Микроконтактная спектроскопия низкоразмерных соединений с волной зарядовой плотности

В последние годы заметно активизировались исследования физических свойств материалов с пониженной размерностью. Это связано, с одной стороны, с успехами современных технологий, позволяющих создавать объекты с одномерным, или близким к одномерному, электронным спектром. С другой стороны, интерес к данным системам обусловлен уникальностью физических свойств одномерных проводников, кардинально отличающихся от свойств массивных электронных систем. Как правило, материалы с одномерным или квазиодномерным электронным спектром отличаются значительной анизотропией кристаллической структуры.

Одним из ярких свойств металлов с цепочечной кристаллической структурой является возникновение при понижении температуры конденсированного электронного состояния — волны зарядовой плотности (ВЗП). Возможность фазового перехода в данное состояние в одномерных проводниках впервые была предсказана Пайерлсом [1]. Также как и в традиционных сверхпроводниках, определяющим в этом случае является электрон-фононное взаимодействие, и пайерлсов-ский переход сопровождается открытием энергетической щели в спектре одно-частичных возбуждений. ВЗП может перемещаться и, соответственно, переносить заряд. Одним из наиболее интересных свойств пайерлсовских проводников является возможность коллективного вклада ВЗП в проводимость. В течении долгого времени транспортные свойства ВЗП изучались в русле идеи Фрелиха [2] о возможности бездиссипативного вклада ВЗП в электрический транспорт. Однако, «фрелиховская» проводимость не была обнаружена экспериментально, как оказалось, благодаря пиннингу ВЗП на примесях и неоднородностях кристаллической структуры, и для инициирования движения ВЗП требуется приложить конечное электрическое поле.

Квазиодномерные проводники с ВЗП вот уже более 30 лет постоянно находятся в фокусе теоретических и экспериментальных исследований, и многие макроскопические свойства данных систем можно считать достаточно хорошо изученными (см., например, обзоры [3−6]). Однако, в определении рядя параметров существует значительная неопределенность. Одним из таких параметров является энергетическая щель, Ар, в спектре одночастичных возбуждений ВЗП. Трудности с измерением Ар связаны прежде всего с очень специфической нитевидной формой монокристаллов соединений с ВЗП, что существенно затрудняет применение традиционных методов измерения: туннельной спектроскопии и оптических измерений. Отсутствует и технология напыления тонкопленочных образцов материалов с ВЗП. Также как и для сверхпроводников, в материалах с ВЗП энергетическая щель в спектре одночастичных возбуждений является важнейшим параметром для описания основного системы. Поэтому требуется развитие надежного метода спектроскопии энергетической щели соединений с ВЗП.

В настоящее время акцент исследований квазиодномерных материалов с ВЗП смещается в область изучения свойств данных систем на субмикронном и на-нометровом масштабе, а также мезоскопики ВЗП. Интерес к такого рода исследованиям обусловлен тем, что на масштабе характерных размеров, меньших длины корреляции ВЗП, возможно наблюдение новых интересных физических явлений. И действительно, в последнее время обнаружено более десятка разнообразных размерных эффектов в кинетике ВЗП, (смотри, например, обзор [7] и ссылки в нем).

С практической точки зрения нелинейные эффекты в электрическом транспорте ВЗП представляются наиболее интересными. Соответственно, установление и изучение факторов, определяющих данные нелинейные эффекты является одной из самых актуальных проблем. В рамках данной проблемы исследование взаимодействия ВЗП с примесями и дефектами кристаллической структуры является одной из важнейших задач. И здесь очень остро встает проблема локальности измерений. Современные технические средства литографии позволяют приготовить структуры с характерными продольными размерами до Ю-1 мкм. Однако, на таком масштабе все равно содержится несколько десятков периодов ВЗП. Представляется, что существенное понимание механизмов взаимодействия ВЗП с точечными дефектами и с другого рода локальными возмущениями может быть достигнуто при экспериментальном исследовании ВЗП на масштабе < 10″ «2 мкм.

