівці золота, яка знаходиться поблизу порога протікання, спостережено флуктуації опору, що відповідали прояву ефектів некогерентної мезоскопіки [13-16]. Показано, що провідність двовимірної перколяційної плівки поблизу порога протікання може визначатись одним найбільш провідним ланцюжком послідовно з?єднаних флуктуюючих опорів. Наявність вузьких діелектричних містків у цьому ланцюжку зумовлює як одновимірний характер моттівської стрибкової провідності всієї системи в цілому, так і прояви мезоскопічних флуктуацій опору, зумовлених рухами заряджених домішок в околах цих містків. Ці рухи відбуваються під дією прикладеного в процесі вимірювання вольтамперних характеристик електричного поля. Досліджено перехід від сильної локалізації до слабкої локалізації електронів, який відбувається в холодноосадженій гранульованій плівці золота як під дією прикладеного в процесі вимірювань електричного поля, так і під впливом температури. При достатньо низьких температурах і прикладених напругах плівка поводила себе як ізолятор (двовимірний гранульований метал у діелектричному стані). В цьому стані спостерігались експоненціальні залежності опору від прикладеної вимірювальної напруги (при низьких температурах) і експоненціальні залежності опору від температури (при малих прикладених напругах), що є проявом механізму стрибкової провідності між найближчими сусідами. З підвищенням прикладеної до плівки вимірювальної напруги завдяки зниженню тунельних бар?єрів між гранулами відбувався перехід до металевої поведінки опору, що супроводжувалось зміною знаку магнітоопору. Поведінка магнітоопору в металевому стані відповідала прояву ефектів СЛ в гранульованому металі.

В області температур і прикладених напруг, яка відповідає діелектричному стану зразка, виявлено невідомий раніше ефект від?ємного магнітоопору, що виявляється в ультратонких холодноосаджених плівках золота в режимі стрибкової провідності між найближчими центрами локалізації (найближчими сусідами), і визначена його температурна та магнітнопольова залежність: ДR (H) /R (0) - H2/T. Відкриття цього ефекту викликало появу двох нових теоретичних моделей, запропонованих різними групами теоретиків [20, 21], що претендують на його пояснення. В проміжному інтервалі електричних полів, в перехідному режимі від сильної до слабкої локалізації, знак магнітоопору визначається конкуренцією внесків позитивного магнітоопору всередині гранул, який добре описується теорією СЛ (ДRWL H2/T2), та негативного магнітоопору, що описується залежністю ДRSL - H2/T. Із зниженням температури співвідношення порушується на користь позитивного магнітоопору.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Белевцев Б. И., Беляев Е. Ю., Бобков В. В., Глушко В. И. Эффекты слабой локализации электронов в проводимости плёнок золота, подвергнутых облучению ионами аргона. // ФНТ. - 1995. - Т. 21, №7. - С. 763 - 772.

Белевцев Б. И., Комник Ю. Ф., Беляев Е. Ю. Процессы фазовой релаксации электронов в неупорядоченных плёнках золота, подвергнутых облучению ионами аргона. // ФНТ. - 1995. - Т. 21, №8. - С. 839 - 850.

Сыркин Е. С., Комник Ю. Ф., Беляев Е. Ю. Об аномалии низкотемпературной зависимости времени электрон-фононной релаксации в тонких плёнках, находящихся на подложке. // ФНТ. - 1996. - Т. 22, №1. - С. 107 - 110.

Белевцев Б. И., Беляев Е. Ю., Копейченко Е. Ю. Мезоскопические флуктуации проводимости двумерных перколяционных плёнок золота вблизи порога протекания. // ФНТ. - 1996. - Т. 22, №9. - С. 1070 - 1078.

Белевцев Б. И., Беляев Е. Ю., Комник Ю. Ф., Копейченко Е. Ю. Переход от сильной к слабой локализации электронов в перколяционной плёнке золота под влиянием электрического поля. // ФНТ. - 1997. - Т. 23, №9. - С. 965 - 976.

Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Kopeichenko E. Yu. Mesoscopic conductance fluctuations in two-dimensional percolation gold films near the percolation threshold. // Czech. J. Phys. - 1996. - Vol. 46, №S4. - P. 2363 - 2364.

Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Komnik Yu. F., Kopeichenko E. Yu. Negative magnetoresistance in the nearest-neighbour hopping conduction in granular gold film. // Physica B. - 1998. - Vol. 254. - P. 260 - 266.

Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Komnik Yu. F., Kopeichenko E. Yu. Study of metal-insulator transition in percolation gold film by electric field tuning. // Ceramic Transactions. - 1998. - Vol. 86. - P. 165 - 184.

Belevtsev B. I., Beliayev E. Yu., Komnik Yu. F. Electron Relaxation in Disordered Gold Films. // Phys. Rev. B. - 1998. Vol. 58, №12. - P. 8079 - 8086.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

[1] Altshuler B. L., Aronov A. G., Gershenson M. E., Sharvin Yu. V., Quantum Effects in Disordered Metal Films // Sov. Sci. Rev. A9. - Schur (Switzerland) : Harwood Acad. Publ. GmbH. - P. 233 - 354.

[2] Lee P. L., Ramakrishnan T. V. Disordered electronic systems // Rev. Mod. Phys. - 1985. - Vol. 57, № 2. - P. 287 - 337.

[3] Bergmann G. Weak Localization in Thin Films: a time-of-flight experiment with conduction electrons // Physics Reports (Review Section of Physics Letters) - 1984. - Vol. 107, № 1. - P. 1 - 58.

[4] Abrahams E., Anderson P. W., Licciardello D. C., Ramakrishnan T. V. Scaling theory of localization: absence of quantum diffusion in two dimensions // Phys. Rev. Lett. - 1979. - Vol. 42, № 10. - P. 673 - 676.

[5] Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах: В 2 т. - М. : Мир, 1982.

[6] Шкловский Б. И., Эфрос А. Л. Электронные свойства легированных полупроводников. - М. : Наука, 1979. - С. 207 - 218.

[7] Schmid A. Electron-phonon interaction in an impure metal // Z. Phys. - 1973. - Vol. 259, № 5. - P. 421 - 436.

[8] Рейзер М. Ю., Сергеев А. В. Электрон-фононное взаимодействие в примесных металлах и сверхпроводниках // ЖЭТФ. - 1986. - T. 90, № 3. - C. 1056 - 1070.

[9] Rammer J. P., Schmid A. Destruction of phase coherence by electron-phonon interactions in disordered conductors // Phys. Rev. B. - 1986. - Vol. 34, № 2. - P. 1352 - 1355.

[10] Reiser M. Yu. Electron-phonon relaxation in pure metals and superconductors at very low temperatures // Phys. Rev. B. - 1989. - Vol. 40, № 8. - P. 5411 - 5416.

[11] Keck B., Schmid A. Superconductivity and electron-phonon interaction in impure simple metals // J. Low Temp. Phys. - 1976. - Vol. 24, № 5/6. - P. 611 - 629.

[12] Peters R. P., Bergmann G. Dependence of the phase-coherent time in weak localization on electronic mean free path and film thickness // J. Phys. Soc. Jpn. - 1985. - Vol. 54, № 9. - P. 3478 - 3487.

[13] Raikh M. E., Ruzin I. M. Transmittancy fluctuations in randomly non-uniform barriers and incoherent mesoscopics // in: Mesoscopic Phenomena in Solids, Altshuler B. L., Lee P. A., Webb R. A. (eds.). - North Holland, Amsterdam: Elsevier Science Publishers B. V., 1991. - P. 315 - 368.

[14] Raikh M. E., Ruzin I. M. Size effect in the longitudinal hopping conduction of a narrow two-dimensional channel // Phys. Rev. B. - 1990. - Vol. 42, № 17. - P. 11203 - 11207.

[15] Райх М. Э., Рузин И. М. Флуктуации прозрачности случайно-неоднородных барьеров конечной площади // ЖЭТФ. - 1987. - T. 92, № 6. - С. 2257 - 2276.

[16] Орлов А. О., Райх М. Э., Рузин И. М., Савченко А. К. Статистические свойства мезоскопических флуктуаций проводимости короткого канала полевого GaAs - транзистора // ЖЭТФ. - 1989. - T. 96, № 12. - C. 2172 - 2184.

[17] Косевич А. М., Сыркин Е. С. Поверхностные упругие волны в системе слой-подложка как акустический аналог двумерных плазмонов // Акустический журнал. - 1989. - Т. 34, № 1. - С. 113-116.

[18] Рейзер М. Ю., Сергеев А. В. Влияние электрон-фононного взаимодействия на проводимость примесных металлов // ЖЭТФ. - 1987. - Т. 92, № 6. - С. 2291 - 2304.

