Особенности атомной структуры и их влияние на некоторые свойства аморфных твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.Ч.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

§ I. Современные общие представления о структуре неметаллических аморфных твердых тел.

§ 2. Низкотемпературные аномалии и специфика атомной структуры стекла.

§ 3. Постановка задачи

ГЛАВА 2. ШОГОЯМНЫЕ И КРИТИЧЕСКИЕ АТОМНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ В АМОРФНЫХ СИСТЕМАХ

§ I. Введение.

§ 2. Одномерная квазимолекула.

§ 3. Неодномерная квазимолекула.

§ 4. Общее рассмотрение.

§ I. Атомные -туннельные состояния в двухямных потенциалах. 58

§ 2. Низкотемпературная теплоемкость туннельных состояний. 64

§ 3. Роль туннельных состояний в низкотемпературной теплопроводности. 71

§ 4. О зависимости измеряемой низкотемпературной теплоемкости от времени эксперимента. 76

§5. Заключение. 81

ГЛАВА 4. АВТОЛОКАЛИЗАЦШ ЭЛЕКТРОННЫХ ПАР В МОДЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ С КРИТИЧЕСКИМ ПОТЕНЦИАЛОМ

§ I. В в е д е н и е. 84

§ 2. Автолокализация электронных пар в условиях сильной релаксации атомной системы . 91

§ 3. Заключение . 98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.103

ЛИТЕРАТУРА. 106

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последнее время исследование свойств аморфных материалов является одним из наиболее актуальных направлений физики конденсированных систем. Важный класс аморфных материалов составляют диэлектрические и полупроводниковые стекла, нашедшие широкое применение в современной технике.

Теоретические исследования стеклообразных материалов стимулировались интенсивным экспериментальным изучением свойств аморфных веществ. Был выявлен ряд аномальных низкотемпературных тепловых и ультразвуковых свойств, присущих именно стеклообразным системам. В халькогенидных стеклообразных полупроводниках обнаружено явление сильного локального притяжения носителей заряда одного знака.

Всвязи с попытками объяснения этих свойств широкое распространение получили концепции двухямных атомных потенциалов и отрицательной эффективной корреляционной энергии. Однако микроскопическая природа двухямных потенциалов и отрицательности эффективной корреляционной энергии остаются открытыми, что и обуславливает актуальность теш исследования.

Цель работы заключается:

1. В выявлении типичных форм локальных атомных потенциалов в аморфных материалах, исследовании их структуры;

2. В изучении роли выявленных типичных потенциалов в тепловых и электронных свойствах стекол.

Научная новизна. В аморфных материалах выявлен новый класс атомных потенциалов, названных критическими.

Получен качественный вид распределения параметров определяющих вид потенцналов в аморфных веществах.

Показана типичность класса двухямных критических потенциалов дат аморфных структур.

На основании развитых представлений с единых позиций рассмотрены низкотемпературные тепловые свойства аморфных материалов и явление автолокализации электронных пар. При этом показано, что двухуровневые системы в критических двухямных потенциалах могут привести к экспериментально наблюдаемым линейной температурной зависимости теплоемкости к квадратичной температурной зависимости теплопроводности. Изучена зависимость теплоемкости от времени проведения эксперимента.

Показано, что эффективная корреляционная энергия при автолокализации электронных пар в структуре с критическим потенциалом может быть отрицательной.

Практическая ценность работы заключается в развитии представлений об атомной и электронной структурах аморфных веществ, необходимых при разработке приборов, использущих аморфные материалы.

Пу бликации. Основные результаты диссертации изложены в 7 публикациях, в том числе 5 научных статьях и тезисах двух конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Объем диссертации составляет страниц ма

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. В аморфных материалах выявлен новый класс атомных потенциалов, названных критическими потенциалами. По определению, критические потенциалы характеризуются аномально малыми значениями локальных квазиупругих констант.