Исследование ВЗП на мезоскопическом уровне позволяют надеяться на возможность наблюдения и изучение в пайерлсовских системах квантовых и когерентных явлений. В качестве примера одного из таких эффектов отметим эффект квантование магнитного потока в мезоскопическом кольце из ВЗП, предсказанный теоретически в работе [8] и обнаруженный экспериментально в работах [9, 10]. Отметим, что результаты работ настоящей диссертации позволили существенно продвинуться в понимании природы данного эффекта.

В настоящей диссертации приведены экспериментальные результаты исследования систем с ВЗП на локальном уровне, а также некоторые транспортные свойства одномерных проводников с ВЗП с неполной диэлектрилизацией электронного спектра в квантующих магнитных полях.

Целью диссертационной работы является получение новых знаний о природе пайерлсовского состояния. А именно: изучения новых физических явлений, возникающих при контакте материала с ВЗП с материалом с отличным от ВЗП основным состоянием (нормальным металлом, сверхпроводником), установление механизмов соответствующих взаимодействий, поиск и изучение возможных квантовых и когерентных эффектов в больших магнитных полях на основе экспериментального исследование электрофизических характеристик квазиодномерных проводников с ВЗП на локальном уровне.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Экспериментально изучено взаимодействие нормальных носителей с ВЗП на границе раздела 1Ч-ВЗП.

2. Измерена пайерлсовская энергетическая щель, ее температурная эволюции и анизотропия в соединениях К0.3М0О3 и МЬБез.

3. Приготовлены и измерены характеристики симметричных туннельных структур ВЗП-ВЗП и ВЗП-1-ВЗП.

4. Изучены свойства ВЗП в условиях сильной локальной деформации в материалах с полной диэлектрилизацией электронного спектра с помощью измерений характеристик микроконтактов ]Ч-ВЗП.

5. Измерены туннельные и транспортные характеристики соединений с ВЗП в больших магнитных полях.

В качестве основного метода исследований использовался метод микроконтактной спектроскопии, ранее широко применявшийся для исследования нормальных металлов и сверхпроводников. В настоящей работе данный метод впервые был применен к материалам, находящимся в пайерлсовском состоянии.

Микроконтактная спектроскопия, в силу своей специфики, является эффективным методом исследования как размерных, так и мезоскопических эффектов. Возможность изучения размерных эффектов определяется тем, что в основе данного метода положено локальное воздействие на исследуемую среду. То есть данный метод позволяет изучать свойства материала на характерных размерах порядка области возмущения среды, которая определяется размером микроконтакта и может варьироваться от ~ 1 до 103 нм. Применительно к соединениям с ВЗП, использование данного метода открывает также перспективу изучения локальных деформаций волны зарядовой плотности.

С другой стороны, микроконтактная спектроскопия является мощным инструментом исследования энергетического спектра электронной системы. Хорошо известны результаты применения данной методики при исследовании сверхпроводящих материалов [11], где были измерены и изучены особенности спектра электрон-фононного взаимодействия, энергетическая щель в спектре одночастичных возбуждений, андреевское отражение и эффект Джозефсона. Точечный контакт обладает направленностью и позволяет изучать анизотропные свойства материалов. Также как и сверхпроводимость, ВЗП является коллективным конденсированным электронным состоянием, поэтому можно ожидать обнаружения в пайерлсовских системах эффектов, аналогичных или близких к эффектам сверхпроводящих систем. Таким образом, можно надеяться, что применение метода микроконтактной спектроскопии откроет дополнительные возможности изучения квазиодномерных пайерлсовских проводников.

В качестве материалов для исследований были выбраны монокристаллы трех соединений: К0.3М0О3- МЬЭез и ТаБз. Данный выбор обусловлен тем, что отмеченные соединения являются наиболее яркими представителями материалов с цепочечной кристаллической структурой, в которых состояние с ВЗП при низких температурах надежно установлено.

Актуальность темы

.

