У підрозділі також обговорюється можливість вивчення статичного скін-ефекту за допомогою мікроконтактів. У цьому випадку виникає можливість виявити внесок траєкторних ефектів, пов'язаних з електронами, які зазнають поверхневого відбиття і рухаються уздовж границі кристала по циклотронним орбітам. Високопровідний скін-шар, що виникає поблизу поверхні кристала в паралельному магнітному полі, повинен чинити шунтуючу дію на струм, що протікає між контактами, і створювати ефект короткого провідного каналу. У цьому випадку падіння напруги, що вимірюється на мікроконтактах, містить інформацію про електропровідність скін-шару і про його зміну за магнітним полем.

У підрозділі 5.3 представлені експериментальні результати щодо впливу дзеркальності поверхневого відбиття електронів на магнітопровідність поверхневого шару вісмуту. Для визначення коефіцієнта дзеркальності і контролю точності орієнтації лінії мікроконтактів щодо кристалографічних напрямків використовувався метод ЕФ. Коефіцієнт визначався зі співвідношення амплітуд першої і третьої ліній ЕФ, що виключало помилку, обумовлену можливим внеском міждолинного розсіювання.

Прийнято вважати, що при дзеркальному відбитті від поверхні кристала довжина вільного пробігу електронів провідності в скін-шарі товщиною ( - ларморовський радіус) зберігається такою, як і в об'ємі кристала в нульовому магнітному полі. З ростом магнітного поля щільність струму в скін-шарі і відповідно його провідність повинні змінюватися обернено пропорційно до , а магнітоопір - лінійно за магнітним полем. Якщо довжина вільного пробігу обмежена величиною , то варто очікувати на квадратичну залежність опору скін-шару від магнітного поля. Виміри показали, що опір приповерхневого шару поблизу тригональної грані Bi змінюється лінійно за магнітним полем у випадку як дзеркального, так і дифузного характеру відбиття електронів провідності. Збільшення ступеня дифузності поверхневого відбиття електронів супроводжується ростом частки міждолинного розсіювання електронів, що є некорельованим. У приповерхневому шарі ефективна довжина вільного пробігу електронів у магнітному полі приблизно дорівнює об'ємній у нульовому магнітному полі за будь-якого ступеню дзеркальності поверхневого відбиття.

У підрозділі 5.4 наведено результати вивчення магнітопровідності поверхневого шару в умовах включення об'ємного розсіювання електронів. Вивчено трансформацію виду магніторезистивних кривих зі збільшенням відстані між мікроконтактами від до мкм . Виявилося, що в цьому випадку показник степеня для залежності набуває тенденції до зростання від до в зв'язку з включенням об'ємного розсіювання електронів.

Вивчено також вплив на вид магніторезистивних кривих зміни орієнтації магнітного поля відносно лінії контактів, яка приводить до варіацій траєкторії електронів і визначає величину провідності скін-шару.

У підрозділі 5.5 описано виявлений ефект “невзаємності” магнітопольових залежностей при інверсії струму і магнітного поля. Одночасна зміна полярності електричного і магнітного полів зберігає незмінним вид магнітопольових залежностей опору приповерхнього шару кристала вісмуту, але при зміні полярності одного з полів магніторезистивна крива змінює нахил. Ефект “невзаємності”, що спостерігався, пояснений зміною ефективної рухливості носіїв заряду в скін-шарі при інверсії електричного або магнітного поля.

Підрозділ 5.6 присвячений впливу приповерхневого шару кристала вісмуту на сигнал ЕФ у сильних магнітних полях. Виконане дослідження показало, що колекторний потенціал, що вимірюється у геометрії електронного фокусування, визначається переносом заряду в приповерхневому шарі. В умовах і спостерігається лінійна залежність , яка починається від малих магнітних полів і існує в широкій області магнітного поля при будь-якому типі розсіювання електронів на поверхні. У сильних магнітних полях, коли ларморовський радіус стає порівняним до діаметра колекторного мікроконтакта, балістична частина колекторної напруги прямує до насичування. В умовах перенесення заряду з емітерного мікроконтакта відбувається шляхом дифузійного руху електронів крізь об'єм зразка. Але навіть у цьому випадку висока провідність приповерхневого шару кристала відіграє важливу роль.

