Микроконтактная спектроскопия низкоразмерных соединений с волной зарядовой плотности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Синченко Александр Андреевич

МИКРОКОНТАКТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ г" "СОЕДИНЕНИЙ С ВОЛНОЙ ЗАРЯДОВОЙ ПЛОТНОСТИ

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва —2010 г.

004600836

004600836

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете "МИФИ"

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, профессор Гантмахер В. Ф.

доктор физико-математических наук, профессор Менушенков А. П.

доктор физико-математических наук, Зайцев-Зотов С. В.

Ведущая организация: Российский научный центр "Курчатовский институт"

Защита состоится 2010 г. в &0 мин. на заседании диссерта-

ционного совета Д 212.130.06 в Национальном исследовательском ядерном университете "МИФИ" по адресу: 115409 Москва, Каширское шоссе 31, тел. 32391-67,324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ"

Автореферат разослан 2010 г.

VI

Ученый секретарь ^

диссертационного совета I ,//^¿/7 В.П. Яковлев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. 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-фотонное 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. В тоже время, как и для сверхпроводников, данный параметр является определяющим при описании основного состояния ВЗП. 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). Исследование ВЗП на мезоскопическом уровне позволяют надеяться на возможность наблюдения и изучение в пайерлсовских системах квантовых и когерентных явлений.

В настоящей диссертации обсуждаются 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. 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.

Цель работы: Целью диссертационной работы является получение новых знаний о природе пайерлсовского состояния. А именно: изучение 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 №>5ез.

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

4. Изучены свойства ВЗП в условиях сильной локальной деформации в мате-

риалах с полной диэлектрилизацией электронного спектра с помощью измерений характеристик микроконтактов К-ВЗГТ.

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

В качестве основного метода исследований выбран метод микроконтактной спектроскопии, ранее широко применявшийся для исследования нормальных металлов и сверхпроводников. В настоящей работе данный метод впервые применяется 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, где были измерены и изучены особенности спектра электрон-фопонного взаимодействия, энергетическая щель в спектре одшга-стичных 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; ИЬБез и ТаБз. Данный выбор обусловлен тем, что отмеченные соединения являются наиболее яркими представителями материалов с цепочечной кристаллической структурой, в которых существование состояния с ВЗП при низких температурах надежно установлено.

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 пайерлсовской 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 МЬБез.

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

- 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 мгасроконтакт 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 №>Без. 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 Мгёез. 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 ЫЬБез было показано, что в

слабых электрических полях (Е < Е,) 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 Г^еэ.

- Впервые показано, что в больших магнитных полях коллективное движение ВЗП в ЫЬЗез 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 №>5ез обнаружен размерный эффект отрицательного магпитосопротивления 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 о'сцилляций Шубникова-де Гааза от ориентации магнитного поля в монокристаллах ЫЬБез. Показана возможность использования полученных данных для определения формы поверхности Ферми.

Научная и практическая цепность. Результаты исследований, проведенных в работе, имеют фундаментальный характер, поскольку вносят существенный вклад в понимание природы пайерлсовского 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 мнкроконтакта 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 внутршцелевых состояний. Предложенная модель когерентного межслоевого туннелирования предполагает существование коррелированного состояния и несконденсированных в ВЗП носителей в МЬБез.

Результата исследований транспортных свойств МЬБез в магнитных полях показали несостоятельность применения двузонной модели для описания кинетических свойств данного соединения в электрических полях, £ <

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 диэлехтрилиза-цией электронного спектра. Результаты измерения энергетической щели и ее температурной эволюции в квазиодномерном проводнике с ВЗП Мгёез.

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

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 туннелирования в 1ЧЬ5ез. 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 маг-

1штных полях.

9) Установление характерных особенностей проявления эффекта Холла в №>Без в электрических полях, как ниже, так и выше значения порогового поля коллективного движения ВЗП. Обнаружение и объяснение размерного эффекта отрицательного магнитосопротивлення в слабых магнитных полях в ИЬЗез. Обнаружение и объяснение зависимости фазы осцилляции Шубникова-де Гааза от направления магнитного поля в М)5ез.

Авторский вклад. Все выносимые на защиту результаты диссертационной работы получены лично автором, или при его непосредственном участии.

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); ХХП Международной конференции то физике низких температур (11-22, Хельсинки, Финляндия 1999 г.); 4-ой Российской конференции по физике полупроводников (Новосибирск, 1999 г.) (приглашенный доклад); Международных конференциях по физике электронных кристаллов ЕСИУ5-99 (Ница, Франция, 1999 г.); ЕСЮГС-02 (Сан-Фло, Франция, 2002 г.); ЕСЯУ5-05 (Гарже, Франция, 2005 г.); ЕСКУЗ-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 Электропики РАН (Москва); Научных семинарах Центра Исследований при Низких Температурах Национального Центра Научных Исследований Франции (СИТВТ-СШБХГренобль, Франция).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 33 печатных работ, включая 25 статей в журналах, включенных ВАК РФ в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий и 8 тезисов конференций. Перечень основных публикаций приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 9 глав, в том числе Введения и Заключения, изложена на 182 страницах, включая 99 рисунков, 1 таблицу и библиографию из 206 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение содержит краткий обзор современных проблем изучения материалов с ВЗП. В нем обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертации. Перечислены основные результаты и положения, выносимые на защиту. Даны аннотации содержания глав диссертации.

В Главе 2 перечислены основные свойства и характеристики известных в настоящее время материалов с ВЗП. Проведен анализ публикаций, посвященных туннельной спектроскопии соединений с ВЗП, изучению контактных явлений и влияния магнитного поля на свойства ВЗП. На основании изложенного в настоящей главе сформулированы основные задачи диссертационной работы.

В третьей главе описываются экспериментальные методы, используемые в диссертации. В первом разделе главы изложены физических основы метода микроконтактной спектроскопии. Проанализированы особенности применения данного метода при исследования нормальных металлов, полупроводников и сверхпроводников. Сделан вывод о том, что в микроконтактах с соединениями с ВЗП можно ожидать проявление особенностей, характерных как для нормальных металлов, так и для полупроводников и сверхпроводников.

Во втором разделе главы дается описание экспериментальных стендов для измерения температурных зависимостей сопротивления, для прецизионного образования и измерения характеристик микроконтактов и для измерения магни-тотранспортных характеристик.

Третий раздел главы посвящен методам отбора и приготовления образцов. В настоящей работе исследовались монокристаллы "голубой"бронзы К0.3М0О3, КЬБез и ТаЭз. Кристаллы К0.3М0О3 отличались объемностью формы с линейными размерами до нескольких миллиметров вдоль цепочек и с размером поперечного сечения 103 —104 мкм2. Монокристаллы №>5ез и Та5з имели форму тонких вискеров длиной (вдоль цепочек) до нескольких мм, шириной 1-100 мкм и толщиной 0.1-50 мкм. Для измерений отбирались только высококачественные кристаллы, имеющие совершенные ростовые поверхности. Для приготовления электрических контактов использовались как метод напыления (термического или лазерного) нормального металла, как правило Аи, так и метод "холодной"пайки контактов из 1п.

Для исследования процессов на границе раздела №ВЗП использовалась экспериментальная схема измерений, в основу которой положен одноконтактный метод исследования эффекта андреевского отражения в сверхпроводниках [8]. Приготовлялись гетероструктуры Аи-Ко.зМоОз. Золотое покрытие наносилось

методом лазерного напыления. Толщина слоев для разных образцов составляла 50 и 100 нм, что меньше или порядка величины длины свободного пробега в золоте при =77 К.

Для экспериментального изучения характера проводимости слоистых образцов в направлении перпендикулярном слоям приготавливались мезоструктуры специальной формы методом микротравления в фокусированных ионных пучках (ИВ).

Для измерения магнитотранспортных характеристик использовалась шестиконтактная холловская конфигурация образцов. Образцы данного типа готовились двумя методами. В первом случае холловскпе контакты, шириной ~ 20 мкм, попарно наносились методом лазерного напыления на малые участки (< 5 мкм) противоположных граней монокристалла Ш^ез. Во втором случае вся структура, включая контакты, готовилась из одного и того же монокристалла методом электронной литографии в институте Нееля (Гренобль, Франция).

Четвертая глава посвящена микроконтактной спектроскопии (Ы-ВЗП) пай-ер лсовской энергетической щели в соединениях с ВЗП. Данные результаты были получены в соавторстве с П. Монсо, Ю.И. Латышевым, С.Г. Зыбцевым и И.Г. Горловой. Личный вклад автора состоял в разработке геометрии измерений, непосредственном проведении экспериментов и в интерпретации полученных данных.

Корректная интерпретация экспериментальных результатов таких исследований требует знания характера взаимодействия инжектируемых из нормального металла носителей с ВЗП. К моменту начала исследований данная проблема не была решена ни экспериментально, ни теоретически. Поэтому первый этап работы был посвящен решению данной задачи. В экспериментальной геометрии для исследования андреевского отражения в сверхпроводниках были измерены дифференциальные ВАХ гетероструктур Аи-Аи-Ко.зМоОз при Г = 77 К. Выше температуры Тр = 183 К точечно-контактные спектры являлись симметричными и имели омический характер. Картина качественно изменялась при понижении температуры ниже Гр К, где при малых напряжениях смещения на зависимостях /{¿(У) наблюдались минимум при V = 0 и максимумы при | еУ0 50 мэВ, хорошо согласующемся с величиной пайерлсовской щели в "голубых"бронзах, известной из литературы [9]. Пример дифференциальной ВАХ точечного контакта показан на рис. 1.