2. Флуктуации структурных параметров в аморфных системах могут привести к образованию многоямных потенциалов. Показано, что в материалах с низкой координацией типичные многоямные потенциалы являются критическими двухямными.

3. Типичные критические атомные потенциалы в аморфных системах являются эффективно одномодовыми, предложено их аналитическое описание. Найден качественный вид вероятностных распределений флуктуирующих параметров, определящих форму типичных критических потенциалов.

4. Показано, что низкотемпературная теплоемкость структур с критическими потенциалами приблизительно линейно зависит от температуры, а низкотемпературная теплопроводность - приблизительно квадратично. Эти зависимости согласуются с результатами измерений низкотемпературной теплоемкости и теплопроводности аморфных мл т ериалов.

5. Низкотемпературная теплоемкость, обусловленная туннельными состояниями в двухямных потенциалах, зависит от времени эксперимента. Однако эта зависимость не сводится к простой логарифмической (предполагавшейся до настоящего времени), а является более сложной и имеет тенденцию к насыщению при больших I0~5 * I0"4c) временах измерений.

6. Выявлена возможность существования двух типов туннельных состояний, по разному взаимодействущих с фононами.

7. Численное исследование явления автолокализации электронных пар в модельных структурах с критическим потенциалом указывают на возможность спаривания носителей заряда одного знака в подобных структурах. При этом эффективная корреляционная энергия оказывается немонотонной функцией величины локальной квазиупругой константы критического потенциала.

Считаю приятным долгом поблагодарить М.И.Клингера за помощь оказанную при работе над диссертацией, и В.Г.Карпова за плодотворное сотрудничество и поддержку.

I.Ioffe and Kegel' A.R.Non-cry^alline, amorphous and liquid electronic Semiconductors. - Progr.Semicona,, I960 , v.4, p.237 - 291.

2.Мотт.'Н.1,чД©вис Э.Электронные процессы в некристаллических веществах. - М»: Мир, 1982-662 с,

3.Лифшц И,М. 0 структуре энергетического спектра и квантовых состояниях неупорядоченных конденсированных систем. - УФБ, 1954, т.83, № 4, с.617 - 636.

4.Губанов А.И. Квантово-электронная теория аморфных проЕоцни -ков. - М.-Л.: Изд. АН СССР, 1963, 250 с.

5.Banyai L. On the theory electroconductivity of amorphous semiconductors. - Physique des Semiconductors. - ParistDu-nod, 1964. - D.4T7.

3.Anderson P.W, Absence of diffusion in certain random lattice. - Phys.Rev., 1958, v.I09, p.1492 - 1505.

7. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легирован -ных полупроводников. - М.: Наука, 1979, - 416 с.

S.Cohen М.Н., Fritzsche н», Ovshinsky S.R. Simple-band model for amorphous semiconducting alloys. - Phys.Rev.Lett.,1969, v»22, p.1065 - 1069.

-9,Колошец Б* T*, Горюнова Н.А. Электрические свойства и структура некоторых материалов в системе Ti-st-se.- ЖТБ, 1955> т.25 с.984 - 994.

10.Горюнова Н.А., Коломиец Б. Т. Новые стеклообразные полупроводники. - Изд.АН СССР, серия физич., 1956,т.20,с. 1496-1499.

IX.Kolomiets В.Т. Vitreous Semiconductors (I),(II). - Phys.St.

Sol., 1964, v.7, p.359 - i>72; 713 - 7Ы.

12.Аморфные полупроводники. (Под ред.M.Бродеки). - М.: Мир, 1982, с. 420.

13. Kosek F„, Tauc J. Absorption edge of the vitreous ASgSe^. - Caech.J.Phys.,1970,v.20, p.94 - 100.

T4. Kolomiets B.T., Mazets T.F., Efendiev Sh.M. ana Andriesn

A.M. - On the energyspectrum of vitreous arsenic sulphide. J.Non-Cryst.Solids, 1970, v.4, p.45-56.