[19] Echternach P. M., Gershenson M. E., Bozler H. M. Evidence of interference between electron-phonon and electron-impurity scattering on the conductivity of thin metal films // Phys. Rev. B. - 1993. - Vol. 47, № 20. - P. 13659 - 13663.

[20] Raikh M. E., Glazman L. I. Negative Hopping Magnetoresistance of Two-Dimensional Electron Gas in a Smooth Random Potential // Phys. Rev. Letters. - 1995. - V. 75, № 1. - P. 128 - 131.

[21] Wang X. R., Ma S. C., Xie X. C. The level-shifting-induced negative magnetoresistance in the nearest-neighbor hopping conduction // Europhysics Letters. - 1997. - Vol. 45, № 3. - P. 368 - 373.

АНОТАЦІЯ

Біляєв Є. Ю. Ефекти мікроскопічного та макроскопічного непорядку та перехід метал-ізолятор у провідності тонких плівок золота. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01. 04. 07 - фізика твердого тіла. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2002.

Експериментально досліджені ефекти слабкої локалізації електронів у суцільних плівках золота завтовшки 10 нм з різними концентраціями радіаційних дефектів в кристалiчній гратці, створених шляхом бомбардування іонами Ar+ з енергіями 3, 5 кеВ. Показано, що при досягненні критичного ступеня розупорядкування з?являється лінійна залежність частоти електрон-фононної релаксації фep-1 від довжини вільного пробігу електронів і починається зростання показника ступеня в температурній залежності фep-1 ТP від значення р=2 в “чистої межі” до р=2, 8 для найбільш розупорядкованого зразка. Виявлений ефект збільшення часу спін-орбітальної (SO) взаємодії з розупорядкуванням інтерпретується на основі передбачення про переважаючий внесок поверхневого SO розсіяння в загальну частоту SO релаксації в тонких плівках.

Вивчення некогерентних мезоскопічних флуктуацій опору в плівці з топологічною невпорядкованістю, створеною методом іонного витравлювання матеріалу плівки, показало, що її провідність поблизу порогу перколяції може визначатися одним провідним ланцюжком послідовно з?єднаних флуктуюючих резисторів.

Дослідження in situ переходу метал-ізолятор у холодноосадженої плівці Au завтовшки 3 нм виявило невідомий раніше ефект від?ємного магнітоопору ДR/R - H 2/T, який спостерігався в умовах здійснення стрибкової провідності поміж найближчими сусідами.

Ключові слова: слабка локалізація, електрон-фононна взаємодія, спін-орбітальна взаємодія, некогерентна мезоскопіка, перехід метал-ізолятор, від?ємний магнітоопір, стрибкова провідність між найближчими сусідами.

ANNOTATION

Beliayev E. Yu. Effects of microscopic and macroscopic disorder and metal-insulator transition in conductivity of thin Au films. - The manuscript to achieve the Ph. D. degree (candidate of science in physics and mathematics) in solid state physics (speciality 01. 04. 07). B. I. Verkin's Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Science of Ukraine. Kharkov, Ukraine, 2002.

The measuring of temperature dependencies of resistance and magneto-resistance in disordered two-dimensional Au films allowed to study a broad range of localization phenomena, including: 1) weak electron localization in films with radiation damage in their crystal lattice; 2) incoherent mesoscopic fluctuations of resistance in percolation network; 3) the metal-insulator transition in ultra-thin quench-condensed granular films which were near the percolation threshold.

Weak localization (WL) effects are experimentally studied in series of 10 continuous (thickness ~10 nm and all the samples were TEM-investigated) Au films with different degrees of radiation damage in their crystal lattice, caused by 3. 5 keV Ar+ ion bombardment. The analysis of experimental data shows that when disorder (measured by the value of R? - the sheet resistance) achieves a critical degree at which the electron mean free path (l) by the order of magnitude can be compared with the characteristic thermal phonon wavelength, there appears a linear dependence of electron-phonon relaxation rate on the electron mean free path фep-1 l and the exponent in temperature dependence of фep-1 Т P begins to grow from p=2 for all the samples in “clean limit” to p=2. 8 for the most disordered sample. So in “dirty limit” we should expect фep-1 l·Т 3. These results and the results of many other experimentalists contradict to the known theoretical predictions фep-1 Т 3 in “clean limit” and фep-1 l·Т 4 in “dirty” one. To explain the lowered exponents p, we note that in all the systems investigated, consisted of heavy metal films on a light substrates with high transverse sound velocity (in our case gold on sapphire), the surface elastic waves, known as Love's waves, can propagate. These waves obey the unusual dispersion relation, similar to that for two-dimensional plasmons, and have the linear frequency spectrum that leads to the linearity of Eliashberg function. We also find the unexpected increase in spin-orbit relaxation time with disordering. This effect was successfully interpreted by the conjecture about weakening the contribution of surface spin-orbit scattering in the total spin-orbit scattering rate in thin films, because the bulk scattering, which grows with disordering, is insufficient for spin flip, as to compare with spin flip at surfaces, but it increases the time of electron diffusion flight between the film surfaces in disordered films.