Положение и относительная амплитуда данных особенностей не зависит от абсолютной величины сопротивления контактов при #¿(0) > 50 Ом. Было показано, что наблюдаемые нелинейности могут быть связаны только с рас-

1.02

■а

«I

1.01

ой

0.99

1 I 1 1 Г ■ Рони-саа^а Аи-(Аа-КозМоОэ) Т-77К

J_L

-150 -100 -50 0 50 100 150 V (тУ)

Рис. 1: Зависимость точечного контакта Аи-Аи-Ко.зМоОз при Г = 77 К.

сеянием носителей на границе И-ВЗП, имевшем вид отражения на N-8311 границе нормальных носители и возвращении их обратно через точечный контакт, что и приводило к появлению избыточного сопротивления контакта. Наблюдаемые зависимости оказалось невозможным объяснить в рамках тривиальной модели зеркального отражения. Как видно из рис.2, где схематично показаны возможные процессы отражения на границе раздела ЬТ-ВЗП, при зеркальном отражении избьпочное сопротивление должно иметь форму "меандра". Возникновение же максимумов на является однозначным доказательством существования "не зеркальных"траекторий отражения. Существование "не зеркальных"возвратных траекторий предсказывается в рамках двух теоретических моделей: модели, предполагающей передачу импульса инжектируемой из нормального металла частицы в конденсат ВЗП [10] и модели [11], которая приводит к аналогичному результату, так как предсказывает существование брэгговских "возвратных"траекторий, также отличных от зеркальных. Экспериментальные результаты доказывают нетривиальность взаимодействия инжектируемых из нормального металла носителей с ВЗП при энергии налетающих частиц, Е < Ар. Характер данного взаимодействия позволяет использовать микроконтакт К-ВЗП для спектроскопии пайерлсовской энергетической щели в материалах с неполной диэлектрилизацией электронного спектра в пайерлсов-ском состоянии, где в отличии от полупроводников не возникает значительных зонных искажений вблизи контакта с нормальным металлом. Примером такого соединения является МЪБез.

К моменту начала исследований не существовало надежный экспериментальных данных измерения значения и поведения пайерлсовской энергетической ще-

"Необычное" отражение

ЗсркалыкХ. ^ отражение \

CDW

К-

I Направление \ цепочек

е-Н пара

^"Необычное" отражение

" - Зеркальное отражение

еУ1&

Рис. 2: Слева - схема структуры N-N-1330, где сплошными линиями показаны траектории инжектируемых и зеркально отраженных частиц, а пунктирная линия показывает возможное не зеркальное отражение. Справа - качественный вид соответствующей динамической вольт-амгерной характеристики.

ли в данном материале. Главным образом, это связано с чрезвычайно малой толщиной и нитевидной формой кристаллов, что затрудняет применение стандартных туннельных схем, в том числе и формирование точечных контактов, при их ориентации вдоль цепочек ВЗП. Поэтому в качестве нормального электрода мы использовали тонкую золотую фольгу, шириной 50 мкм толщиной 4 мкм. Условия баллистического режима контакта, как оказалось, не нарушались в этом случае. Были измерены характеристики микроконтактов К-ВЗП для трех основных кристаллографических направлений. Во всех случаях в области напряжений <100 мВ наблюдалось избыточное, по сравнению с сопротивление

с максимумом при V = 0. Причем данный максимум является двухступенчатым. Мы связываем такую "двухступенчатость"зависимости с проявлением двух пайерлсовских энергетических щелей, соответствующих двум ВЗП, существующим в данном соединении при Г < 59 К. Начало первой ступени избыточного сопротивления имеет место при |И| »75-80 мВ для ориентации контактов вдоль Ь оси, 85-95 мВ для с оси и 65-80 мВ для а"-оси. Начало второй ступени приходится на напряжение смещения «28-34; 24-30 и 24-30 мВ соответственно для контактов, ориентированных вдоль Ь\ с и а*-осей. Относительная амплитуда избыточного сопротивления при нулевом напряжении смещения, Ка(0)/Л^(0), изменялась в пределах 3.5-9.5 для контактов, ориентированных вдоль я* и ¿-осей и 1.4-2.7 вдоль с-оси. Пример нормированной дифференциальной ВАХ контакта, ориентированного вдоль оси а* показан на рис.3.

Наблюдаемые щелевые особенностей на характеристиках микроконтактов ЬГ-ЛЬБез есть результат отражения инжектируемых из нормального металла носителей на барьере, обусловленном пайерлсовской энергетической щелью, и их

Рис. 3: Зависимости Rd{V)/RdN{V) при Т =3.8 К контакта Au - NbSe3 ориентированного вдоль оси а*. Пунктирная кривая есть расчетная кривая с подгоночными параметрами Др1 =65.0 мВ и Др2 =24.5 мВ.

невозможно интерпретировать как классическое туннелирование в системе типа N-1-ВЗП. На характеристиках всех исследованных контактов наблюдались особенности при напряжениях Ар\/е и Д^/е, что указывает на то, что первый и второй пайерлсовские переходы в NbSe3 происходят на разных типах цепочек. В этом случае возможно рассмотрение точечного контакта, в рамках квантовоме-ханической задачи о рассеянии частицы на потенциальном барьере в виде ступеньки, высотой Др. Пунктирная кривая на рис.3 получена путем расчета ВАХ с параметрами Api = 65.0 мэВ and Ар2 — 24.5 мэВ. Видно, что при хорошем совпадении положения ступенек избыточного сопротивления, качественный вид расчетной и экспериментальной кривых различается. Экспериментальные кривые качественно согласуются с результатами расчета плотности состояний, полученными для NbSe3 в работе [12] в предположении реализации двумерного характера электронного спектра в данном соединении.

Были определены температурные зависимости первой и второй пайерлсов-ских энергетических щелей (рис.4 и 5). Пунктирные кривые есть известная зависимость А (Г) в теории БКШ. Видно, что экспериментальные значения хорошо согласуются с теорией. Данное согласие представляется весьма необычным, так как отношение 2Др/квТр ~ 6 - 8 вместо 3.52, как должно было бы следовать из теории среднего поля.

Использовав в качестве контрэлектрода в микроконтакте с ВЗП сверхпроводящий металл, удалось изучить характер взаимодействия сверхпроводящего конденсата с конденсатом ВЗП. В качестве сверхпроводящего электрода использо-

Рис. 4: Температурная зависимость низкотемпературной энергетической щели ВЗП в МЬЭез полученные при исследовании различных контактов, а) низкотемпературная ВЗП; Ь) высокотемпературная ВЗП. Пунктирная кривая соответствует зависимости Д (7) в теории БКШ. Различные символы на рисунке соответствуют различным точечным контактам.

Рис. 5: То же для высокотемпературной энергетической щели ВЗП в МЬБез Пунктирная кривая соответствует зависимости А (Г) в теории БКШ.

валась тонкая фольга из Nb, толщиной 5 мкм и шириной 200 мкм. В качестве электрода ВЗП был выбран NbSe3. Использование NbSe3 в данном случае имеет очевидные преимущества, связанные с наличием в данном соединении нормальных носителей в пайерлсовском состоянии. Тогда наблюдение при температуре ниже критической температуры сверхпроводящего перехода, Тс, андреевского отражения [13] от несконденсированных в ВЗП носителей будет прямым указанием качества границы СП-ВЗП. Также как и в случае N-ВЗП контактов, ВАХ исследованных контактов СП-ВЗП характеризовались двухступенчатым максимумом избыточного сопротивления, что не является удивительным, поскольку при V > As/e (Ai - энергетическая щель сверхпроводника) контакт СП-ВЗП ничем не отличается от контакта N-ВЗП.

На всех исследованных контактах, при температуре Т < Тс, наблюдались особенности при |V| ~ 1.5 mV в виде локальных минимумов дифференциального сопротивления, соответствующие сверхпроводящей энергетической щели Nb. Анализ полученных спектров в рамках модели БТК [14] позволил получить следующую физическую картину конверсии сверхпроводящего тока в ток ВЗП на границе Nb-NbSe3. Если напряжение на контакте V < A¡/e, преобразование тока проходит путем андреевского отражения не сконденсированных в ВЗП

носителей. При V > As/e, в следствии неравновесного эффекта, сверхпроводимость вблизи границы раздела СП-ВЗП подавляется и преобразование тока идет таким же образом, как на контакте N-ВЗП. Иначе говоря, так как прямая конверсия тока из сверхпроводника в ВЗП невозможна, на границе СП-ВЗП образуется буферный слой нормального металла обеспечивающий преобразование тока как в СП, так и в ВЗП, то есть имеет место своего рода эффект близости.

В пятой главе описываются результаты исследования состояний с ВЗП при больших плотностях тока. Измерения транспортных свойств ВЗП до последнего времени показывали, что в больших электрических полях проводимость ВЗП асимптотически стремится к проводимости материала в нормальном состоянии и, при этом, никогда ее не достигая [3]. Естественно возникающая гипотеза о возможном подавлении ВЗП при больших плотностях тока не находила подтверждения в экспериментах по рентгено-структурному анализу ВЗП в динамическом режиме и по измерению узкополосной генерации при больших плотностях тока j (до ~ 104 A/cm2). В таких условиях не было обнаружено и уменьшения концентрации конденсированных в ВЗП носителей. С другой стороны очевидно, что скорость ВЗП не может возрастать неограниченно. Представлялось интересным найти это ограничение и установить его физические причины.

Поскольку в микроконтакте электрическое поле локализовано в малой области, размер которой определяется эффективным диаметром контакта, который может варьироваться от 10 до 104 А, удается достигать очень больших плотностей тока без существенного разогрева материала.