Шостий розділ “Тонка структура ліній електронного фокусування” присвячений вивченню і фізичному поясненню тонких особливостей на лінії ЕФ, що дозволяють виявити нові явища у фізиці мікроконтактів. Приведені результати, що отримані при аналізі тонкої структури записів сигналу ЕФ при різних значеннях надлишкової енергії інжектованих у кристал електронів.

Спостерігалися нові ефекти, визначені як “циклотронна спектроскопія” електрон-фононної релаксації в мікроконтакті (при високому ступені “енергізації” електронів) і дифракція електронного потоку, що проникає у кристал через мікроконтакт (виявлена за відносно слабкої “енергізацієї” електронів).

У підрозділі 6.1 наведено експериментальні результати, що дозволили виявити електрон-фононну релаксацію в мікроконтакті за участю фононів виділених частот. На рис. 3 приведені записи похідної для двох пар зразків близької геометрії при величині емітерного струму мА. Рисунок показує відтворюваність тонкої структури лінії ЕФ у різних експериментах. Подібна тонка структура з'являється лише при струмах більших за мА. Відзначено, що при заданій величині відстань за полем від лінії ЕФ (на рисунку позначена нулем) до характерних особливостей залишається сталою зі змінами емітерного струму в широких межах. Поява особливостей на залежностях пов'язана з електронами, що мають енергію, меншу за максимальну внаслідок електрон-фононної релаксації.

Рис.3. Залежності від H для двох пар експериментів.

Функція розподілу щільності фононних станів у вісмуті має добре виражену смугу акустичних фононів з максимумом при меВ і вузький максимум при меВ, обумовлений, в основному, подовжніми оптичними фононами. Внаслідок електрон-фононної релаксації безпосередньо в емітері в кристал інжектуються електрони з енергією, меншою, за максимальну на величину енергії релаксаційних фононів. Оскільки в щільності станів фононів є виділені частоти і , це може привести до формування груп електронів, інжектованих у кристал з виділеними енергіями. Ці групи електронів формують “фононні” піки згідно з умовами фокусування так, як і основні групи електронів.

За нашими оцінками, поява “фононних” піків на лінії ЕФ відповідає ситуації, коли дрейфова швидкість електронів у мікроконтакті ( - концентрація носіїв заряду) досягає швидкості звуку. Як відомо, при переході дрейфуючих носіїв заряду через звуковий бар'єр починається генерація нерівноважних фононів (ефект Єсакі). Використання методу ЕФ завдяки його спектроскопічним можливостям дозволяє одержати уявлення про розподіл частот випромінюваних нерівноважних фононів в кристалі в умовах надзвукового дрейфу носіїв заряду. Виявлений ефект демонструє можливість вивчення енергетичної структури розподілу інжектованих електронів, що релаксують на фононах. Така “циклотронна спектроскопія” заснована на ідеї просторового відокремлення нерівноважних електронів різних енергій, що відбувається при електронному фокусуванні. Теоретичне обґрунтування методу “циклотронної спектроскопії” електрон-фононної взаємодії надано в роботі [12].

У підрозділі 6.2 обговорюється “велетенська” особливість на лінії ЕФ при великих струмах (більших за 120-150 мА), яка відстоїть за енергією від основної лінії на величину ~ 40 меВ, і це значення, як і для “фононних” піків, не змінюється при збільшенні струму. Висловлено припущення (з посиланням на літературні дані), що при досягненні певного ступеня нерівноважності електронів відкривається додатковий канал непружної релаксації з характерною енергією 40 меВ, пов'язаний зі збудженням колективної коливальної моди в електронній системі.

