Радиочастотный размерный эффект при диффузии примесей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

Глава I. ВВЕДЕНИЕ.

§ I. Радиочастотный размерный эффект типа отсечки.

§ 2. Эффективное уменьшение толщины пластины при отсечке электронных траекторий на диффузном слое примесей.

§ 3. Краткий обзор экспериментальных методов исследования диффузии в металлах.

Глава П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА.

§ I. Изготовление образцов.

§ 2. Измерительная установка.

2.1. Гелиевый прибор.

2.2. Блок-схема измерительной установки.

§ 3. Нанесение пленок металлов.

§ 4. Диффузионный отжиг образцов.

Глава Ш. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИФФУЗИИ ПРИМЕСЕЙ НА ФОРМУ И ПОЛОЖЕНИЕ ЛИНИЙ РАДИОЧАСТОТНОГО РАЗМЕРНОГО

ЭФФЕКТА.

§ I. Предварительное определение коэффициента диффузии.

§ 2. Радиочастотный размерный эффект на ранних стадиях диффузии примесей.

2.1. Влияние диффузии примесей в приповерхностный слой на форму и амплитуду линий РРЭ.

2.2. Диффузия примесей, создающих сверхпроводящий слой с высоким критическим полем, и наблюдение андреевского отражения носителей тока.

§ 3. Расчет формы и положения линий РРЭ при диффузии примесей.

§ 4. Сравнение экспериментальных и расчетных линий

4.1. Форма и положение линий РРЭ.

4.2. Определение коэффициента диффузии примесей.

Глава 17. РАДИОЧАСТОТНЫЙ РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ КАК НОВЫЙ

СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИФФУЗИИ В МЕТАЛЛАХ.

§ I. Обсуждение результатов по изучению диффузии различных примесей в индии.

§ 2. Характеристика нового способа изучения диффузии в металлах.

Измерение поверхностного импеданса чистых металлов в зависимости от магнитного поля позволяет обнаружить вклад в поверхностные токи, вносимый электронами, возвращающимися в скин-слой после движения по орбитам в глубине металла на расстояниях порядка длины свободного пробега электронов. С помощью современной технологии удается получать монокристаллы металлов, для которых длина свободного пробега / достигает при низких температурах величин порядка нескольких миллиметров. В этих условиях при измерении поверхностного импеданса оказывается возможным получать информацию о процессах, происходящих в металле на значительном расстоянии от поверхности, на которую падает радиочастотное излучение. В случае пластин с толщиной с! £ £ взаимодействие электронов с противоположной границей образца приводит к появлению ряда радиочастотных размерных эффектов (РРЭ), интенсивно изучавшихся ранее (см., например, /1,2/)Очевидно, однако, что этот метод может быть, в принципе, использован и для изучения взаимодействия электронов с любыми неод-нородностями структуры. Настоящая работа посвящена изучению РРЭ нового типа, возникающего при рассеянии электронов в слое примесей, диффундирующих в образец /3,4,5/. Интерес к его изучению связан с возможностью использования методики РРЭ для изучения процессов диффузии примесей малых концентраций в монокристаллах чистых металлов /6,7/.§ I. Радиочастотный размерный эффект типа отсечки.

- 103 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе экспериментально и теоретически исследован новый тип радиочастотного размерного эффекта, обусловленный отсечкой электронных траекторий в слое примесных атомов, продиф-фундировавших в глубь металлического монокристалла. Основные результаты, полученные в работе, можно сформулировать следующим образом:

1. При выполнении экспериментальной части исследований дальнейшее развитие получил ряд методических приемов. Была разработана и практически осуществлена более простая и доступная по сравнению с известными методика изготовления высококачественных ориентированных монокристаллических образцов чистых металлов. Ее применение позволило одновременно выращивать сразу несколько идентичных образцов, имеющих зеркально-гладкую поверхность. Была разработана также методика нанесения пленок различных металлов на поверхность образца, предварительно очищенную в тлеющем разряде чистого аргона. Очистка поверхности образца непосредственно перед нанесением на нее пленки металла, необходимая для создания хорошего контакта между нанесенной пленкой и образцом, позволила осуществить наблюдение андреевского отражения носителей тока при нанесении пленки сверхпроводящего металла, а также избежать влияния на процесы диффузии посторонних примесей и окисной пленки.