Первое указание на существование критического тока скольжения ВЗП было получено в экспериментах с гетероструктурами Аи-(Аи-Ко.зМоОз). В ходе экспериментов наблюдался необычный эффект: при уменьшении сопротивления точечных контактов Au-Au ниже Rjo = 40 -j- 50 Ом, положение особенностей при напряжении Ifo, соответствующих пайерлсовской энергетической щели К0.3М0О3, которую мы определяем как расстояние между максимумами Rj, начинало заметно смещаться в область меньших напряжений смещения. При Rd > Rjo значение щели не изменялось и составляло 2АР да 100 мэВ. Причиной уменьшения Ар при изменении сопротивления контакта может быть подавление щели вследствие увеличении плотности тока через N-ВЗП-границу. В нашем случае для всех контактов d А, где d - диаметр контакта, a h - толщина золотой пленки. Считая, что инжекция происходит изотропно через точечный источник, для оценки плотности тока через N-ВЗП-границу имеем:

о -1-1-г-1-.-

» 2 4 6

¡, 101 А/см2

Рис. 6: Зависимость напряжения 2Уа от плотности тока 3 через И-ВЗП-граииду при нормальной инасекции квазичастиц (• - й=50 нм; о - Л=100 нм) при =77 К. Ориентация точечных контактов вдоль цепочек.

где I - полный ток через контакт. На рис.б показана зависимость величины напряжения 2Ц) (оно не равно равновесному значению 2Ар/е) от параметра //А2, пропорционального плотности тока через границу, для образцов с толщиной нормального слоя ё = 50 и 100 нм. Видно, что данная зависимость носит ярко выраженный пороговый характер, и практически не зависит от 7 до некоторого критического значения плотности тока через И-ВЗЛ-границу ]с = 4.8 х 107 А/см2, при котором происходит резкое уменьшение значения У0> что соответствует подавлению пайерлсовской щели.

Поскольку в точечном контакте электрическое поле локализовано на характерном масштабе, порядка й, то исследование микроконтакта ВЗП-ВЗП эквивалентно исследованию образца ВЗП длиной П. Существование процесса скольжения ВЗП можно будет в этом случае идентифицировать по характерному виду ВАХ такой структуры. Бьши исследованы характеристики точечных контактов Мгёез-КЬБез образованных непосредственно при низкой температуре таким образом, что протекание тока происходило вдоль оси Ь. На рис.7 показаны зависимости дифференциального сопротивления контактов от трапспортного тока, трех различных точечных контактов М^з-ДО^ез при Т~11 К. При увеличении тока вначале резко уменьшается и насыщается при больших токах, демонстрируя поведение, типичное для скольжения ВЗП. При больших токах

соо

* 350

20«

110 КО

1 ' 1 1 1 1 ' 1

, г

Г , г

| ^ 'I | 1 | [

I (m А)

Û à »

:

■ ' i ïtmjiî?

. к»»' □ *

• о

O-O.li IV/cm

• -0.<2 iV/cm □-Ï.JI tV/cm ■ -J.il IV/tm ù-UOkYJcB

* - 3.90 IV/cm О • 4.70 kV/crc

200 тд

Рис. 7: Зависимости дифференциального сопротивления от тока, точечных контактов МЪ5ез-МЪ5ез при Т = 77 К. Стрелками похазаны значения /о- На вставке показана конфигурация точечных контактов.

Рис. 8: Проводимость ТаЭз как функция температуры при различных значениях плотности тока через образец. Пунктирня кривая - проводимость Та5з в слабых полях {Е < 0.1 В/см).

R<i приближалось к сопротивлению, которое наблюдалось бы в отсутствии пай-ерлсовского перехода [3]. В этой области практически для всех исследованных контактов мы наблюдали резкое (часто скачкообразное) уменьшение дифференциального сопротивления при значении тока Iq. При токах выше Iq наблюдается слабый рост сопротивления с током - поведение, характерное для металла. Мы не смогли измерить зависимости Rd(I) далеко за пределами Iq, так как в этой области очень резко возрастали шумы, и контакты становились крайне нестабильными.

Значение 1 w jnd2/4, где j есть плотность тока, а диаметр точечного контакта может быть оценен из формулы R = ^ с заменой R^ на Rjs - сопротивление насыщения, то есть значение Rj при больших токах. Принимая р = 3 • Ю-4 î2cm и /=100 нм, получаем оценку средней величины критической плотности тока jo = 6 • 107 А/см2.

Для наиболее стабильных контактов NbSe3-NbSe3 удалось проследить температурную эволюцию тока Iq, которая имела небольшую тенденцию к уменьшению с увеличением температуры.

Описанные выше эффекты являются косвенными указаниями на подавление состояния с ВЗП при больших плотностях тока. Прямым доказательством существования данного эффекта будет являться наблюдение перехода ВЗП-металл

при больших токах непосредственно на ВАХ монокристаллов. Данная задача решалась путем использования сверхтонких монокристаллов Та5з, с площадью сечения меньше Ю-3 мкм2. Однако, избежать нагрева образцов не удалось и в этом случае, поэтому измеренные ВАХи корректировались с учетом реального джоулева нагрева IV. Зная значение № при каждом V и с1Т/с1\У, определялась реальная температура, соответствующую любой точке экспериментальных кривых. Интерполируя экспериментальные ВАХ, получались характеристики в изотермическом режиме.

Для того чтобы прояснить характер поведения ТаБз при больших токах, мы построили зависимости проводимости от температуры, при различных значениях тока. На рис.8 показано несколько таких зависимостей. Для сравнения, пунктирной линией показана зависимость проводимости при малых полях ( Е Е, — 25 В/см). Видно, что при Е < 3 кВ/см температурные зависимости проводимости демонстрируют диэлектрическое поведение, < 0). При больших полях активационная энергия уменьшается, при £о = 3.3 кВ/см (/о — 107А/см2) проводимость становится практически независимой от температуры. При дальнейшем увеличении электрического поля мы наблюдаем металлическое поведение, то есть сШ/йТ > 0. Характерное значение /о оказалось нечувствительным к вариациям величины /Ш, использованной для температурной коррекции. Несмотря на то, что экспериментальные ВАХ исследованных образцов ТаЭз не содержат резких особенностей при больших токах, описанный выше переход к металлическому поведению при плотности тока /о ~ 107А/см2 может быть интерпретирован, как достижение критического тока скольжения ВЗП.

Теория перехода ВЗП-нормальный металл под действием тока в настоящее время отсутствует. Прежде всего, обратим внимание, что для всех исследованных материалов значение критической плотности тока совпадает по порядку величины: у'о = 5.9 • 107 А/см2 для Мгёез; 107 А/ст2 для ТаБз и 4.8 ■ 107 А/см2 для К0.3М0О3. Оценим скорость скольжения ВЗП при данных токах. Воспользовавшись простейшей формулой v = /о/пе, где п - плотность сконденсированных в ВЗП носителей, имеем V — 2.1 ■ 105 см/с для МЬБез; 0.2 • 105 см/с для ТаБз и 0.6 • 105 см/с для К0.3М0О3, значения, очень близкие к скорости звука, г^, в данных материалах: V = 5,5 -105 см/с для М^ез; 4 ■ 105 см/с для ТаЯз и 4.5 •105 см/с для К0.3М0О3. Если учесть, что образование ВЗП происходит в результате электрон-фононного взаимодействия, то условие V ~ у,г естественным образом будет определять предельную скорость движения ВЗП, то есть ток распаривания. Таким образом, возможным объяснением существования критического то-

ка движения ВЗП может являться достижение скорости звука.

С другой стороны, по аналогии со сверхпроводниками, можно предположить, что электрон-дырочное распаривание в ВЗП будет иметь место, если искажение электронного спектра достигнет Ар. В динамическом режиме электронный спектр ВЗП е(к) смещен на величину 8к — кру/ур по оси к. Это приводит к сдвигу энергии Ферми 8е = ±vhkp при к = +кр и —кр. Можно предположить, что пайерлсовская щель будет подавлена, если 5е достигнет значения, сравнимого с Ар: vhkF ~ Ар. Таким образом, получаем оценку для критической скорости ВЗП V < Ар/Ккр. Для плотности тока распаривания в этом случае получаем: /о ^ (леДр)/(Мр) ~ Ю8 А/см2.

Таким образом, были получены веские экспериментальные указания на существование критической плотности тока, ./о, скольжения ВЗП.

Шестая глава посвящена микроконтактной спектроскопии соединений с ВЗП при полной диэлектрилизации электронного спектра в пайерлсовском состоянии на примере К0.3М0О3. На рис.9 показана схема энергетических зон вблизи точечного контакта Ы-КозМоОз. Положительный знак напряжения смещения, V, соответствует сдвигу химического потенциала вниз. В этом случае максимум сопротивления контакта будет соответствовать положению химического потенциала в эффективной середине щели. При дальнейшем увеличении напряжения будет наблюдаться переход от электронной проводимости к дырочной. Деформация ВЗП вблизи контакта происходит так, что электрическое поле, определяемое градиентом электростатического потенциала (пунктирная кривая), вблизи контакта уменьшается: ВЗП деформируется под действием электрического поля - градиента электростатического потенциала - до тех пор, пока поле не обратится в ноль, или его действие не будет скомпенсировано силами шшнинга.

При достаточно большой деформации ВЗП химический потенциал может оказаться ниже середины щели, что соответствует дырочной проводимости. Зависимость сопротивления контакта от напряжения смещения является асимметричной, с максимумом сопротивления, смещенным в область положительных напряжений. Переход через максимум и есть переход к дырочному типу проводимости. Для количественного описания Е(У) принималось во внимание, что изменение сопротивления приконтактной области происходит неоднородно. Представим Я как сумму + где /?о не зависит от V, а /?(<5£) определяется обычной полупроводниковой формулой для квазичастичной проводимости цпп + }1рр. Будем считать, что пропорционально напряжению V: = ЬУ\ случай Ь = 1 соответствует полному экранированию приложенного поля - от-

Рис. 9: Схема зонного искажения вблизи точечного контакта металл-ВЗП (полупроводник л-типа) при положительном напряжении смещения. Пунктиром обозначена эффективная середина пайерлсовской щели (электростатический потенции).