У підрозділі 6.3 обговорюється можливість появи мезоскопічних максимумів на лінії ЕФ. Поряд з “фононними” піками і “велетенською ” особливістю на лінії ЕФ спостерігаються також численні дрібні сплески, що не є апаратними. Вони мають середню відстань один від одного Е. Одним з варіантів пояснення появи на лінії ЕФ дрібних сплесків є існування флуктуацій провідності (кондактанса) мікроконтакта, що виконує роль емітера. У мікроконтакті зі струмом внаслідок інтерференції хвильових функцій електронів з'являються додатки до провідності, які не самоусереднюються. У роботі [13] показано, що у мікроконтакті повинні виникати мезоскопічні флуктуації вольт-амперної характеристики. Також розраховані період зміни напруги, пов'язаної з флуктуаціями кондактанса мікроконтакта, та амплітуда повного струму. Однак при використанні методу ЕФ реєструється не повний струм через мікроконтакт, а вузькоспрямований пучок електронів, обмежений в імпульсному просторі малим кутом , що при заданому значенні магнітного поля і створює сигнал на колекторі. Це дає величезну перевагу у порівнянні з реєстрацією повного струму через мікроконтакт, оскільки малість кута забезпечує близькість не тільки енергії, але й імпульсів електронів, які залишають область мікроконтакта. На додаток до методу ЕФ ми розрахували зміни поля фокусування, виходячи з варіацій енергії електронів, що залишають мікроконтакт, і одержали для балістичного мікроконтакта значення Е, яке узгоджується з експериментальними спостереженнями.

У підрозділі 6.4 обговорюються зміни положення першої лінії ЕФ та тонких особливостей на ній із температурою при фокусуванні нерівноважних електронів.

Зміщення лінії ЕФ і “фононних” піків, що спостерігається, як встановлено в експериментах, є лінійним за температурою. Це зміщення обумовлене тим, що поряд з випромінюванням фононів виділених частот відбувається також слабка релаксація енергізованих електронів, пов'язана з розсіюванням на теплових фононах. З лінійності зміщення випливає лінійна залежність величини надлишкової енергії від температури. На підставі цього показано, що довжина електрон-фононної релаксації описується функцією .

У підрозділі 6.5 описані тонкі особливості лінії ЕФ при малих значеннях емітерного струму й обговорюються можливі варіанти пояснення. При малих емітерних струмах, при яких фононні і мезоскопічні особливості ще не виявляються, лінія ЕФ часто має тонку структуру. Ця структура добре виявляється на записах . Тонка структура, як правило, має вигляд більш-менш регулярних піків невеликої амплітуди на висхідній гілці лінії ЕФ (рис.4).

В поодиноких випадках нами спостерігалися піки великої амплітуди, при цьому вдавалося зареєструвати максимуми безпосередньо на записі . У цьому випадку система піків малої амплітуди виявляється і на другій лінії ЕФ при записі похідної .

Рис.4. Тонка структура лінії ЕФ при малих емітерних струмах

З ростом струму піки зростають за амплітудою і зміщуються у бік великих магнітних полів. Це зростання при збільшенні емітерного струму, так само, як і ріст величини першої лінії ЕФ зв'язані зі збільшенням числа електронів, що приймають участь у їхньому формуванні. Зміщення піків вказує на вплив енергії електронів на формування піків, подібно до впливу енергії електронів на положення лінії ЕФ. Нами побудовані залежності положення піків на шкалі магнітних полів від справжньої надлишкової енергії електронів (з урахуванням релаксації у мікроконтакті).

У роботі [14] раніше повідомлялося про виявлення тонкої структури лінії ЕФ, яка пов'язувалась з проявом в електронному фокусуванні магнітних поверхневих рівнів (МПР). У цьому випадку крім квантового числа , яке визначає квантування магнітного потоку, з'являється ще число , що задовольняє умові укладання цілого числа стрибків електронів уздовж поверхні на довжині .

З різних можливих сполучень та автору роботи [14] треба було врахувати лише мале число варіантів для узгодження з експериментом. Нами обчислено положення піків у моделі МПР при збільшенні енергії електронів. Виявилося, що воно повинно досить слабко змінюватися з ростом енергії електронів, усупереч нашим експериментальним спостереженням. Таким чином, припущення про прояв МПР на записі сигналу ЕФ не підтверджується експериментальними спостереженнями.

Нами розглянуто також явище інтерференції електронних потоків на балістичній орбіті як можливе пояснення появи тонкої структури передуючої лінії ЕФ. Одержані співвідношення при розумних значеннях параметрів, що входять до них, здатні описати максимуми, які спостерігаються на записах сигналу ЕФ.

Однак аналіз зміни положення за магнітним полем цих інтерференційних максимумів зі збільшенням енергії інжектованих електронів показав, що вони повинні зміщуватися у бік малих магнітних полів, а не прямувати за лінією ЕФ у бік великих магнітних полів, як спостерігається в експерименті.