Задачи, рассматриваемые в диссертации, представляют фундаментальный интерес, поскольку посвящены решению проблемы, которая в последние годы является одной из самых актуальных в современной физике конденсированного состояния. Эффекты зарядового и спинового упорядочения в сильно коррелированных электронных системах, вигнеровские кристаллы, частным случаем которых может считаться и волна зарядовой плотности (состояния с ВЗП), обнаруженные в ряде органических соединений являются темами, которые в настоящее время представляют предмет активных экспериментальных и теоретических исследований. Об этом свидетельствует и тот факт, что обсуждению именно данных проблем посвящаются специализированные международные научные конференции, такие как международная конференция по физике электронных кристаллов, проходящая в последнее время с периодичностью в три года. Значительное место уделяется физике квазиодномерных кристаллов с ВЗП на традиционной международной конференции по физике низких температур.

Научная новизна.

— Впервые экспериментально доказано существование не зеркального отражения нормальных носителей на границе раздела нормальный металл-ВЗП при энергиях инжектируемых из нормального металла носителей, меньших пай-ерлсовской энергетической щели.

— Экспериментально показана возможность спектроскопии пайерлсовской энергетической щели в соединениях с ВЗП с неполной диэлектрилизацией электронного спектра при измерении характеристик микроструктур нормальный металл-ВЗП. Впервые надежно измерены значения Ар и их температурные зависимости в соединении КГЬБез.

— Впервые исследован характер взаимодействия конденсата ВЗП со сверхпроводящим конденсатом. Обнаружен эффект подавление сверхпроводящего параметра порядка на границе раздела МЬ-МэБез.

— Впервые исследовано поведение ВЗП при больших плотностях транспортного тока. Показано, что существует критическая плотность тока, при превышении которой состояние с ВЗП разрушается.

— Впервые метод микроконтактной спектроскопии применен для исследования эффектов локальной деформации ВЗП и показано, что микроконтакт можно использовать как локальный зонд для исследования энергетической структуры ВЗП. Для материалов с ВЗП с полной диэлектризацией электронного спектра установлено, что в области микроконтакта, с размерами порядка его диаметра, под действием электрического поля происходит значительное изменение проводимости: экранирование внешнего электрического поля приводит к деформации ВЗП, сдвигу химического потенциала квазичастиц и изменению сопротивления микроконтакта. Определена температурные зависимости коэффициента экранирования и положения химического потенциала в К0.3М0О3.

— Впервые обнаружен эффект внутреннего межслоевого туннелирования в слоистом соединении с ВЗП №>8ез. Показано, что электрический транспорт поперек проводящих слоев соединения имеет туннельный характер. Сам процесс туннелирования является когерентный, с сохранением импульса туннелируемой частицы. Применение метода межслоевого туннелирования позволяет осуществить спектроскопию пайерлсовской энергетической щели, а также возможных внутрищелевых состояний.

— Впервые исследовано влияние магнитного поля на энергетическую щель и плотность состояний в №>8ез. Показано, что, по крайней мере, в области магнитных полей В < 10 Т магнитное поле не оказывает влияние на энергетическую щель и не изменяет концентрацию несконденсированных в ВЗП носителей, что указывает на неприменимость модели Балсейро-Фаликова.

— При детальном исследовании эффекта Холла в №>8ез было показано, что в слабых электрических полях (Е < Ег) постоянная Холла меняет знак при определенном значении магнитного поля, величина которого, в свою очередь, зависит от температуры. Сравнение результатов измерения эффекта Холла и магни-тосопротивления позволило установить существование качественного различии кинетических характеристик электронов и дырок в М)8е3.

— Впервые показано, что в больших магнитных полях коллективное движение ВЗП в №>8ез существенно изменяет напряжение Холла, причем ВЗП взаимодействует различным образом с электронами и дырками. Продемонстрирована возможность изучения с помощью эффекта Холла явлений статической деформации ВЗП в электрических полях, меньших порогового поля для скольжения ВЗП.

— При исследовании магнитотранспортных свойств 1ЧЬ8ез обнаружен размерный эффект отрицательного магнитосопротивления в слабых магнитных полях. Предложено объяснение, основанное на качественном изменении вклада рассеяния в магнитопроводимость при переходе через значение магнитного поля инверсии, то есть магнитного поля, при котором холловская постоянная равна нулю.

— Впервые исследована зависимость фазы осцилляций Шубникова-де Гааза от ориентации магнитного поля в монокристаллах 1МЪ8ез. Показана возможность использования полученных данных для определения формы поверхности Ферми.