Рис. 10: Зависимости сопротивления нескольких микроконтактов С11-К0.3М0О3 от напряжения, приложенного к микроконтакту; Т=77К. Точки - эксперимент, сплошная кривая -приближение по формуле (2).

сутствию изгиба зон. Тогда:

Д(У) = Д,/ ооаЪ(Ь{У~тУо)) + До. (2)

Получаем выражение с четырьмя подгоночными параметрами; 1ц соответствует максимуму сопротивления - химпотенциал в эффективной середине щели, а величина ЬЦ) дает оценку начального сдвига химпотенциала Со относительно эффективной середины щели. Величина Дь как правило, в несколько раз превышает До, т.е. ВЗП деформируется практически во всей области падения контактного напряжения. Полученное выражение для сопротивления контакта (2) использовалось нами для описания экспериментальных зависимостей Д(У) точечных контактов Си-Ко.зМоОз при температурах выше 77 К.

На рис.10 показаны несколько типичных зависимостей сопротивления Д г V// от напряжения, V, приложенного к различным точечным контактам (Д(0) > 30 кОм) С11-К0.3М0О3 при Г = 78 К. Контакты создавались на торцевой поверхности образца так, что ток протекал вдоль проводящих цепочек ВЗП. Как видно из рисунка, изменение сопротивления Д(У) происходит плавно, то есть

ВЗП остается неподвижной во всем диапазоне приложенных напряжений. На всех кривых при V = Vq > 0 наблюдается максимум сопротивления. Величина Vó при изменении диаметра контакта и температуры колебалась в пределах 60-110мэВ; систематического изменения Vq{T) в диапазоне 77-84 К не наблюдалось.

На рис.10 сплошными линиями показаны результаты приближения полученных зависимостей R(V) с помощью выражения (2). Как видно из рисунка, предложенная модель хорошо описывает экспериментальные зависимости. Величина R\, как правило, в несколько раз превышает Rq, т.е. ВЗП деформируется практически во всей области падения контактного напряжения. Значение b получается около 1/20, соответственно fo = flVfo — 5 мэВ. Сравнительно малое значение b означает, что ВЗП лишь частично экранирует поле вблизи точечного контакта, что связано с пиннингом на примесях и на соседних цепочках ВЗП. Начальный сдвиг химпотенциала относительно эффективной середины щели мал по сравнению с самой щелью, но сравним с кТ, что может объяснить униполярный (электронный) тип проводимости голубой бронзы. Таким образом, наблюдалась безгистерезисная деформация ВЗП вблизи точечного контакта, а с помощью приложенного напряжения удалось управлять уровнем химического потенциала в широком диапазоне значений, в том числе изменяя знак основных носителей.

С повышением температуры напряжение И), соответствующее максимуму сопротивления, уменьшается и становится близким к нулю при Т ~ 140 К. Выше данной температуры зависимость R(V) становится практически симметричной. Используя уравнения (2) был рассчитан коэффициент экранирования b при различных температурах. С понижением температуры экранирование поля волной зарядовой плотности уменьшается, что свидетельствует о возрастании поперечной жесткости, а значит и когерентности ВЗП. При температуре выше 140 К экранирование ВЗП становится практически полным, т.е. электростатический потенциал не изменяется у поверхности образца.

Низкоомные точечные контакты, с сопротивлением при азотной температуре R(0) < 30 кОм, отличались значительно большей стабильностью, что позволило детально изучить их характеристики в широком интервале температур. Отличительной особенностью характеристик таких контактов является резкий спад сопротивления при некотором напряжении смещения ±VÍ, часто имеющий характер срыва. При увеличении диаметра контакта возрастает и длина проникновения электрического поля в полупроводник с ВЗП. При этом облегчается возникновение ПФ. Действительно, единичный акт ПФ соответствует вхождению

или уничтожению одного периода ВЗП. Изменение волнового вектора при этом можно оценить как 8д & 2л/а, где а и Л\]~к - размер области проникновения поля вглубь, а соответствующую величину З&я легко оценить, зная температурную зависимость сопротивления Й(Т):

8(2„ и ад/а?) » *Г(2*/(в$))(Я(Г)/Д (300 К)) (3)

Соотношение для <1£/с^ взято из [15] в пренебрежении температурной зависимостью ц. Пока не достигнет величины ~ 8£щ, ПФ, а значит и движение ВЗП, невозможно. Величина 8&я обратно пропорциональна я, а, следовательно, и диаметру контакта, й. При увеличении последнего становится возможным достижение критической деформации ВЗП при определенном напряжении смещения Ц. В некотором смысле, данное напряжение может рассматриваться как критическое напряжение начала локального (на длине порядка а) скольжения ВЗП. При меньшем напряжении (т.е. меньшем 8£) рождение или исчезновение периода ВЗП на длине а невыгодно, т.к. привело бы к возникновению еще большей деформации ВЗП противоположного знака. Температурное поведение порогового напряжения Ц в микроконтактах отличается от температурной эволюции порогового поля в массивных образцах К0.3М0О3. В нашем случае V, монотонно уменьшается во всем диапазоне температур 80-160 К. Данный факт не является удивительным, так как в случае микроконтакта начало скольжения ВЗП определяется ПФ, а не пиннингом ВЗП. Выражение (3) качественно описывает рост К с понижением температуры. Физически такое поведение обусловлено ростом модуля упругости ВЗП Экспериментальные данные неплохо описываются зависимостью типа V = ехр(То/Г), где То = 200 К

Аналогичные эксперименты были проведены с использованием другого полупроводника с ВЗП - Тавз. Качественный вид дифференциальных ВАХ оказался таким же, как и для высокоомных контактов С11-К0.3М0О3 с одним принципиальным отличием: максимум в случае Тавз смещен в область отрицательных напряжений. В рамках предложенной модели данный факт легко объясним. Согласно данным измерений термоэдс и эффекта Холла, в равновесии, основными носителями в ТаБз являются дырки. Это означает, что химический потенциал в равновесии расположен ниже эффективной середины запрещенной зоны, и для смещения £ вверх требуется деформация сжатия, то есть, в нашем случае приложение отрицательного напряжения смещения.

Характеристики микроконтактов С11-К0.3М0О3 при температурах Т > 77 К, будучи асимметричными относительно V = 0, являются симметричными относительно напряжения V = % соответствующего максимуму сопротивления.

F(V) K(mV)

Рис. П: Зависимости й(= j) от V для контакта CU-K0.3M0O3 при различной температуре.

Рис. 12: Зависимость дифференциального сопротивления от напряжения Rj = dV/dl) точечного контакта, показанного на рис. 11 при Т = 40 К.

Ситуация качественно меняется при низких температурах (ниже 77 К), обнаруживая новые особенности состояния с ВЗП.

Зависимость хордового сопротивления R от напряжения смещения V для одного из таких контактов Q1-K0.3M0O3 показана на рис.11. При понижении температуры ниже 77 К появляется асимметрия ВАХ и относительно Vq. Другой интересный эффект наблюдался при низких температурах в области отрицательных напряжений смещения. При некотором определенном напряжении, Vj, уменьшение сопротивления, как дифференциального, так и хордового, сменяется его резким ростом (см. рис.12). С увеличением температуры положение данного скачка дифференциального сопротивления ведет себя немонотонно, имея минимум при Т « 60 К. Выше данной температуры особенность размывается и становится практически неразличимой выше температуры жидкого азота. Для некоторых точечных контактов рост R при V = Vd при самых низких температурах имел характер скачка. Предположено, что даппьш эффект может быть связан с единичным актом проскальзования фазы или образованием единичной дислокации (фазового солитона).

Наблюдаемая симметрия ВАХ относительно Vq при высоких температурах (> 70 К) означает, что реакция ВЗП на растяжение и сжатие примерно одинакова. Данная симметрия, хак видно из рис.11, нарушается при низких температурах, что указывает на не эквивалентность реакции ВЗП в К0.3М0О3 на

растяжение и сжатие. Причиной такого поведения является включение нового механизма пиннинга. Мы предполагаем, что, наиболее вероятно, это пиннинг на соизмеримости. Как известно, волновой вектор ВЗП q зависит от температуры, причем с понижением Т зависимость q{T) в К0.3М0О3 [9] указывает на стремление ВЗП к соизмеримости. Деформации ВЗП приложенным электрическим полем в точечных контактах CU-K0.3M0O3 при низких Г, когда ВЗП очень близка к соизмеримости, может быть достаточно для локального (i-c) перехода в области контакта.