У підрозділі 6.6 доводиться існування дифракції електронного потоку через мікроконтакт. Відомо, що дифракційні явища виникають у тих випадках, коли хвильовий потік зустрічає на своєму шляху перешкоду чи отвір, що дає крайове розсіювання, причому розмір отвору може бути помітно більшим довжини хвилі. Оскільки у вісмуті довжина хвилі електронів у напрямку осі має величину Е, явища дифракції електронів у мікроконтакті можна очікувати, навіть якщо розмір останнього становить декілька мікронів. Хвилі, що вийшли з отвору під різними кутами, набувають зміщення по фазі.

Розподіл інтенсивності розсіяних отвором хвиль у залежності від кута розсіювання , який відлічується від осі отвору, визначається рівнянням ( - порядок дифракції). У методі ЕФ балістичний транспорт електронів на циклотронній траєкторії зберігає неоднорідний кутовий розподіл дифрагованих електронів, що виявляється на фоні лінії ЕФ у вигляді додаткових максимумів. Зазначене рівняння у поєднанні з умовою спостерігання ЕФ, записаною через кут , , визначає положення дифракційних максимумів на шкалі магнітних полів відносно величини :

. (5)

Нами побудовані криві, що описують зв'язок і при різних значеннях згідно за (5).

Проаналізувавши усі експериментальні дані, в яких спостерігалися піки тонкої структури лінії ЕФ при невеликих емітерних струмах, ми встановили, що завжди вдається вибрати такі значення , при яких піки, що спостерігаються, укладаються в єдину серію з наростаючими значеннями (крім лише області в безпосередній близькості до максимуму основної лінії ЕФ, де на фоні крутого підйому піки тонкої структури не помітні).

Значення складають, як правило, кілька одиниць (менш ніж 10). Побудова розрахованих залежностей положення піків від енергії електронів показала їх добре узгодження з експериментальними спостереженнями. Таким чином, явище дифракції виявилося найбільш імовірним поясненням природи піків тонкої структури лінії ЕФ при невеликих емітерних струмах і цілком адекватно описує їх положення і зміщення за полем при зміні енергії інжектованих у кристал електронів.

ВИСНОВКИ

У дисертації вивчені можливості методу фокусування електронів провідності поперечним магнітним полем для дослідження процесів релаксації та взаємодії електронів як у мікроконтактах, так і на балістичній траєкторії, а також процесів взаємодії в електронних потоках. Проведені дослідження на монокристалах вісмуту виявили цілий ряд нових явищ в електронній кінетиці.

Основні результати дисертації отримані вперше, мають фундаментальний характер і можуть служити надійною експериментальною базою для подальшого розвитку теорії релаксаційних явищ у металах в умовах сильної нерівноважності носіїв заряду. Серед пріоритетних результатів, що виносяться на захист, принциповий характер мають наступні:

1. Розтікання потоків електронів поблизу мікроконтакта, що інжектує електрони, у кристалі вісмуту має сильно виражений анізотропний характер: електронні потоки високої щільності спостерігаються в напрямках, що задаються циліндричними ділянками поверхні Фермі вісмуту.

2. При відбитті слабко нерівноважних електронів провідності від поверхні кристала вісмуту поряд із внутрідолинним розсіюванням при гелійових температурах мають місце міждолинні переходи, що можуть бути скорельованими або хаотичними. Висока дзеркальність поверхневого відбиття на досконалій поверхні вісмуту обумовлена домінуючою роллю внутрідолинних переходів, а імовірність дифузного розсіювання як для внутрідолинного, так і міждолинного каналів приблизно однакова.

3. Надлишкова енергія електронів у потоці, що виходить з області мікроконтакта, менша ніж значення , що задається прикладеною до мікроконтакта напругою . Причиною цього є сильна енергетична релаксація електронів у мікроконтакті за рахунок електрон-фононної взаємодії. Нерівноважні фонони ефективно залишають область мікроконтакта без реабсорбції надлишкової енергії електронами, завдяки чому відсутній помітний перегрів фононної системи в області мікроконтакта на поверхні кристала

4. Час електрон-фононної релаксації в кристалі вісмуту змінюється в широкому інтервалі надлишкової енергії електронів відповідно до співвідношення , що встановлено прямим методом за допомогою аналізу залежності амплітуди піка електронного фокусування від струму через мікроконтакт.