At temperatures higher then the temperature of resistance minimum R (T) = Bi ·Т 2 dependence is found. By its function dependence and the magnitude of coefficient Bi it well corresponds to predicted by Reiser and Sergeev mechanism of interference between electron-phonon and electron-impurity interaction. Unlike the works of other experimentalists, in our case this quantum correction can be seen without any calculations, because of strong spin-orbit interaction for which the contributions of WL effects and electron-electron interaction in temperature dependence of conductivity are mutually compensated.

The study of statistics of resistance fluctuation in TEM-investigated Au film with topological disorder, created by Ar+ ion ablation, has shown that near the percolation threshold its conductivity is determined by a single chain of incoherently fluctuating resistors. The presence of narrow insulating bridges with mesoscopic sizes in such chain is responsible for both the one-dimensional character of Mott's hopping conduction of the whole film and the observed fluctuations of conductivity, caused by the motion of charged impurities in the vicinity of those bridges that takes place under the influence of electric field, applied to the film, while measuring its voltage-current characteristics.

The in situ study of quench-condensed ultra-thin (3. 2 nm) granular percolating Au film has revealed the reversible metal-insulator transition (MIT), which took place under the influence of measuring voltage, applied to the film, and temperature. On the metal side of MIT the magnetoresistance (MR) was positive and corresponded to manifestation of WL effects in granular film, but on the insulator side of MIT it became negative and could be described by the relation ДR/R - H2/T. As the most unusual thing, this negative MR manifested itself in condition of nearest neighbor hopping conduction. After publication the result, two

theoretical models were developed to explain the new effect. In transition region the MR behavior can be represented as the sum of two terms: the positive MR ДR/R H2/T2 originating from WL effect in metal granules and negative MR ДR/R - H2/T in intergrain space.

Key words: weak localization, electron-phonon interaction, spin-orbit interaction, incoherent mesoscopics, metal-insulator transition, negative magnetoresistance, nearest neighbor hopping

АННОТАЦИЯ

Беляев Е. Ю. Эффекты микроскопического и макроскопического беспорядка и переход металл-изолятор в проводимости тонких плёнок золота. - Рукопись диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01. 04. 07 - физика твёрдого тела. Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2002.

Экспериментально изучены эффекты слабой локализации электронов в сплошных плёнках Au толщиной 10 нм с различными концентрациями радиационных дефектов кристаллической решётки, созданными путём бомбардировки ионами Ar+ с энергиями 3, 5 кэВ. Показано, что при достижении критической степени разупорядочения появляется линейная зависимость скорости электрон-фононной релаксации фep-1 от длины свободного пробега электронов и начинается рост показателя степени в температурной зависимости фep-1 Т P от значения р=2 в “чистом пределе” до р=2, 8 для наиболее разупорядоченного образца. Обнаруженный эффект увеличения времени спин-орбитального (SO) взаимодействия с разупорядочением интерпретирован на основе предположения о преобладающем вкладе поверхностного SO рассеяния в общую скорость SO релаксации в тонких плёнках.

Изучение некогерентных мезоскопических флуктуаций сопротивления в плёнке с топологическим беспорядком, созданным методом ионного травления, показало, что её проводимость у порога протекания определяется одной цепочкой последовательно соединённых флуктуирующих резисторов.

Исследование in situ перехода металл-изолятор в холодноосаждённой плёнке Au толщиной 3 нм выявило неизвестный ранее эффект отрицательного магнитосопротивления ДR/R - H 2/T, проявляющийся в режиме прыжковой проводимости между ближайшими соседями.

Ключевые слова: слабая локализация, электрон-фононное взаимодействие, спин-орбитальное взаимодействие, некогерентная мезоскопика, переход металл-изолятор, отрицательное магнитосопротивление, прыжковая проводимость между ближайшими соседями.

Размещено на Allbest.ru