В седьмой главе изложены результаты исследования внутреннего межслоевого туннелирования в соединении NbSe3. Слоистая структура данного соединения в совокупности с анизотропией проводимости позволяет предположить возможность конденсации ВЗП в элементарных проводящих слоях, пространственно разделенных атомно тонкими изолирующими слоями. В этом случае, подобно слоистым ВТСП, можно ожидать, что параметр порядка ВЗП будет модулирован в направлении оси а\ и транспорт поперек слоев будет определяться внутренним, межслоевым туннелированием между элементарными слоями с ВЗП. Исследования проводились на слоистых структурах с малой площадью протекания тока поперек слоев S = 1 -г 4 мкм2 и содержащих от 30 до 50 элементарных слоев, а также в симметричных микроконтактах NbSe3-NbSe3. В структурах первого типа с понижением температуры ниже ~35 К на дифференциальных ВАХ структур появляется и становится доминирующим достаточно узкий (по напряжению) пик проводимости при нулевом напряжении смещения. Величина пика насыщается при понижении температуры ниже 6-8 К, и при Г =4.2 К почти в 20 раз превышает проводимость при больших смещениях. Кроме этого, при Т < ТР2 четко проявлялась структура симметричных по V пиков проводимости, при низких температурах соответствующих напряжениям |У| =50,100,150 мВ, то есть при |V| = пЦ), где Vo =50 мВ и л =1,2,3. С повышением температуры siлпг 25 К особенности смещаются в область меньших энергий и значения Vn обращаются в ноль при Т ~59 К, соответствующей температуре второго пай-ерлсовского перехода для NbSe3. Отметим, что значение напряжения V& =50 mV оказывается близким удвоенному значению низкотемпературной энергетической щели, 2Ар2/е для NbSe3, причем зависимость V^(T)/Ki(0) хорошо согласуется с температурной зависимостью энергетической щели в теории БКШ, что является указанием щелевой природы данных особенностей.

Для объяснения была предложена модель когерентного межслоевого туннелирования. Существо данной модели заключается в следующем. При туннели-ровании электрона между слоями энергия должна сохраняться, то есть е(р) =

V(mV)

Рис. 13: Примеры зависимостей R<¡(V) различного типа контактов NbSej-NbScj, ориентированных вдоль кристаллографической оси с* при Т = 4.2 К.

e(q) — eV с точностью до 2у. Для когерентного туннелирования е(р) = e(q) и если eV С у туннелирование возможно и мы получаем обычный закон Ома. Для eV > 2у туннелирование невозможно вплоть до напряжения V, достигающего 2А/е. В этом случае конденсированные в ВЗП электроны начинают давать вклад в межслоевой ток путем обычного туннелирования квазичастиц ВЗП через удвоенную пайерлсовскую щель 2Д. Таким образом, межслоевой ток может быть реализован только одним из двух вышеописанных механизмов.

На рисунке 13 показаны характеристики нескольких точечных контактов NbSe3-NbSe3, ориентированных вдоль кристаллографической оси а*. Как видно, кривые контактов с малыми значениями R¿о характеризуются глубоким минимумом дифференциального сопротивления при нулевом смещении. Причем, с увеличением R¿о амплитуда минимума уменьшается и сам минимум плавно трансформируется в максимум дифференциального сопротивления при нулевом смещении. Точечные контакты с сопротивлением R¿о >100 Ом обнаруживают особенности, характерные для типичных туннельных структур: максимум Rd{V) в диапазоне < 50 мВ свидетельствует о пониженной плотности состояний приУ < Арг/е, а наблюдаемые локальные минимумы дифференциального сопротивления при |Vj = 50 мВ и |V| = 70 — 90 мВ хорошо согласуются соответственно с удвоенной первой 2Арг/е и второй Ар\ пайерлсовскими энергетическими щелями в NbSe3. Независимо от контактного сопротивления, характеристики всех исследованных контактов демонстрировали отмеченные выше особенности энергетических щелей ВЗП, и, несмотря на значительную разницу

контактных сопротивлений (три порядка), при больших напряжениях смещения (> 50 шУ) поведение динамического сопротивления было качественно одинаковым, и по величине варьировалось незначительно. Сравнение характеристик точечных контактов МЬБез-МБез с характеристиками, полученными на мезо-структурах, позволяют сделать вывод, что низкоомные контакты обнаруживают все особенности, характерные для когерентного межслоевого туннелирования. Действительно, и в том, и в другом случаях дифференциальные ВАХ характеризуются сильным пиком динамической проводимости при нулевом смещении и локальными пиками проводимости при напряжениях, соответствующих пай-ерлсовским энергетическим щелям №>8ез. Наблюдаемые же изменения качественного вида дифференциальных ВАХ при малых напряжениях (см. рис.13) объясняются различными значениями параметра у реализуемые в разных контактах. Для лучших контактов ширина пика проводимости при нулевом смещении, ¿V « 5 тУ, все-равно меньше, чем &рг/е< и условия для когерентного туннелирования выполняются. Если рассеяние при туннелирования для определенного контакта становится больше, доминирующим становится вклад одно-частичного туннелирования. Как результат, максимум динамической проводимости превращается в максимум дифференциального сопротивления. Таким образом, кривые, показанные на рис.13 можно рассматривать как демонстрацию кроссовера от когерентного туннелирования к одночастичному.

Восьмая глава посвящена описанию результатов исследования квазиодномерного проводника с ВЗП НЪБез в магнитных полях. Интерес к исследованию влияния магнитного поля на свойства КЬБез обусловлен прежде всего присутствием в данном материале нормальных носителей в пайерлсовском состоянии, демонстрирующих необычное поведение в магнитных полях, в частности, аномально большое магнитосопротивление. Для объяснения данного явления Баль-сейро и Фаликофф [16] разработали теоретическую модель, описывающую влияние магнитного поля на электронную структуру сильно анизотропных систем с ВЗП. В рамках данной теории было показано, что в материалах с ВЗП с неполной диэлектрилизацией электронного спектра (Мгёез одно из таких соединений) наложение магнитного поля определенной ориентации приводило к переходу металл-диэлектрик. Попытки экспериментальной проверки данной модели не позволили сделать определенный вывод о справедливости данной теории, так как эксперименты сводились в основном к определению изменения концентрации сконденсированных в ВЗП носителей в магнитном поле. Однако, точности измерений в указанных работах оказалось недостаточно для того, чтобы сделать определенное заключение. Туннельные измерения в магнитном поле могут поз-

водить решить данную проблему, поскольку в них возможны прямые измерения изменения в плотности состояний именно несконденсированньтх в ВЗП носителей. В настоящей работе исследовались характеристики точечных контактов И-МЬвез при различной ориентации контактов и магнитного поля. В баллистическом режиме дифференциальное сопротивление контакта при нулевом смещении дается следующей формулой:

= 2А7(0)вМ*/4)<? №

где N (0) есть плотность состояний на уровне Ферми, а й - диаметр контакта. Очевидно, /?(((0) зависит только от плотности состояний и не зависит от времени релаксации. В предыдущих главах было показано, что исследованные точечные контакты удовлетворяют условию баллистического режима. В пайерлсов-ском состоянии в №)$ез нет других носителей на уровне Ферми, кроме нескон-денсированных в ВЗП носителей, локализованных в малых карманах. Поэтому N(0) в формуле 4 описывает как раз плотность состояний именно несконден-денсированных в ВЗП носителей. В наших экспериментах мы не наблюдали изменений в значении дифференциального сопротивления точечных контактов при нулевом смещении с точностью 10%. Это означает, что с такой же точностью не изменяется концентрация несконденсировашшх в ВЗП носителей, то есть модель Балсейро-Фаликоффа не находит подтверждения в наших экспериментах.

Для ответа на вопрос: почему межслоевое туннелирование оказывается возможным только с сохранением импульса, были проведены детальные исследования магнитосопротивления МЪБез. Для исследований отбирались только высококачественные монокристаллы №>8ез,с толщиной < 5 мкм и имеющие отношение Д(300К)/й(4.2К)> 100. Образцы ориентировались так, что магнитное поле было направлено параллельно проводящим слоям кристаллов (плоскости Ь — с). При этом было возможным осуществлять вращение образца вокруг кристаллографической оси а* с помощью механической системы передачи вращения с точностью установки угла ~ 1°. Данные измерения проводились при температуре жидкого гелия.

На рис.14 показана зависимость магнитосопротивления, Кп = (й(В) -/?(0))//?(0), одного из исследованных образцов в магнитном поле с В = 8.5 Т в зависимости от угла в между направлением поля и осью с кристалла. Обращает на себя внимание наличие минимума магнитосопротивления при в » 30°. Чтобы выяснить природу данной аномалии мы провели измерения зависимостей магнитосопротивления от индукции магнитного поля при различной ориента-

[t] 8° в°

Рис. 14: Зависимость магнитосопротивления, Rn, одного из исследованных образцов в магнитном поле с В = 8.5 Т от угла в между направлением поля и осью с кристалла.

Рис. 15: Зависимость индукции магнитного поля, соответствующей определенному квантовому числу, от угла между направлением поля и осью с кристалла. Сплошная кривая есть функция В(б = 0)/(cos2 в + (m,/m,)s¡n2 в)1/2 при (mx/mz) = 0.10.

ции последнего. В диапазоне магнитных полей с В > 3.5 Т становятся четко видны осцилляции Шубникова-де-Гааза (ШГ). Пространственно-полевая структура осцилляции имела вид волн. Каждая волна соответствует одному и тому же квантовому числу, п. Причем, магнитная индукция, соответствующая определенному п, увеличивается с увеличением в. Соответствующим образом меняется и фаза осцилляций. При в ~ 30° и при В — 8.5 Т фаза осцилляций меняется на л и становится противоположной фазе при в = 0°, что и объясняет наличие минимума на зависимости Д„(0), показанной на рис.14. Столь значительное изменение фазы не может быть связано с изменением частоты осцилляций ШГ, так как известно [17], что при вращении магнитного поля вокруг оси а* в исследованном диапазоне углов частота осцилляций ШГ меняется незначительно(от 0.28 до 0.30 МГц). На рис.15 показана зависимость индукции магнитного поля, Вт, соответствующего максимуму осцилляций ШГ для одного и того же квантового числа, от угла в поворота магнитного поля от оси с. Сплошная кривая есть зависимость:

Вт{в) = Вт(в = 0)/(cos2 9 + {тх!тг) sin2 0)1/2, (5)

где отношение циклотронных масс tnx/mz использовано как подгоночный параметр. Наилучшее согласие экспериментальных значений с расчетной кривой до-

стигается при (тх/тг) = 0,10. В таком же соотношении должны находится оси эллипсоида поверхности Ферми. Очевидно, согласие экспериментальной зависимости Вт(в) с аналитической зависимостью (5) означает, что импульсы нормальных носителей, несконденсированных в ВЗП, в основном ориентированы вдоль оси Ь, а квантование орбитального движения определяется только компонентой магнитного поля, перпендикулярной данной оси. Полученный результат позволяет предложить достаточно простое объяснение существования когерентного туннелировавия в МЬБез в направлении, перпендикулярном проводящим слоям, если под когерентным туннелированием понимать туннелирование с сохранением импульса. Действительно, результаты настоящей работы указывают на то, что импульсы большинства носителей, неконденсированных в ВЗП, ориентированы вдоль определенного направления (параллельно оси Ь). Тогда межслоевое туннелирование будет возможно при условии, если при туннелировании не будет происходить изменения импульса как по направлению, так и по величине.