5. Провідність мікроконтакта на вісмуті при великих струмах і прикладених напругах ( мВ) визначається додатковим внеском міжзонного тунелювання і градієнта потенціалу, що приводить до зміни концентрації носіїв заряду в області мікроконтакта і появи нелінійності вольт-амперної характеристики самого мікроконтакта.

6. Поверхневе відбиття “енергізованих” електронів супроводжується деякою втратою їх надлишкової енергії, що встановлено аналізом відносного положення перших двох ліній електронного фокусування на шкалі магнітних полів при зміні надлишкової енергії електронів.

7. Опір приповерхневого шару кристала вісмуту в умовах скінування постійного струму змінюється лінійно за магнітним полем у випадку як дзеркального, так і дифузного характеру відбиття електронів провідності від поверхні. Це означає, що ефективна довжина вільного пробігу електронів у сильному магнітному полі в приповерхневому шарі кристала залишається порядку об'ємної довжини вільного пробігу в нульовому магнітному полі при будь-якому ступені дзеркальності поверхневого відбиття.

8. При протіканні через мікроконтакт струму, що відповідає надлишковій енергії електронів, яка помітно перевищує дебайову енергію (тобто за сильної “енергізації” інжектованих електронів), виникає випромінювання фононів з виділеними значеннями частот. У фононному спектрі частоти відповідають точкам з високою щільністю фононів. Основну групу нерівноважних фононів, що випромінюються, складають високоенергетичні подовжні оптичні фонони, які не мають дисперсії. Електронне фокусування дозволяє здійснювати “циклотронну спектроскопію” електрон-фононної релаксації в мікроконтакті.

9. Потік електронів провідності через мікроконтакт створює в кристалі вісмуту явище квантово-інтерференційної природи - дифракцію електронного пучка на отворі (мікроконтакті). Неоднорідний кутовий розподіл дифрагованих електронів щодо осі мікроконтакта в методі електронного фокусування перетворюється у додаткові регулярні піки на фоні першої лінії електронного фокусування при записі сигналу на колекторі як функції величини магнітного поля. Аналіз положення і зміщення піків при зміненні енергії електронів дозволив аналітично обґрунтувати і зв'язати появу цих піків на висхідній гілці лінії ЕФ з явищем дифракції.

електрон кристал вісмут дифракція

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Андрієвський В.В. Дослідження процесів релаксації та взаємодії електронів у мікроконтактах і кристалах вісмуту методом фокусування електронів провідності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07-фізика твердого тіла.- Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, 2004, Харків, Україна.

Представлено результати експериментальних досліджень процесів релаксації та взаємодії нерівноважних електронів провідності як у самому мікроконтакті зі струмом, так і на циклотронній траєкторії, а також на поверхні кристала вісмуту. Базовою експериментальною методикою було фокусування електронів провідності в металах поперечним магнітним полем. Використання напруги постійного струму в якості додаткового параметра надало можливість змінювати енергію інжектованих у кристал електронів у широких межах.

Виявлено, що розтікання потоку електронів у вісмуті має сильно виражений анізотропний характер, який проявляється навіть у відсутності зовнішнього магнітного поля. Цей ефект обумовлений наявністю на поверхні Фермі електронів протяжних ділянок, які мають нульову гауссову кривину. Встановлено, що міждолинне поверхневе розсіювання електронів від тригональної грані кристала вісмуту є переважно хаотичним. Показано, що поблизу цієї грані у вісмуті в сильному магнітному полі, яке паралельне поверхні, формується шар з високою провідністю в разі як дзеркального, так і дифузного відбиття електронів від поверхні. Встановлено, що надлишкова енергія інжектованих у кристал електронів менша, ніж це обумовлено прикладеною до мікроконтакта напругою, через часткову їх енергетичну релаксацію в мікроконтакті. Визначено, що час електрон-фононної релаксації в кристалі вісмуту змінюється обернено пропорційно квадрату надлишкової енергії у широкому інтервалі енергій. Виявлено існування каналів непружного поверхневого розсіювання нерівноважних електронів у вісмуті. Запропоновано та реалізовано метод “циклотронної спектроскопії” електрон-фононної релаксації в мікроконтакті. Показано, що протікання електронів крізь мікроконтакт малого розміру створює в кристалі вісмуту умови для спостереження за допомогою поперечного електронного фокусування явищ квантово-інтерференційної природи: дифракція та інтерференція.