2.В работе был экспериментально обнаружен сдвиг линии РРЭ в большие поля, происходящий вследствие диффузии примесей и эффективного уменьшения толщины образца. Предложен простой и точный способ оценки коэффициента диффузии по величине эффективного уменьшения толщины образца, дающий удовлетворительные результаты даже без подробной информации о форме электронных траекторий и величине эффективного сечения рассеяния электронов на атомах диффундирующих примесей.

3. Для описания изменений формы и положения линии РРЭ, происходящих по мере диффузии примесей, был разработан метод расчета формы и положения линии РРЭ по исходному сигналу РРЭ. Это позволило определять коэффициент диффузии с высокой точностью из сопоставления экспериментально наблюдаемых и расчетных линий

Способ исследования процесса диффузии с применением методики РРЭ отличается: высокой (порядка нескольких процентов) точно-с ффузии; высокой чувствительностью фузионного отжига; широкой номенклатурой исследуемых веществ; возможностью изучать процессы диффузии при низких температурах. Использование для наблюдения РРЭ высококачественных монокристаллических образцов чистых металлов позволяет избежать влияния на процессы диффузии посторонних примесей и межкристаллических границ.

4. В работе показано, что форма линии РРЭ может меняться при проникновении атомов диффундирующего вещества на весьма малые с расстояния порядка 10 см. Этот эффект, связанный с изменением характера рассеяния электронов в приповерхностном слое примесей, позволит оценивать еще более низкие величины коэффициента диффу

5. В работе был также исследован радиочастотный размерный эффект, обусловленный андреевским отражением носителей тока от границы между нормальной и сверхпроводящей фазами. Граница между нормальной.и сверхпроводящей фазами создавалась при нанесении на поверхность монокристалла индия пленки свинца: диффузия атомов РВ из нанесенной пленки в приповерхностную область приводила к возникновению сверхпроводящего слоя с более высоким, чем у чистого Г/Ь , критическим магнитным полем. Анализ формы и по

РРЭ. максимальное время дифзии: ложения появившейся после нанесения свинцовой пленки новой линии РРЭ подтверждает правильность предположений Андреева о характере отражения носителей тока от границы между нормальной и сверхпроводящей фазами, происходящего с изменением знака заряда, эффективной массы и вектора скорости. ххх

Экспериментальные исследования, на основании которых написана настоящая диссертация, были выполнены в Институте физических проблем АН СССР при помощи и содействии всего коллектива сотрудников, которым я приношу сердечную благодарность. Я всегда буду признателен академику П.Л.Капице за предоставленную возможность выполнить работу в Институте. Глубоко благодарен академику А.И.Шальникову за неизменную доброжелательность, внимание и поддержку на протяжении всех лет работы в его лаборатории.

Считаю своим приятным долгом выразить признательность Ю.В.Шарвину за постоянную заботу, полезную критику и деловые советы.

На всех стадиях эта работа подробно обсуждалась с моим учителем и научным руководителем И.П.Крыловым. Я сердечно признателен Игорю Павловичу за кропотливое повседневное руководство ^работой, множество ценных замечаний и советов, за обсуждение экспериментов и их критику.

Глубоко признателен научным сотрудникам и товарищам по работе за помощь и дружеское участие, а также сотрудникам механической, радиотехнической, стеклодувной и гелиевой мастерских, обеспечивших проведение экспериментальных исследований.

1. Канер Э.А., Гантмахер В.Ф. Аномальное проникновение электромагнитного поля в металл и радиочастотные размерные эффекты.-УФН, 1968, т.94, № 2, с.193-241.

2. Wagner D.K,, Bowers R. The radio-frequency size effect: A tool for the investigation of conduction electrons scattering in metals."** Advances Phys., 1978, v.27, N5, p.651-746.

3. Гуденко C.B., Крылов И.П. Радиочастотный размерный эффект при рассеянии электронов на границе диффузного слоя примесей. -Письма в ЖЭТФ, 1978, т.28, № 4, с.243-246.

4. Гуденко C.B., Крылов И.П. Радиочастотный размерный эффект при диффузии примесей. ЖЭТФ, 1984, т.86, Ш 6, с.2304-2316.

5. Гуденко C.B., Крылов И.П. A.c. 697883 (СССР) Способ измерения коэффициента диффузии в монохфисталлических образцах чистых металлов. Опубл.в Б.И., 1979, № 42.

6. JPippard A.B. The surfase impedance of superconductors and normal metals at high frequencies. 11 The anomalous skin effect in normal metals. — Proc. Roy, Soc. A,, 1947, v. 191, N1026, P. 385-399*

7. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. Москва: Металлургия, 1978, 248 с.

8. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. Москва: Физматгиз, 1960,564с.