Магнитосопротивление в НЬБез квадратично зависит от магнитного поля в слабых магнитных полях и линейно в больших. Для выяснения причины такого необычного поведения были проведены измерения эффекта Холла в данном соединении. Было показано, что сопротивление Холла, Нху сильно зависит от магнитного поля, демонстрируя смену знака при Г < 35 К в исследуемом диапазоне полей (В < 8.5 Т). Магнитное поле, Вгс, соответствующее равенству нулю постоянной Холла, монотонно увеличивается с повышением температуры. Температурная эволюция Вгс показана на рис.16. Экспериментальная зависимость хорошо описывается функцией Вгс{Т) — В(0)ехр(Т/Та) (сплошная кривая на рис.16), где В(0) = 0.17 Т а температура Т0 = 8.9 К.

Полученные результаты исследования эффекта Холла сравнивались с данными измерения магнитосопротивления, Кхх при той же ориентации магнитного поля. (1Кхх/йВ достигает максимума при определенном значении магнитного поля, Во. Таким образом, в магнитном поле В < Во магнитосопротивление пропорционально В2, тогда как в больших полях (В > Во) Кхх ~ В. Температурная зависимость характерного поля Во показана на рис.16 открытыми кружками. Как видно, зависимости Вгс(Т) и Во(Г) практически совпадают, несмотря на то, что данные зависимости получены на различных образцах. Это позволяет прийти к заключению, что Вгс(Т) ~ Во(Т). В свою очередь, это формально означает, что поведение магнитосопротивления при проводимости п-типа (область слабых магнитных полей) качественно отличается от поведения магнитосопротивления для проводимости р-типа (область больших магнитных поле). В магнитном поле В < Во, магнитосопротивление Яхх ~ В2, демонстрируя классическое поведе-

tn° i

0,1

•О

о

20 г (к)

30

Рис. 16: (color online) Температурные зависимости магнитного поля при котором постоянная Холла обращается в ноль (открытые кружки), и магнитного поля Во, соответствующего максимуму dRxx/dB (темные кружки).

ние [18]. Так как Во ~ Bzc, разумно предположить, что такое поведение магни-тосопротивления есть свойство именно электронов. В больших магнитных полях (В > Во) мы наблюдаем зависимость Rxx ~ В. И из тех же соображений, что и выше, данное экзотическое поведение магнитосопротивления может быть ассоциировано со свойствами дарочных носителей. Линейное магнитосопротив-ление действительно является экзотическим явлением, для объяснения которого мы нашли только две теории. Возможность такого поведения магнитосопротивления предсказана для поликристаллических металлов с открытой поверхностью Ферми [19], но, очевидно, это не есть случай настоящего эксперимента. Второй случай относится к теории [20], согласно которой в экстремальном квантовом пределе, когда расстояние между уровнями Ландау становится настолько большим, что все носители находятся на низшем уровне, магнитосопротивление демонстрирует линейную зависимость от магнитного поля. До настоящего времени считалось, что присутствие нормальных носителей в NbSe3 есть результат образования "карманов"на поверхности Ферми, в следствии неполного нестинга. Результаты настоящей работы позволяют представить иную физическую картину. ВЗП-переход при Tpi с совершенным нестингом происходит на первом типе цепочек. А вот переход при Трг, предполагается, только на втором типе цепочек при неполном нестинге, результатом которого является образование дырочных "карманов"с "легкими"носителями, ответственными за линейное магнитосопротивление в больших полях. Третий тип цепочек не претерпевает пайерлсовско-

го перехода и ответственен за присутствие относительно тяжелых электронов, определяющих осцилляции ШТ.

Зависимость постоянной Холла от магнитного поля позволила объяснить обнаруженный нами эффект отрицательного магнитосопротивления в слабых магнитных полях. Данный эффект наблюдается только для тонких монокристаллов №>Без (< 5 мкм при Г = 4.2 К) в слабом магнитном поле, ориентированным вдоль оси с (рис. 17). Сопротивление первоначально увеличивается с ростом поля до определенного значения, Втах, после достижения которого резко уменьшается. Падение сопротивления продолжается до момента достижения магнитным полем значения Вт,„, соответствующего минимальному сопротивлению, и при дальнейшем увеличении поля уменьшение сопротивления сменяется его ростом. Было показано, что данный эффект является размерным и связан с тем, что в случае компенсированного металла (ЯХу — 0) рассеяние приводит к возрастанию проводимости. А в случае тонких монокристаллов ЫЬБез в определенном интервале магнитных полей определяющий вклад в рассеяние дает поверхностное рассеяние. В заданной геометрии магнитного поля последнее определяется соотношением между значением ларморовского диаметра и толщиной кристалла. В случае, когда ларморовский диаметр в интервале магнитных полей вблизи В1С оказывается больше толщины образца, переход через Вгс сопровождается качественным изменением вклада рассеяния в магнитосопротивление: при В < Вгс и при В > Вгс рассеяние приводит в увеличению сопротивления, тогда как при В ^ В1С к увеличению проводимости. Экспериментальным доказательством предложенного механизма служит тот факт, что максимальное падение магнитосопротивления происходит в точности при В = В1С.

Дта толстых образцов, для которых ларморовский диаметр в области магнитных полей, близких к В = Вгс, оказывается меньше толщины кристалла, и внутреннее, и поверхностное рассеяние являются незначительными и не зависят от магнитного поля. Поэтому эффект отрицательного магнитосопротивления в этом случае отсутствует.

Исследования эффекта Холла в динамическом режиме ВЗП показали, что в таких соединениях, как Та$з и К0.3М0О3 напряжение Холла уменьшается при достижении продольного электрического поля порогового значения, Ет, для инициирования движения ВЗП. Результаты обоих экспериментов были интерпретированы в рамках теоретической модели [21]. В данной модели предполагалось, что ВЗП не дает вклада в напряжение Холла. Однако, рассеяние на примесях нормальных носителей в условиях движущейся ВЗП, приводит к появлению нормального электронного тока в направлении, противоположном направлению

0 2 4 6

8

В(Т)

Рис. 17: Зависимость Л(В) для монокристалла МЬБеэ, толщиной с! = 0.3 мкм при Г = 4.2 К и В || с. Стрелками указаны положения характерных полей Втах и На вставке показана данная зависимость в области слабых магнитных полей.

Рис. 18: Напряжение Холла, Ун, в зависимости от продольного падения напряжения, Vпри Т = 30 К при различных значениях магнитной индукции

движения ВЗП: так называемому "обратному течению", с чем и связывалось уменьшение холловского напряжения. К моменту начала работы над диссертацией считалось, что данный эффект отсутствует в соединении №>8ез. Мы провели детальное исследование эффекта Холла в режиме скользящей ВЗП в №>8ез в широком интервале температур и в магнитных полях до В = 9 Т. На рис. 18 показаны зависимости холловского напряжения, \'ц, от продольного падения напряжения, У^, при 30 К в различных магнитных полях.

Как видно, в больших магнитных полях, даже при Т > 30 К, отклонение зависимости от линейной в электрическом поле, большем £,, становится очевидным. Это отклонение значительно возрастает при понижении температуры. Однако, мы наблюдаем уменьшение \Ун\ только для р-типа проводимости, и это может быть в согласии с моделью "обратного течения" [21]. Однако, для и-типа проводимости мы наблюдаем обратную картину: \Уц\ увеличивается при достижении порогового поля скольжения ВЗП. Если модель "обратного течения"справедлива, то наблюдаемое в эксперименте поведение холловского напряжения может формально означать, что на самом деле эффект "обратного течения" имеет место только для дырок и полностью отсутствует для электронов. Выше было показано, что свойства электронов и дырок сильно отличаются в Шгёез. В этом случае подвижность дырочных носителей может оказаться значительно больше, чем электронная подвижность. Представляется логичным предположить, что ВЗП в режиме скольжения будет взаимодействовать эффективно только с легкими носителями, в нашем случае - с дырками. Тогда основной вклад в эффект "обратного течения" будут давать именно дырочные носители, приводя к уменьшению напряжения Холла для р-типа проводимости и, наоборот, к увеличению \Уц\ для проводимости п-типа, в согласии с наблюдаемыми экспериментальными результатами.

В заключении сформулированы наиболее значимые результаты диссертационной работы.

1. Детальные исследования характера взаимодействия нормальных носителей с волной зарядовой плотности на границе раздела нормальный метал (Ы)-ВЗП доказывают существование "не зеркальных"траекторий отражения инжектируемых из нормального металла носителей заряда. Была экспериментально показана возможность спектроскопии пайерлсовской энергетической щели, основанная на отражении нормальных носителей на барьере энергетической щели ВЗП на границе раздела Г>Г-ВЗП.