Узагальнення усієї сукупності отриманих даних підтверджує ефективність методу поперечного електронного фокусування для вивчення процесів релаксації та взаємодії нерівноважних електронів у металах.

Ключові слова: вісмут, магнітне поле, фокусування електронів, нерівноважні електрони, мікроконтакт, “циклотронна спектроскопія”, електрон-фононна релаксація, дифракція електронів у мікроконтакті.

АННОТАЦИЯ

Андриевский В.В. Исследование процессов релаксации и взаимодействия электронов в микроконтактах и кристалле висмута методом поперечной электронной фокусировки.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07. - физика твердого тела. - Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины, 2004, Харьков, Украина.

В диссертации представлены результаты экспериментальных исследований процессов релаксации и взаимодействия неравновесных электронов проводимости в висмуте как непосредственно в микроконтакте с током, так и на циклотронной траектории, а также на поверхности кристалла. В качестве базовой экспериментальной методики применялась фокусировка электронов проводимости в металлах поперечным магнитным молем. Использование в качестве дополнительного параметра напряжения на микроконтакте, служащем эмиттером, позволило изменять в широком интервале энергию инжектированных в кристалл электронов.

Показано, что возможности поперечной электронной фокусировки (ЭФ) не ограничиваются задачами изучения взаимодействия электронов проводимости с поверхностью кристалла, а позволяют также выявить различные особенности кинетики и динамики электронов проводимости в кристалле и микроконтактах, в частности, поведение электронов, имеющих избыточную энергию выше фермиевской. В методе поперечной ЭФ инжектируемые в кристалл электроны совершают циклотронное движение и создают на поверхности кристалла распределение потенциала, измеряемого с помощью второго микроконтакта (коллектора). На записи магнитополевого изменения потенциала на коллекторе на фоне монотонного хода проявляются пики электронной фокусировки характерной формы. Магнитное поле, отвечающее первому максимуму, определяется расстоянием L между эмиттером и коллектором и квазиимпульсом электронов, т.е. его энергией. Следовательно, шкалу магнитных полей в электронной фокусировке можно преобразовать для заданного значения L в шкалу избыточных энергий электронов. Это неоднократно использовалось в выполненном исследовании.

Экспериментально впервые обнаружено, что растекание потоков электронов от микроконтакта с током в кристалле Bi имеет сильно выраженный анизотропный характер: интенсивные потоки электронов высокой плотности наблюдаются в направлениях, задаваемых линиями нулевой гауссовой кривизны на поверхности Ферми (цилиндрическими участками электронных эллипсоидов).

В работе выполнено детальное исследование внутридолинных и междолинных переходов при отражении фермиевских электронов проводимости от тригональной грани кристалла висмута при гелиевых температурах. Установлено, что вероятность коррелированных междолинных процессов мала (~0,02) и междолинное рассеяние является преимущественно хаотическим. Определена полная вероятность междолинных переходов (~0,1).

Экспериментально установлено, что избыточная энергия электронов в потоке, выходящем из области микроконтакта, меньше значения, задаваемого приложенным к микроконтакту напряжением, причиной чего является сильная энергетическая релаксация электронов в микроконтакте вследствие электрон-фононного взаимодействия. Неравновесные фононы эффективно покидают область микроконтакта без реабсорбции избыточной энергии электронами, благодаря чему отсутствует заметный перегрев фононной системы в области микроконтакта на поверхности кристалла висмута.

Экспериментально обнаружено, что время электрон-фононной релаксации в кристалле Bi изменяется в широком интервале энергий обратно пропорционально квадрату избыточной энергии. Это впервые установлено прямым методом путем анализа зависимости амплитуды пика ЭФ от напряжения на микроконтакте.

Обнаруженная нелинейность вольтамперной характеристики висмутового микроконтакта в области больших приложенных напряжений ( mV) объяснена изменением концентрации носителей заряда в области микроконтакта под влиянием градиента распределения потенциала вдоль оси микроконтакта и эффектом межзонного туннелирования.