9. Зайт В. Диффузия в металлах. Москва: Иностранная литература, 1958, 381с.12¡г Боровский И.Б., Гуров К.П., Марчукова И.Д., Угасте Ю.Э. Процессы взаимной диффузии в сплавах. Москва: Наука, 1973, 359 с.

10. Шарвин Ю.В., Гантмахер В.Ф. Выращивание металлических монокристаллов в оптически полированных формах. ПТЭ, 1963, № 6, с.165-167.

11. Детнер Г.В., Эльз И. Справочное руководство по гальванотехнике. Часть Ш. Москва: Металлургия, 1972, 424 с.

12. Александров Б.Н., Дукин В.В. Влияние примесей на остаточное электросопротивление индия и галлия. ФНТ, 1976, т.2, № I, с.105-122.

13. Вол А.Е., Каган И.К. Строение и свойства двойных металлических систем. т.З. Москва: Наука, 1976, 814 с.

14. Мак-Дцамс В.Х. Теплопередача. Москва: Металлургия, 1961,686 с.

15. De Groot D.G., Hoff A.B.M., Rijsenbrij D.B.B., van Weeren J.H.P.

16. A KKRZ calculation on indium: 11 The Fermi surface as determined from radio-frequency size effect measurements.— — J. Fhys. F* Metal Fhys., 1977, v.7, N10, p.2077-2089.

17. Крылов И.П., Гантмахер В.Ф. Радиочастотный размерный эффект на опорной точке в индии. ЖЭТФ, 1966, т.51, $ 3(9), с.740-745.

18. Крылов И.П. Геликоны в монокристаллах индия в промежуточном состоянии. ЖЭТФ, 1976, т.71, $ 4(10), с.1620-1633.

19. Канер Э.А., Скобов В.Г. Электромагнитные волны в металлах в магнитном поле. УФН, 1966, т.89, Ш 3, с.367-408.

20. Эндрю Э.Р. Ядерный магнитный резонанс. Москва: Иностранная литература, 1957, 299с.

21. Гантмахер В.Ф. Изучение ферми-поверхности олова методом размерного эффекта. ЖЭТФ, 1963, т.44, № 3, с.811-822.

22. Александров Б.Н. Влияние размеров образцов чистых металлов на их электросопротивление. ЖЭТФ, 1962, т.43, № 2(8),с.399-410.

23. Вол А.Е. Строение и свойства двойных'металлических систем, т.2. Москва: Физматгиз, 1962, 982 с.

24. Гаспаров В.A., Митряев А.А. Исследование влияния поверхностного рассеяния электронов на радиочастотный размерный эффект в вольфраме. ЖЭТФ, 1979, т.77, В 3(9), с.II67-1173.

25. Крылов И.П., Шарвин Ю.В. Радиочастотный размерный эффект в слое нормального металла, граничащем со сверхпроводящей фазой. ЖЭТФ, 1973, т.64, № 3, с.946-957.

26. Колесниченко Ю.А., Песчанский В.Г. Высокочастотные эффекты в тонких слоях нормального металла, обусловленные андреевским отражением носителей заряда. ЖЭТФ, 1983, т.85, № 4(10)^ с.1409-1422.

27. Гантмахер В.Ф., Левиев Г.й., Трунин М.Р. Нелинейные резонансы на скачущих электронных траекториях вблизи поверхности металла. -ЖЭТФ, 1983, т.85, № 4(10), с.1489-1499.

28. Андреев А.Ф. Теплопроводность промежуточного состояния сверх- • проводников. ЖЭТФ, 1964, т.46, № 5, с.1823-1828.

29. Noto K., Muto Y., Fukuroi X. Second—kind superconductivity of indium-lead alloys. —J.Phys.Soc.Jap. 1966,v.21,N11,p.2122-213140*. Chambers R.G. The kinetic formulation of conduction problems.— — Proc.Phys.Soc. A.,1952,v.65,N6,p.458-459.

30. Канер Э.А. К теории гальваномагнитных ж термомагнитных эффектов в металлических пленках. ЖЭТФ, 1958, т.34, J& 3,- но с.658-669.

31. Бокштейн Б.С., Бокштейн С.З., Жуховщкий А.А. Термодинамика и кинетика диффузии в твердых телах. Москва: Металлургия, 1974, 280 с.

32. Anthony T.R., Turnbull D. On the theory of interstitial solution of the noble metals in lead, tin, thallium, indium and cadmium.— Appl.Phys.Lett., 1966, v.8, N5, p.120-121.