2. Определены значения энергетических щелей ВЗП в монокристаллах ЫЬБез с помощью микроконтактов К-ВЗП, ориентированных в различных кристаллографических направлениях. Получено указание на возможное существование анизотропии энергетической щели. Показано, что плотность состояний при Е < Ар не равна нулю, а ее зависимость от энергии, М(Е), указывает на двумерный характер электронного спектра в данном соединении. Для первой и второй пайерлсовских щелей определены их температурные зависимости, которые оказались в хорошем согласии с теорией

БКШ.

3. Детально исследовано взаимодействие сверхпроводящего конденсата с конденсатом волны зарядовой плотности на границе раздела сверхпроводник S (№))-ВЗП (NbSe3). Обнаружено, что в данной геометрии эксперимента наблюдается эффект андреевского отражения, однако, прямая конверсия сверхпроводящего тока в ток ВЗП в структуре S-ВЗП не происходит. Показано, что в данных структурах происходит подавление сверхпроводимости в приконтактной области за счет неравновесного эффекта, возникающего в следствии сильной инжекции квазичастиц в сверхпроводник из ВЗП. В результате, в сверхпроводнике образуется "буферный слой"нормального металла, и конверсия носителей из сверхпроводящего конденсата в конденсат волны зарядовой плотности реализуется по схеме S-N-ВЗП.

4. Экспериментально продемонстрировано, что электрический транспорт в направлении, перпендикулярном слоям, в NbSe3 имеет туннельную природу, обусловленную структурной особенностью данного соединения, когда проводящие слои разделены атомно тонкими изолирующими прослойками. Впервые метод внутреннего межслоевого туннелирования был применен для спектроскопии энергетической щели и возможных внутрище-левых состояний ВЗП. Полученные с помощью данного метода результаты были подтверждены исследованиями симметричных туннельных структур NbSe3-I-NbSe3, ориентированных перпендикулярно проводящим слоям. Основным результатом данных исследований является обнаружение на ВАХ структур сильного пика динамической проводимости, который может быть объяснен когерентным туннелированием несконденсированных в ВЗП носителей.

5. Получены веские экспериментальные указания на существование критической плотности тока, /о, скольжения ВЗП. Качественно рассмотрены возможные механизмы подавления состояния с ВЗП при больших токах. Получены оценки jo для К0.3М0О3, NbSe3 и ТаБз.

6. Впервые исследованы свойства микроконтактов металл-полупроводник с ВЗП в широком интервале температуры. В диапазоне температур 80-150 К экспериментальные данные удается адекватно описать в рамках полупроводниковой модели ВЗП [22]. Показано, что в области микроконтакта под действием электрического поля происходит существенное изменение проводимости: экранирование внешнего электрического поля приво-

дит к деформации ВЗП, сдвигу химического потенциала квазичастиц и изменению сопротивления микроконтакта. Определена температурная зависимость положения химического потенциала для К0.3М0О3. Обнаружено, что локальное движение ВЗП в приконтактной области может наблюдаться лишь при достаточно больших значениях диаметра контакта, г/ > 100 А. Для данного типа контактов определены зависимости напряжения срыва ВЗП от б/ и Г, предложена модель, объясняющая эти зависимости размерным эффектом в проскальзывании фазы ВЗП.

7. Обнаружена неэквивалентность деформаций растяжения и сжатия ВЗП при низких температурах (Г < 70 К). Предложено объяснение наблюдаемого эффекта включением нового механизма пиннинга - на соизмеримости. Впервые удалось наблюдать единичный акт проскальзования фазы ВЗП.

8. Исследования микроконтактных спектров структур нормальный металл-МЬБез, ориентированных вдоль основных кристаллографических направлений в магнитном поле до 9 Т, позволили убедительно доказать, что, наложение магнитного поля не изменяет концентрации несконденсированных в ВЗП нормальных носителей в МЬБез, как это предсказывалось теорией Балсейро-Фаликова [16], и сильное мапштосопротивление, наблюдаемое в данном материале при низких температурах, скорее всего, обусловлено значительным изменением подвижности нормальных носителей.

9. Исследование угловых зависимостей осцилляций Шубнихова-де Гааза позволили установить, что квазиимпульсы несконденсированных в ВЗП носителей в КЬЭез преимущественно ориентированы вдоль кристаллографической оси с, что, в принципе, может быть одним из объяснений эффекта коррелированного, с сохранением импульса, межслоевого туннелирования, наблюдаемого в данном соединении.

10. При детальном исследовании эффекта Холла в КЬБез было показано, что в слабых электрических полях (Е < £,) постоянная Холла меняет знак при определенном значении магнитного поля, величина которого, в свою очередь, зависит от температуры. Сравнение результатов измерения эффекта Холла и магнитосопротавления указывает на то, что Ихх(В) для п-типа проводимости качественно отличается от соответствующей зависимости для проводимости р-типа, что позволяет сделать вывод о качественно различии кинетических характеристик электронов и дырок в ЫЬ5ез.

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

12. 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 с помощью эффекта Холла эффектов статической деформации ВЗП в электрических полях, меньших порогового поля для скольжения ВЗП.

Цитируемая литература

[1] Р. Пайерлс, Квантовая теория твердых тел, (Москва, ЮТ, 1956).

[2] Н. Fröhlich, "On the Theory of Superconductivity: The One-Dimensional Case", Proc. R. Soc. A223, 296 (1954).

[3] G. Grüner, Density Waves in Solids (Addison - Wesley, Reading, Massachusetts, 1994).

[4] L. Gor'kov and G. Grüner Charge Density Waves in Solids (Amsterdam: Elsevier Science, 1989).

[5] Electronic Crystals 99 edited by S. Brazovskii and P. Monceau, (J. Physique France, vol 10, 1999).

[6] Electronic Crystals 02 edited by S. Brazovskii, P. Monceau and N. Kirova, (J. Physique France, vol 12,2002).

[7] С. В. Зайцев-Зотов, "Размерные эффекты в квазиодномерных проводниках с волной зарядовой плотности", УФН174,585 (2004).

[8] Р. С. van Son, Н. van Kempen, P. Wyder, "New method to study the proximity effect at the normal-metalOsuperconductor interface", Phys.Rev.Lett. 59,2226-2228, (1987).

[9] C. Schlenker, in Low-dimensional electronic properties of molybdenum bronzes and ox-M<?j(Kluwer Academic Publishers, 1989).

[10] M. I. Visscher and G. E. W. Bauer, "Mesoscopic charge-density-wave junctions", Phys. Rev. В 54,2798-2805, (1996).

[11] С. H. Артемешсо и С. В. Ремизов, "Характер отражения электронов на границе нормальный металл - пайерлсовский полупроводник". Письма в ЖЭТФ 65,50-55, (1997).

[12] X.-Z. Huang and К. Maki, "Density of states of quasi-one-dimensional charge-density and spin-density waves", Phys. Rev. В 40,2575-2577, (1989).

[13] А. Ф. Андреев, ЖЭТФ 46,1823 (1964).

[14] G. E. Blonder, M. Tinkbam, and Т. M. Klapwijk, "Transition from metallic to tunneling regimes in superconducting microconstrictions: Excess current, charge imbalance, and su-percurrent conversion", Phys. Rev. В 25,4515-4532, (1982).

[15] V.Ya. Pokrovskii and S.V. Zaitsev-Zotov, "Critical-state model for pinned charge-density waves: conditions and consequences of phase slip". Synthetic Metals 32,321-328, (1989).

[16] C.A. Balseiro and L.M. Falicov, "Effect of high magnetic fields on the electronic structure of density-wave systems", Phys. Rev. В 34,863-871, (1986).

[17] P. Monceau and A. Briggs, "Quantum oscillations in NbSe3", J. Phys. C: Solid State Phys., 11, L465-L468, (1978).

[18] Ч. Киттель Квантовая теория твердых тел (Москва: Наука, 1967).

[19] А. А. Абрикосов Основы теории металлов (Москва: МИР, 1989).

[20] A. A. Abrikosov, "Quantum linear magnetoresistance; solution of an old mystery ", J. Phys. A: Math. Gen. 36,9119-9132, (2003).

[21] C.H. Артеменко и Ф.Н. Круглое, Физика Твердого Тела 26, (1984) 1448.

[22] С.А. Артеменко, С.В. Зайцев-Зотов, В.Я. Покровский, "Электронно-дырочный баланс и полупроводниковые свойства квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности", ЖЭТФ, 110, 1069 (1996).

Список основных публикаций по теме диссертации

[1] А. А. Синченко, Ю. И. Латышев, С. Г. Зыбцев, И. Г. Горлова, и П. Монсо, "Особенности рассеяния носителей на границе нормальный металл-квазнодномерный проводник с волновой зарядовой плотности", Письма в ЖЭТФ 64, 259-264, (1996).

[2] А. А. Синченко, Ю. И. Латышев, С. Г. Зыбцев, И. Г. Горлова, "Локальная спектроскопия отражения носителей на границе нормальный металл-пайерлсовский проводник К0.3М0О3", ЖЭТФ 113,1830-1839, (1998).

[3] А. А. Синченко, Ю. И. Латышев, С. Г. Зыбцев, И. Г. Горлова, "Локальная спектроскопия пайерлсовской энергетической щели в К0.3М0О3", Тезисы докладов XXXI совещания по физики низких температур 2-3 декабря 1998 г. (приглашенный доклад) -,

(1998).

[4] Ю. И. Латышев, А. А. Синченко, "Квантовые эффекты в квазиодномерных проводниках с волной зарядовой плотности (ВЗП)", Тезисы докладов 4-ой Российской конференции по физике полупроводников. Новосибирск, 25-29 октября 1999 г. (приглашенный доклад).(1999).