15. Wood D.L. and Tauc J.l'feak Absorption Tails in Amorphous Semiconductors. - Pnys.Rev. B,I972, v.5, p.3144 - 3151.

Тб. Kolomiets B.T. The energy spectrum and transport mechanism for current carriers in amorphous semiconductors. Proc.IX Intern.Conf. on the Physics of Semiconductors. Leningrad, 1968, p.1259 - 1267.

17. Kolomiets B.T., Mamontova T.N.and Negreskul V.V. Recombination radiation of vitreous semiconductors. - Phys.Sta.Sol., 1963, v.27, P. K-15 - KT6.

18. Agarval S.C. Nature of localized ssates in amorphous semi -conductors - a study by electron spin resonance. -Phys.Rev.В,

1973, v.7, p.685 - 691.

ГУ. Bishop S.G., Strom U, Taj^ior P.O. Optically induced meta-stable paramagnetic states in amorphous semiconductors. -Phys.Rev. B,T977, v.15, p.2278 - 2294.

20. Anderson ^.V'. T^odel for the electronic structure of amorphous semiconductors. - Phys.Rev.Lett., 1975,v.34,p.953 -955.

2T, Kastner M., Adler D.,Fritzsche H. Valence-alternation model for localized gap states in lone-pair semiconductors. - Phys. Rev.Lett., Г976, v.37, p.1504 - 1507.

22. Zeller R.C. and Pohl R.0. Thermal conductivity апй specific ' heat of noncrystalline solids. - Phys.Rev.B, 1971, v.4, p.2029 - 2041.

23. Amorphous Solids: Low temperature properties. (Edited by W.A.Phillips. - Berlin:Springer-Verlag,I98I.

24. Попов А,С. Новая модель дефектов в халькогенидных стеклообразных полупроводниках. - Письма в Ж Э1Ф, 1980, т.31, с.437-440.

25. Hunklinger S. and Arnold W% Ultrasonic properties of glasses at low temperatures. - Pnysical Acoustics, v. 12, рУ155 --215 (Edited by N.Thurston and W.P.Mason.-New York: A.cademie, Г9Т6.

26. Stephens R.B. Intrinsic low-temperature thermal properties of glasses. - Phys.Rev.B,T976, v.13, p.852 - «65.

27. -Tones D.P., Thomas N., Phillips W.A. The low-temperature thermal properties of amorphous arsenic. - Phil.Mag.,1978, v.B 38.

2§¥v. Lohneysen н. ana Schink H.J. Specific neat of amorphous germanium at very low temperatures. - Phys.Rev.Lett,,1982, v.48, p.TI2I - IT24.

29. v.Lohneisen H. t.0w energy excitations in amorphous metals.

- Phys.Rep.,T98I, v.79, No 3.

30. Anderson P.W., Halperin B.I. and Warm a C.M, Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spin glasses.

- Phil^ag., 1972, v.25,p.T-9.

31. Phillips W.A. Tunneling states and low-temperature thermal properties of glasses. - J.Low Temp.Phys.,1972,v.7,p.351.

32. Meisner M. and Spitzman K.Experimental evidence on time-dependent specific heat in vitreous silica. - Phys.Rev.Lett., 1987,v.46, p.265 - 268.

53. Loponen M.T., Dynes R.C,, Narayanamurti V. ana Garno J.P.

Measur ment of the time-dependent specific heat of amorphous materials. - Phys.Rev.B.,1932,v.25, p. II6I - 1173.

34. Карпов В.Г., Клингер М.И. О возможной природе атомных туннельных состояний в ко валентных стеклах и некоторых родственных системах. - Письма в ЗШ, 1980,т.6,с. 1478- 1483.

35. Клингер М.И., Карпов В.Г. Автолокализация электронных пар в структурах с туннельными состояниями (локальные центры с межэлектронным притяжением). - Письма в яЛФ, 1989, т.б, с.1473 - 1478.