Научная и практическая ценность.

Результаты исследований, проведенных в работе, имеют фундаментальный характер, поскольку вносят существенный вклад в понимание природы пайерлсов-ского состояния квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности.

Установленный в работе характер рассеяния нормальных носителей на границе раздела нормальный металл-ВЗП позволил предложить метод спектроскопии пайерлсовского параметра порядка. Были определены значения энергетических щелей и их температурные эволюции в ряде соединений с ВЗП.

Установленный в работе характер локальной деформации ВЗП сильным электрическим полем позволяет определить параметры экранирования ВЗП внешних возмущений, положение химического потенциала и его температурную зависимость. Показана возможность управления положения химическим потенциалом с помощью микроконтакта нормальный металл-ВЗП. Полученные результаты свидетельствуют о том, что микроконтакт может являться хорошим модельным объектом для изучения взаимодействия ВЗП с точечными дефектами.

Обнаруженный в работе эффект внутреннего межслоевого туннелирования в слоистых соединениях с ВЗП открывает новые возможности исследования пай-ерлсовских проводников. Появляется возможность спектроскопии как энергетической щели, так и возможных внутрищелевых состояний. Предложенная модель когерентного межслоевого туннелирования предполагает существование коррелированного состояния и несконденсированных в ВЗП носителей в №>8ез.

Результаты исследований транспортных свойств МЬБез в магнитных полях показали несостоятельность применения двузонной модели для описания кинетических свойств данного соединения в электрических полях, Е < Е{.

Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:

1) Установление характера взаимодействия нормальных носителей с ВЗП на границе раздела нормальный металл-ВЗП: доказательство существования не зеркального типа отражения инжектируемой из нормального металла частицы от барьера, обусловленного энергетической щелью ВЗП.

2) Спектроскопии пайерлсовской энергетической щели при измерении характеристик микроконтактов нормальный металл-ВЗП с неполной диэлектрилиза-цией электронного спектра. Результаты измерения энергетической щели и ее температурной эволюции в квазиодномерном проводнике с ВЗП 1ЧЬ8ез.

3) Установление эффекта подавления сверхпроводящего состояния вблизи границы раздела Б-ВЗП в результате экспериментальных исследований характера взаимодействия сверхпроводника (8) и ВЗП в микроконтактах КПэ-ТЧЬБез.

4) Установление характера зонных искажений в результате локальной деформации ВЗП сильным электрическим полем, создаваемым в области образования микроконтакта нормальный металл-ВЗП с полной диэлектрилизацией электронного спектра.

5) Модель упругой деформации ВЗП в условиях локализации деформирующего электрического поля на масштабе длин, меньших периода ВЗП. Определение положения химического потенциала и параметров экранирования внешних возмущений.

6) Экспериментальное наблюдение критической деформации и локального скольжения ВЗП вблизи микроконтакта нормальный металл-ВЗП. Обнаружение размерного эффекта в проскальзовании фазы ВЗП.

7) Обнаружение и объяснение эффекта внутреннего межслоевого туннелиро-вания в №>8ез. Модель когерентного, с сохранением импульса, туннелирования несконденсированных в ВЗП носителей.

8) Экспериментальная проверка модели Балсейро-Фаликова, предсказывающей стимулированную магнитным полем конденсацию носителей в ВЗП, при исследовании характеристик микроконтактов нормальный металл-ВЗП в магнитных полях.

9) Установление характерных особенностей проявления эффекта Холла в ЫЬБез в электрических полях, как ниже, так и выше значения порогового поля коллективного движения ВЗП. Обнаружение и объяснение размерного эффекта отрицательного магнитосопротивления в слабых магнитных полях в №>8ез. Обнаружение и объяснение зависимости фазы осцилляций Шубникова-де Гааза от направления магнитного поля в МЬБез.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях, семинарах:

XXXI совещании по физики низких температур (НТ-31, Москва, 1998 г.) (приглашенный доклад) — XXII Международной конференции по физике низких температур (ЬТ-22, Хельсинки, Финляндия 1999 г.) — 4-ой Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999 г.) (приглашенный доклад) — Международных конференциях по физике электронных кристаллов ЕСКУ8−99 (Ница, Франция, 1999 г.) — ЕСЯУ8−02 (Сан-Фло, Франция, 2002 г.) — ЕСЮ^-Об (Гарже, Франция, 2005 г.) — ЕС1Ж-08 (Гарже, Франция, 2008 г.) (приглашенный доклад) — Международном совещании по физике сильно-коррелированным электронным состояниям (Логхборо, Англия, 2002 г.) — Международной школе по физике джозефсоновских систем и квантовым точкам (Китен, Болгария, 2005 г.) — Международном совещании по последним достижениям в исследовании низкоразмерных проводников с волной зарядовой плотности (Шкрадин, Хорватия, 2006 г.) — международном симпозиуме Пьера Монсо (Гренобль, Франция, 2007) (приглашенный доклад) — Научных семинарах Института Радиотехники и Электроники РАН (Москва) — Научных семинарах Центра Исследований при Низких Температурах Национального Центра Научных Исследований Франции (СЯТВТ-СЖБ) (Гренобль, Франция).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 33 печатных работ, включая 25 статей в реферируемых журналах и 8 тезисов конференций, перечисленных в общем списке литературы под номерами: 99−105- 110−112- 114- 125- 135−139- 175−179- 184−186- 188−190- 193.

Структурно диссертация построена следующим образом. Первая глава является введением. Во второй главе описаны основные положения физики квазиодномерных проводников с ВЗП, описаны структурные и физические свойства исследуемых в работе соединений с ВЗП, дан анализ современного состояния туннельных и магнитных исследований ВЗП. Третья глава посвящена описанию экспериментальных методов приготовления и измерений образцов. В четвертой главе приводятся и обсуждаются результаты спектроскопии энергетической щели ВЗП в несимметричных туннельных структурах нормальный металл-ВЗП (1Ч-ВЗП). В пятой главе описаны свойства ВЗП при больших плотностях транспортного тока, и обсуждается проблема предельной скорости скольжения ВЗП. Шестая глава посвящена эффектам локальной деформации ВЗП вблизи микроконтакта с нормальным металлом. Седьмая глава посвящена изложению эффектов, наблюдаемых в симметричных туннельных структурах (ВЗП-ВЗП), включая внутреннее межслоевое туннелирование. В восьмой главе обсуждаются эффекты, наблюдаемые в квантующих магнитных полях в проводниках с ВЗП с неполной диэлектрилизацией электронного спектра. В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы.

8.6. Выводы.

Таким образом, в настоящей главе показано, что наложение магнитного поля не изменяет концентрации несконденсированных в ВЗП нормальных носителей в NbSe3, как это предсказывалось теорией Балсейро-Фаликова [68, 69].

Исследование угловых зависимостей осцилляций Шубникова-де Гааза позволили установить, что квазиимпульсы несконденсированных в ВЗП носителей в NbSe3 преимущественно ориентированы вдоль кристаллографической оси с, что, в принципе, объясняет причину коррелированного, с сохранением импульса, межслоевого туннелирования, наблюдаемого в данном соединении.

При детальном исследовании эффекта Холла в NbSe3 было показано, что в слабых электрических полях (Е < Et) постоянная Холла меняет знак при определенном значении магнитного поля, величина которого, в свою очередь, зависит от температуры. Сравнение результатов измерения эффекта Холла и магнитосо-противления указывает на то, что RXX (B) для л-типа проводимости качественно отличается от соответствующей зависимости для проводимости р-типа, что позволяет сделать вывод о качественно различии кинетических характеристик электронов и дырок в МэБез.

В слабых магнитных полях обнаружен размерный эффект отрицательного магнитосопротивления. Физическая природа эффекта обусловлена качественным изменением вклада поверхностного рассеяния в магнитопроводимость вблизи магнитного поля инверсии типа основных носителей.

Показано, что в больших магнитных полях коллективное движение ВЗП существенно изменяет напряжение Холла, причем ВЗП взаимодействует различным образом с электронами и дырками. Продемонстрирована возможность изучения динамических эффектов при скольжении ВЗП с помощью эффекта Холла.