[5] A. A. Sinchenko, Yu. I. Latyshev, S. G. Zybtsev and I. G. Gorlova, "Point-contact spectroscopy of quasi-ID conductors with CDW", J. Phys. IV France 9, Prl0-179-Prl0-181,

(1999).

[6] А. А. Синченко, Ю. И. Латышев, "Мезоскспические свойства квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности", Письма в ЖЭТФ 75,714-725, (2002).

[7] A. A. Sinchenko, Yu. I. Latyshev, V. Ya. Pokrovskii, S. G. Zybtsev and P. Monceau, "Microcontact spectroscopy features of quasi-one-dimensional materials with a charge-density wave", J. Phys. A: Math. Gen. 36,9311-9322, (2003).

[8] A. A. Sinchenko and P. Monceau, "Charge-density-wave gaps of NbSe3 measured by point-contact spectroscopy in different crystallographic orientations", Phys. Rev. В 67, 125117 (2003).

[9] A. A. Sinchenko, Yu. I. Latyshev, S. G. Zybtsev, I. G. Gorlova, and P. Monceau, "Point-contact spectroscopy of the charge-density-wave gap along the chains in NbSej", Phys. Rev. В 60,4624-4628, (1999).

[10] A. A. Sinchenko and P. Monceau, "Point-contact spectroscopy probing the NbSej CDW gap in different crystallographic orientations", J. Phys. IV France 12, Pr9-119 (2002).

[11] A. A. Sinchenko and P. Monceau, "Superconductor (Nb) - charge density wave (NbSe3) point-contact spectroscopy", J. Phys: Condens. Matter. 15,4153-4160, (2003).

[12] A. A. Sinchenko, S. G. Zybtsev and I. G. Gorlova, Yu. I. Latyshev, V. Ya. Pokrovskii and P. Monceau, "On the critical current for the charge density wave transport", J. Phys. IV France 12, Pi9-127-Pr9-128, (2002).

[13] А. А. Синченко, Ю. И. Латышев, С. Г. Зыбцев, И. Г. Горлова, "Особенности микроконтактных спектров металл -квазиодномерный проводник с волной зарядовой плотности", Письма в ЖЭТФ 67,146-151, (1998).

[14] А. А. Синченко, В. Я. Покровский, С. Г. Зыбцев, "Управление электронным спектром квазиодномерного проводника К0.3М0О3 с помощью микроконтакта", Письма в ЖЭТФ 74,191-194,(2001).

[15] А. А. Синченко, В. Я. Покровский, "Деформация волны зарядовой плотности вблизи микроконтакта с нормальным металлом", ЖЭТФ 128,1288-1297, (2005).

[16] A. A. Sinchenko, V. Ya. Pokrovskii, "Effect of commensurability on the CDW deformation near a point contact", J. Phys. IV France 131,227-229, (2005).

[17] A. A. Sinchenko, V. Ya. Pokrovskii, "Effect of strong deformation on a charge density wave in the vicinity of a point contact with a normal metal", Proceeding of workshop "Recent Developments in Low Dimensional Charge Density Wave Conductors Skradin, Croatia, June, 29-July,3,2006.

[18] Ю. И. Латышев, А. А. Синченко, Л. H. Булаевский, В. Н. Павленко и П. Монсо, "Когерентное туннелировапие между элементарными проводящими слоями в проводнике с волной зарядовой плотности NbSe3", Письма в ЖЭТФ 75,103-108, (2002).

[19] Yu. I. Latyshev, P. Monceau, A. A. Sinchenko, L.N. Bulaevski, S. A. Brazovskii, T. Kawae and T. Yamashita, "Interlayer tunnelling spectroscopy of the charge density wave state in NbSe3", J. Phys. A: Math. Gen. 36,9323-9336, (2003).

[20] Yu. I. Latyshev, P. Monceau, S. A. Brazovskii, A. P. Orlov, A. A. Sinchenko, Th. Fournier, E. Mossang, "Interlayer tunneling spectroscopy of layered CDW materials", J. Phys. IV France 131,197-202, (2005).

[21] YuJ.Latyshev, P.Monceau, a.P.Oilov, a.a.Sinchenko, s.a.Brazovskii, L.N.Bulaevskii, Th.Fournier, T.Yamashita, T.Hatano, J.Markus, J.Duma, C.Schlenker, "Interlayer tunneling spectroscopy of layered high temperature superconductors and charge density wave materials", Proceeding of workshop "Recent Developments in Low Dimensional Charge Density Wave Conductors Skradin, Croatia, June, 29-July,3, 2006 (invited report).

[22] A. A. Sinchenko and P. Monceau, "Coherent-noncoherent tunneling crossover in NbSe3-NbSe3 point contacts", Phys. Rev. В 76,115129, (2007).

[23] A. A. Sinchenko and P. Monceau, "Tunnelimg spectroscopy ofNbSej in high magnetic field", Phys. Rev. В 67,233103 (2003).

[24] А. А. Синченко, Ю. И. Латышев, и П. Монсо, "Особенности магнитосопротивления квазиодномерного проводника с волной зарядовой плотности NbSe3 при различной ориентации магнитного поля". Письма в ЖЭТФ 81,162-165, (2005).

[25] A. A. Sinchenko, Yu. I. Latyshev, A. P. Orlov, P. Monceau, "Unusual magnetotransport properties of NbSe3 single crystals at low temperature", J. Phys. IV France 131,273-276, (2005).

[26] A.A. Sinchenko, Yu.I. Latyshev, A.P. Orlov, A.A. Ivanov and P. Monceau, "Hall effect and negative magnetoresistance in thin ciystals of NbSes", Europhys. Journal. 63, (2008) 199204.

[27] A.A. Sinchenko, R.V. Chemikov, A.A. Ivanov, P. Monceau and T. Crozes, "Hall effect in the pinned and sliding charge density wave state of NbSe3", J. Phys: Condens. Matter. B21, (2009)435601.

[28] A.A. Sinchenko, P. Monceau, T. Crozes, R.V. Chemikov, A.A. Ivanov, "Hall effect in the pinned and sliding charge density wave state of NbSe3", Physica B404, (2009) 426-429.

[29] А. А. Синченко, Ю. И. Латышев, А.П. Орлов и П. Монсо, "Аномальная асимметрия магнетосопротивления монокристаллов NbSej", Письма в ЖЭТФ 84,329-333, (2006).

Подписано в печать: 17.03.2010

Заказ № 3409 Тираж - 90 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

1. Введение

2. Свойства проводников с ВЗП

2.1. Возникновение ВЗП

2.2. Материалы с ВЗП

2.2.1. Молибденовые бронзы

2.2.2. Металлохалькогениды МХз

2.3. Спектроскопия энергетической щели ВЗП

2.4. Физические явления на контакте Ы-ВЗП

2.5. Системы с ВЗП в квантующих магнитных полях

2.6. Выводы

3. Экспериментальные методы

3.1. Физические основы метода микроконтактной спектроскопии

3.1.1. Микроконтактная спектроскопия нормальных металлов

3.1.2. Микроконтактная спектроскопия сверхпроводников

3.1.3. Микроконтактная спектроскопия полупроводников

3.2. Измерительные стенды

3.2.1. Измерение температурных зависимостей сопротивлений

3.2.2. Измерение характеристик микроконтактов

3.2.3. Измерение в магнитных полях

3.3. Образцы

3.3.1. Отбор монокристаллов

3.3.2. Структуры для исследования отражения нормальных носителей на границе 1М-ВЗП

3.3.3. Мезоструктуры на основе ЫЬБез

3.3.4. Структуры для исследования магнитотранспортных свойств №>8е

3.4. Выводы

4. Спектроскопия пайерлсовской энергетической щели в контактах N

4.1. Рассеяние носителей на границе раздела Ы-ВЗП

4.2. Спектроскопия пайерлсовской энергетической щели в №>8ез

4.3. Микроконтакты сверхпроводник-№>8ез

4.4. Выводы

5. ВЗП при больших плотностях тока

5.1. Эффект большого тока в К0.3М0О3.

5.2. Точечные контакты NbSe3-NbSe3 при больших плотностях тока.

5.3. Эффект большого тока в сверхтонких монокристаллах ТаБз.

5.4. Возможные механизмы подавления ВЗП большой плотностью тока

6. Микроконтакты нормальный металл-ВЗП с полной диэлектрилизацией электронного спектра

6.1. Теоретическая модель точечного контакта металл-полупроводник с ВЗП

6.2. Высокоомные микроконтакты С11-К0.3М0О3 при высоких температурах.

6.3. Низкоомные микроконтакты С11-К0.3М0О3.

6.4. Микроконтакты Си-ТаБз.

6.5. Микроконтакты С11-К0.3М0О3 при низких температурах.

6.6. Выводы

7. Внутреннее межслоевое туннелированне в слоистых соединениях с ВЗП.

7.1. Межслоевое туннелированне в мезоструктурах на основе NbSe3.

7.2. Модель когерентного межслоевого туннелирования.

7.3. Поперечный транспорт в симметричных контактах NbSe3-NbSe3.

7.4. Выводы

8. Некоторые свойства NbSe3 в магнитных полях.

8.1. Микроконтакты N-NbSe3 в магнитных полях.

8.2. Осцилляции Шубникова-де-Гааза в NbSe3 при различной ориентации магнитного поля.

8.3. Эффект Холла и магнитосопротивление NbSe3.

8.4. Отрицательное магнитосопротивление NbSe3 в слабых магнитных полях.

8.5. Эффект Холла при движущейся волне зарядовой плотности

8.6. Выводы

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.