36. Vanaerbilt D. ,Xoannopoulos J.D. Structural excitation energies in selenium. - Sol.St.Commun, T980, v.35, p.535-539.

37. Cohen I'.H., Grest G.S. Origin of low-temperature tunneling states in glasses. - Phys.Rev.Lett., Г930, v.45,p.f27T~ - 1274.

33. Phillina Т.О. Structural model of two-level glass states.-Phys.Rev.R , I98T,v^f, p.T744 - If£b.O.

39. Ignatiev F.W., Karpov V.G. and TClinger M.T. Atomie,critical potentials and structures of non-single-well potentials in glasses. - J.Non-Cryst.Sol.,1933, v.55, p.307

40. Poston Т., Stewart I. Catastrophe theory ana its applications. - London; Pitman, 1978.

4r. Стоунхэм A.M. Теория дефектов в твердых телах. - М.: Мир, 1978. - т, 1,557 е.; т.2, 35? с.

42. Ландау Л.Д. ,Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М.: Наука, 1974, 752 с.

43. Клингер М.И., Карпов В.Г. Автолокализация электронных пар в неупорядоченных системах. - Ж 8И&, 19S2, т.82,с.1687 - 1703.

44. Baraff G.A. , Kane Е.П., Schltiter Simple PeJ4UBetoleed по d.el for Jahn-Teller systems: Vacancy in p-type silicon. -PJjys.Rev.B, 1980, v.21, p.3563 - 3570.

45* Милне А.Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках. -М«: Мир, 1977. - 562 с.

45, Karpov V.G., Klinger М.Г., Ignatiev F.N. Atomic tunneling states and 1оw-temperature anomalies of thermal properties in amorphous materials. - Sol.St.Comm., 1082, v.44, rx.333 - 331.

47. Игнатьев Ф.Н., Карпов В.Г., Кяингер М.И. Автолокализация электронных пар в модельной структуре с критическим потенциалом. - ФТТ, 1983, т.25, $ 5, с. 1265 - 1269.

48. Игнатьев Ф.К., Карпов В.Г., Клинрер М.И.Двухямные атомные потенциалы - типичные неодноямныэ потенциалы в аморфных структурах. - ДАН СССР, 1983, т.269, № 6, с. 1341 - 1345.

49. Black J.L. Relationship between the time dependent specific heat ana the ultrasonic properties of glasses at low temperatures. - Phys.Rev.B, 1978, v.17, p.2740 - 275У.

50. Sethna J.P. Decay rates of tunneling centres coupled to pho-nons: An instanton approach. - Phys. Rev. B, 1982, v.25, p.5050 - 5063.

- Sethna J.P. Phonon coupling in tunneling systems at zer-o temperature: An instanton approach. - ^hys.Rev. В, T98I, v.24, p.698 - 713.

5T, Black J.L., Halperin Spectral diffusion, phonon echoes, and saturation recovery in glasses at low temperatures. Phys.Rev. В, T977, v.16, p.2879 - 2895.

52. Игнатьев Ф.Н., Карпов В.Г., Елингер М.И. Неустойчивость атомных потенциалов и критические двухямные потенциалы атомов е аморфных структурах. - В кн.;Тезисы докладов Международного симпозиума "Синеритика". - Таллин: Иэд.АН ЭССР,1982,т. 1,с.

53. Игнатьев Ф.К., Карпов В.Г., Клингер М.И. Критические атомные потенциалы и особенное та тепловых и ультразвуковых явлений в аморфных полупроводниках. - В кн.: Тезисы Всесоюзной конференции по физике полупроводников. - Баку: ЭЛМ, 1982, т.З, с.З.

54-, Карпов В.Г. Клингер М.И.,Игнатьев Ф.Н. Тзория низкотемпературных аномалий тепловых свойств аморфных структур. -Ж Э1Ф, 1983, т.34, с.760 - 775.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