С помощью техники микроконтактов детально изучено проявление статического скин-эффекта в Bi при различной степени зеркальности поверхностного отражения электронов. Показано, что сопротивление приповерхностного слоя кристалла Bi в условиях скинирования постоянного тока изменяется линейно с магнитным полем в случае как зеркального, так и диффузного характера отражения электронов проводимости от поверхности. Это означает, что эффективная длина свободного пробега электронов в магнитном поле в приповерхностном слое остается порядка объемной длины свободного пробега электронов в нулевом магнитном поле при любой степени зеркальности поверхностного отражения.

Выполненный в работе анализ относительного положения первых двух линий ЭФ на шкале магнитных полей при изменении избыточной энергии электронов в Bi открыл новые возможности метода ЭФ, а именно: с его помощью оказалось возможным обнаружить и определить характер уменьшения избыточной энергии электронов при столкновении с поверхностью. Такой процесс при неупругом отражении электронов начинается уже при малых значениях избыточной энергии электронов (3-5мэВ) и, вероятно, сопровождается возбуждением поверхностных волн.

Впервые экспериментально обнаружено, что при протекании через микроконтакт тока, отвечающего избыточной энергии электронов, заметно превышающей дебаевскую, возникает излучение фононов с выделенными значениями частот. Основную группу излучаемых неравновесных фононов составляют высокоэнергетичные продольные оптические фононы, не обладающие дисперсией. Показано, что электронная фокусировка позволяет осуществлять “циклотронную спектроскопию” электрон-фононной релаксации в микроконтакте.

Впервые экспериментально показано, что поток электронов проводимости через микроконтакт создает в кристалле Bi явление квантово-интерференционной природы - дифракцию электронного пучка на отверстии (микроконтакте). В методе электронной фокусировки баллистический транспорт электронов на циклотронных траекториях сохраняет неоднородное угловое распределение дифрагированных электронов, которое проявляется на фоне линии фокусировки в виде дополнительных максимумов. Показано, что положение максимумов и их смещение по магнитному полю при изменении энергии электронов хорошо соответствуют теоретическим расчетам.

Ключевые слова: висмут, магнитное поле, фокусировка электронов в металлах, неравновесные электроны, микроконтакт, “циклотронная спектроскопия”, электрон-фононная релаксация, дифракция электронов в микроконтакте.

SUMMARY

Andrievskii V.V. Transverse electron focusing study on electron relaxation and interaction in the point contacts and in the bismuth crystal.-Manuscript.

Thesis for a doсtor's degree in Physics and Mathematics. Speciality 01.04.07-

Solid State Physics. B.I. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Science of Ukraine, 2004, Kharkov, Ukraine.

The experimental data on the processes of relaxation and interaction of conduction nonequilibrium electrons with current both within the point contact and on the cyclotron trajectory as well as on the Bi crystal surface are presented. The application of DC voltage as an additional variable parameter made it possible to vary the energy of injected electrons over a wide range.

It is found that the electron spreading in bismuth is of pronounced anisotropic behaviour which makes itself evident even with no external magnetic field and results from the existence of extended regions of zero gaussian curvature on the Fermi surface of electrons.

It is determined that the intervalley surface scattering of electrons by a trigonal face is mainly chaotic. It is shown than in a high magnetic field parallel to the Bi crystal surface a layer of high conductivity is formed near this face for both speculaг and diffusive reflections of electrons from the surface.

The excess energy of the injected-into-crystal electrons is found to be lower than the energy determined by the applied voltage. It is established that the electron-phonon relaxation time varies in inverse proportion to the square excess energy over a wide energy region.

Channels of inelastic surface scattering of nonequilibrium electrons are observed. A method of “cyclotron spectroscopy” of electron-phonon relaxation in the point-contact is proposed and realized. It is also shown that in some cases the electron flow through the point contact on the bismuth crystal may create conditions for observation of quantum interference-nature phenomena: diffraction and interference. Generalization of all the data obtained lends support for validity of the transverse electron focusing method in studying the processes of relaxation and interaction of nonequilibrium electrons in metals.

Keywords: bismuth, magnetic field, micro contact, transverse electron focusing, nonequilibrium electrons, “cyclotron spectroscopy”, electron-phonon relaxation, diffraction.

Размещено на Allbest.ru