Теоретическое исследование автоэлектронной эмиссии из сверхпроводящих материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние теории автоэлектронной эмиссии из сверхпроводников

1.1 Описание автоэлектронной эмиссии на основе метода туннельного гамильтониана

1.2 Автоэлектронная спектроскопия металлических БКШ сверхпроводников

1.3 Исследование сильноточной автоэлектронной эмиссии из сверхпроводников

1.4 Предпосылки создания теории автоэлектронной эмиссии из высокотемпературных сверхпроводников

1.5 Выводы по вводной главе и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. Основные эмиссионные характеристики БКШ сверхпроводников

2.1 Основные автоэмиссионные характеристики БКШ сверхпроводников в неравновесном состоянии ' I

2.2 Токовые методы эмиссионных исследований сверхпроводников

2.2.1 Плотность тока автоэлектронной эмиссии в сверхпроводящем состоянии

2.2.2 Экспериментальные методы и интерпретация полученных результатов

2.3 Выводы

ГЛАВА 3. Самосогласованное описание автоэлектронной эмиссии из БКШ сверхпроводников с учетом неравновесных явлений

3.1 Механизмы, определяющие критическую плотность тока автоэлектронной эмиссии из БКШ сверхпроводников

3.2 Влияние внешних полей на сверхпроводящие свойства эмиттера

3.2.1 Экранировка внешнего электрического поля

3.2.2 Критический ток сверхпроводящего эмиттера, обусловленный влиянием собственного магнитного поля

3.3 Исследование неравновесных стационарных состояний БКШ сверхпроводников в процессе автоэлектронной эмиссии

3.3.1 Выбор физической модели и геометрии задачи

3.3.2 Основные уравнения и соотношения

3.3.3 Граничные условия. Эмиссионный источник неравновесности

3.3.4 Модель с фононным термостатом

3.3.5 Диффузионная модель

3.4 Общие замечания

Изучение явления автоэлектронной эмиссии с поверхности твердых тел сыграло исторически важную роль в развитии принципиальных основ современной физики. Так, явление автоэлектронной эмиссии было одним из первых примеров реализации туннельного прохождения, существование которого подтвердило важнейшие принципиальные положения квантовой механики. К тому же исследование данного явления с поверхности металлов позволило проверить правильность выводов квантовой статистики Ферми-Дирака, а информация, полученная при этом исследовании, была существенно использована при построении модели металлов Зоммерфельда, сохранившей и до нашего времени свое значение. В последнее время автоэмиссионная спектроскопия стала одним из важных инструментов в исследовании свойств и структуры электронного строения металлов и полупроводников. Значительно расширилось и число объектов изучения методами автоэлектронной эмиссии, к которым можно отнести уже большинство проводящих конденсированных сред, в том числе и сверхпроводники.

Можно отметить, что в основе автоэмиссионных методов лежит притягательная идея реализации экспериментальной процедуры, позволяющей "извлечь электрон без возмущения и проанализировать его состояние". Таким образом, минимизация воздействия на электронную систему является отличительным свойством электронной спектроскопии, в основе которой лежит явление автоэлектронной эмиссии. Важно так же подчеркнуть и другие преимущества эмиссионных методов исследования электронной структуры твердых тел. Прежде всего, это высокое пространственное разрешение, контроль состояния поверхности исследуемого объекта в процессе эксперимента, бесконтактность. Действительно, современная экспериментальная методика позволяет в процессе эксперимента наблюдать поверхность образца с атомным разрешением и анализировать атомную структуру как поверхности, так и объема исследуемого материала посредством контролируемого полевого испарения. Полевая электронная микроскопия и спектроскопия позволяет получать информацию об электронных свойствах исследуемого материала, это, прежде всего, плотность заполненных состояний, работа выхода, характерные черты топологии поверхности Ферми, концентрации свободных носителей и т.д.

Длительное время теоретическое описание автоэлектронной эмиссии достаточно было проводить в рамках относительно простых моделей твердого тела с использованием существенно упрощающих теорию модельных предположений. Следует отметить, что, несмотря на свою упрощенность, данная теория оказалась чрезвычайно убедительной и эффективной в описании интегральных эмиссионных характеристик. Например, установленный теоретически закон Фаулера-Нордгейма для автоэлектронной эмиссии подтверждается для большинства металлов при изменении эмиссионного тока в пределах более десяти порядков. Однако, в связи с тем, что в последнее время благодаря развитию экспериментальных методик появились многочисленные данные, не укладывающиеся непосредственно в рамки первоначальных упрощающих представлений, и теория автоэлектронной эмиссии претерпевает заметные качественные изменения.

В данной работе исследуются автоэмиссионные свойства сверхпроводящих материалов. При этом объектом изучения являются как традиционные металлические БКШ сверхпроводники, так и высокотемпературные медно-оксидные соединения. Выбор первых обусловлен прежде всего тем, что на сегодняшний день только для них существует теория сверхпроводимости. С другой стороны, несмотря на проведенные экспериментальные исследования, до сих пор так и не развиты экспериментальные методики исследования сверхпроводящих свойств этих материалов методами автоэлектронной эмиссии. В качестве причин можно отметить как принципиальные трудности, связанные с конечной разрешающей способностью спектроскопической аппаратуры, так и недостаточное развитие теоретического фундамента проводимых исследований.

В настоящее время электронные свойства ВТСП материалов стали предметом экспериментальных исследований методами полевой электронной и ионной микроскопии и спектроскопии. При этом большой объем экспериментальных исследований был выполнен в Институте электрофизики УрО РАН. Было показано, что автоэмиссионные методики обладают рядом преимуществ перед другими экспериментальными методами изучения электронного строения ВТСП материалов. Однако теоретические исследования в этой области, выходящие за рамки "традиционных металлических подходов", автору данной работы не известны. Очевидно, что, как и для практически любого другого спектроскопического метода, интерпретация экспериментальных результатов, полученных на основе эмиссионных методик, невозможна без создания должного теоретического базиса. Поэтому вовлечение медно-оксидных соединений в круг материалов, исследуемых методами автоэлектронной эмиссии, потребовало построения теоретических подходов с учетом особенностей их электронного строения.

В заключение обсуждения актуальности выбора темы исследования подчеркнем еще одно важное обстоятельство. Проведенные исследования по устойчивости и работоспособности полупроводниковой микроэлектроники в условиях интенсивного радиационного и электромагнитного воздействия вновь вызвали резкое повышение интереса к вакуумным электронным технологиям. Это привело в конце 20 столетия к развитию новой отрасли научных и технологических исследований, названной вакуумной микроэлектроникой, где явление автоэлектронной эмиссии занимает доминирующие позиции.

Целью данной работы является развитие теоретических подходов к описанию явления автоэлектронной эмиссии из сверхпроводников и изучение сопутствующих этому явлению процессов. При этом можно надеяться, что данные исследования будут полезными при разработке и совершенствовании экспериментальных методик исследования сверхпроводников автоэмиссионными методами и будут являться важным инструментом при интерпретации экспериментальных результатов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первой главе представлен краткий обзор результатов теоретических работ, посвященных рассмотрению эмиссионных свойств сверхпроводящих материалов. Проводится анализ использовавшихся ранее теоретических подходов. В отдельном разделе излагаются базовые принципы метода туннельного гамильтониана, обобщенного для описания автоэлектронной эмиссии, так как он до сих пор не опубликован ни в одной монографии по автоэмиссии и является базовым во всех последующих исследованиях данной работы. Здесь же представлены основные теоретические результаты по эмиссионной спектроскопии БКШ сверхпроводников, которые и определяют истоки взаимосвязи автоэлектронной эмиссии и сверхпроводимости.

основные результаты:

1. В рамках метода туннельного гамильтониана получены выражения для основных автоэмиссионных характеристик БКШ сверхпроводников в неравновесном состоянии, на основе которых проведен анализ формирования автоэмиссионного спектра в различных состояниях сверхпроводника и показано, что и в неравновесном состоянии сверхпроводящего эмиттера в эмиссионном спектре должна наблюдаться запрещенная полоса шириной, равной удвоенной величине сверхпроводящей щели.

2. В предположении малых токов эмиссии, когда неравновесными эффектами можно пренебречь, получены аналитические выражения для плотности тока автоэмиссии из БКШ сверхпроводников во всем температурном диапазоне вплоть до Тс. В целях развития «токовых» методов исследования сверхпроводников методами автоэлектронной эмиссии получены выражения для относительного изменения плотности тока автоэмиссии при переходе в сверхпроводящее состояние. При этом показано, что плотность тока эмиссии больше при наличии в системе куперовского спаривания во всем интервале температур вплоть до Тс.

Сравнительный анализ полученных результатов и имеющихся экспериментальных данных показал хорошее как качественное, так и количественное согласие.

3. Исследование влияния внешнего электрического поля на сверхпроводящие свойства металлических БКШ сверхпроводников в условиях автоэлектронной эмиссии позволило сделать вывод о том, что экранировка электрического поля аналогична данному явлению в нормальных металлах и приводит к тому, что поле проникает на глубину порядка длины Томаса-Ферми. При этом возникновение градиента химпотенциала сверхпроводящей компоненты препятствует ускорению конденсата и не приводит тем самым к разрушению сверхпроводящего состояния. Изменение сверхпроводящих свойств, вызванное проникновением электрического поля в металлический сверхпроводник, незначительно благодаря хорошим экранирующим свойствам и эффекту близости.

4. Развиты самосогласованные кинетические модели исследования неравновесных явлений, сопутствующих автоэмиссии из БКШ сверхпроводников с явным учетом неупругих процессов. Для этого получены выражения для эмиссионного источника неравновесности и граничных условий кинетической задачи самосогласованного определения неравновесной функции распределения квазичастиц и сверхпроводящей щели. На основе численного анализа кинетики квазичастиц в рамках «диффузионной» модели и модели «с фононным термостатом» исследована зависимость сверхпроводящей щели от плотности автоэмиссионного тока и показано, что накачка избыточных квазичастиц приводит к подавлению сверхпроводящей щели вблизи эмиссионной поверхности при больших плотностях автоэмиссионного тока.

5. Исследовано проникновение внешнего электрического поля в ВТСП эмиттер типа УВа2Сиз(>7 с учетом электронного строения, моделируемого в приближении сильной связи. Показано, что небольшая плотность состояний на уровне Ферми и спадающая нелинейная зависимость ее от энергии вызывает значительный загиб энергетической зоны носителей заряда, величина которого может быть соизмерима с полной шириной зоны при типичных автоэмиссионных полях.

6. Проведен анализ формирования автоэмиссионных спектров ВТСП эмиттера типа УВагСизОу в нормальном состоянии в направлении основных кристаллографических осей с учетом загиба энергетической зоны носителей тока и топологических особенностей существенно анизотропной зонной структуры данных соединений. Получены приближенные аналитические выражения для автоэмиссионных спектров в направлении [100], [110] и [001]. Объяснены основные «аномальные» автоэмиссионные характеристики УВа2Си307 с грани (100), наблюдаемые экспериментально. Показано, что комплексные данные по автоэмиссионной спектроскопии ВТСП эмиттеров типа УВа2Си307 позволяют исследовать основные параметры зонной структуры данных соединений. Показано, что топологические особенности зонной структуры в направлении [100] и [001] должны увеличивать эффективную работу выхода, измеряемую автоэмиссионной методикой.

Заключение

В результате проведенных исследований впервые были получены следующие

1. Bardeen J., Cooper L., Schriffer J. Theory of Superconductivity // Phys. Rev. - 1957. -Vol. 108, N5.-P. 1175-1204

2. Ralph Klein and Lewis B. Leder. Field Emission from Niobium in the Normal and Superconducting States // Phys. Rev. 1961. - V.124, N 4. - P. 1050-1052.

3. Par A. Leger. Emission de Champ a Partir d'un Supraconducteur // Le Journal de Physique. 1968. - T. 29, № 7. - P. 646-654.

4. J. W. Gadzuk. Many-Body Tunneling-Theory Approach to Field Emission of Electrons from Solids // Surface Sci. 1969. -V. 15. - P. 466-482.

5. Гогадзе Г.А., Кулик И.О. К теории автоэлектронной эмиссии в сверхпроводниках // Физика металлов и металловедение. 1967. - Т. 23, вып 4. - С. 606-615.

6. Schriffer J. R. Theory of Superconductivity. Benjamin, New York, 1964. P. 79.

7. Модинос А. Авто-, термо- и вторично-электронная эмиссионная спектроскопия: Пер. с англ. / Под ред. Г. Н. Фурсея. М.: Наука, 1990. - С. 16.

8. Prange R. Е. Tunneling from a many-particle point of view // Phys. Rev. 1963. -V. 131.-P. 1083-1086.

9. Ambegaokar V. and Baratoff A. Tunneling between Superconductors // Phys. Rev. Lett. 1963. - V. 10.-P. 468-489.

10. E.A. Литвинов, А.А. Старобинец. Предельные токи автоэлектронной эмиссии // ЖТФ.- 1977. -Т. 47, вып. 9. С. 2092-2094.

11. Е.А. Литвинов, А. А. Старобинец. Предельные токи сверхпроводящего автоэмиттера // Тр. I Всесоюз. Совещания по автоионной микроскопии, Харьков -1976.-С. 83-84.

12. Е.А. Литвинов, Г. А. Месяц, А. А. Старобинец. Критические параметры сверхпроводящего автоэлектронного эмиттера /У Докл. АН СССР. 1979. - № 2. -С. 352-354.

13. М.С. Аксенов, J1.M. Баскин, В.М. Жуков и др. Увеличение области локализации эффекта Ноттингама при АЭЭ в условиях низких температур // Изв. АН СССР, Сер. физ. 1979. - Т. 43, № 3. - С. 543-546.

14. A. Septier, Н. Bergeret. Field emission and effect of Nottingham // Rev.g. Eng. 1971. -N7,8.-P. 80-82.

15. H. Bergeret., A. Septier. Finding of cathode heating owing to Nottingham effect // C. r. Acad. Sc. 1973. - V. 277, N 17. - P. 489-492.

16. В.М. Жуков, М.С. Аксенов, Г.Н. Фурсей. Особенности предпробивных эффектов при автоэмиссии больших плотностей: в кн. Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума по сильноточной электроники. Ч. I, Томск: изд. ИСЭ СО АН СССР. -1982.-С. 30-33.

17. S.A. Barengolts, Е.А. Litvinov and I.V. Uimanov. Nonequilibrium effect in field electron emission from superconductors // Surface Sci. 1992. - Vol. 266. - P. 132136.18.21