Влияние света на проводимость квазиодномерного проводника с волной зарядовой плотности ромбического TaS3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

О

Минакова Валерия Евгеньевна

Влияние света на проводимость квазиодномерного проводника с волной зарядовой плотности ромбического Тайз

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 О ОКТ 2013

005534665 Москва 2013

005534665

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук (ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН)

Научный руководитель:

Зайцев-Зотов Сергей Владимирович

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник

Официальные оппоненты:

Кирова Наталья Николаевна,

доктор физико-математических наук, Орсэ, Франция, ведущий научный сотрудник лаборатории физики твердого

Синченко Александр Андреевич,

доктор физико-математических наук, ФГБУН Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории низкоразмерных наноструктур

Ведущая организация: Московский Государственный

Университет им. М.В.Ломоносова

(физический факультет)

Защита состоится 8 ноября 2013 года, в 10— на заседании диссертационного совета Д 002.231.01 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, г. Москва, ул. Моховая, д. 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан 27 сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

С.Н. Артеменко

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Изучение физики квазиодномерных соединений с ВЗП является перспективным направлением развития современной электроники. Помимо природной малости размеров, эти соединения обладают уникальными свойствами, обусловленными наличием в них коллективного состояния — волны зарядовой плотности, а также возможностью его сосуществования и взаимодействия с одноэлектронными состояниями.

Квазиодномерные проводники представляют собой сильно анизотропные кристаллические структуры, состоящие нз параллельных металлических атомных цепочек, слабо связанных между собой Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием. При комнатной температуре они, как правило, имеют металлическую проводимость с ярко выраженной анизотропией. Электронный спектр характеризуется сильной одномерностью, а поверхности Ферми представляют собой две слабо гофрированные плоскости.

При понижении температуры в таких структурах может произойти фазовый переход, предсказанный Пайерлсом [1], в результате которого в квазиодномерном кристалле появляется периодическая деформация решетки, соответствующая волновому вектору <3 = 2кр (кр - волновой вектор Ферми). В простейшем случае она происходит в одном направлении - вдоль оси кристалла х. Ее сопровождает периодическая модуляция плотности электронов р = Рй + Р\ сое(С}х + ф), называемая волной зарядовой плотности (ВЗП). При этом в электронном спектре на уровне Ферми образуется пайерлсовская щель 2Д, и квазиодномерный металл по многим электрофизическим свойствам становится схож с полупроводником. Но помимо обычного одночастичного механизма проводимости, обусловленного квазичастицами, термически возбуждаемыми через пайерлсовскую щель, в пайерлсовских проводниках появляется

коллективный механизм проводимости, основанный на способности ВЗП перемещаться вдоль кристалла как единое целое под действием электрического поля и переносить ток (фрёлиховская проводимость [2]). Наличие коллективного состояния делает пайерлсовские проводники похожими на сверхпроводники. Однако величина электрического поля, необходимого для начала движения ВЗП, Ет, хотя и мала, но все же не равна нулю и связана с тем, что ВЗП в реальных кристаллах "цепляется" за примеси и дефекты (пиннинг). Это приводит к тому, что проводимость реальных кристаллов конечна.

Существование и движение ВЗП определяет многие интересные и перспективные для использования свойства квазиодномерных соединений [3]. Среди них: нелинейность вольт-амперных характеристик (ВАХ) при напряжениях, больших порогового (при этом коллективная нелинейная проводимость может на порядки превышать одночастичную омическую проводимость); генерация высокочастотных электрических колебаний с частотой, пропорциональной току ВЗП; резонансное взаимодействие движущейся ВЗП с внешним высокочастотным полем при соизмеримости его частоты и собственной частоты генерации колебаний; появление на ВАХ режимов переключения и гистерезиса. Также интересны с прикладной точки зрения свойства этих соединений, обусловленные сильным взаимодействием квазичастиц и ВЗП. Среди них: влияние движения ВЗП на поперечную проводимость квазичастиц и вклад в эффект Холла; экранирование деформации и поляризации ВЗП квазичастицами; гистерезисные явления в квазичастичной проводимости.

Интенсивные научные исследования пайерлсовских проводников начались в конце 70-х, но многие фундаментальные электрофизические свойства этих соединений до сих пор не поняты до конца. Так, в частности, к моменту начала данной работы отсутствие фотопроводимости, несмотря на многочисленные попытки ее обнаружить [4-7], трактовалось как специфическая особенность данных соединений.

Цель работы состояла в поиске и экспериментальном исследовании влияния света на омическую и нелинейную проводимость в ромбическом ТаЭз -пайерлсовском проводнике из группы трихалькогенидов переходных металлов, который может рассматриваться как модельное соединение с характерными для всех квазиодномерных проводников физическими свойствами. Для се достижения были решены следующие основные задачи:

1) Поиск необходимых условий для проявления влияния освещения на омическую проводимость в ТаБз, а также способов корректного измерения фотопроводимости в этом соединении.

2) Экспериментальное исследование особенностей фотопроводимости в ТаБз.

3) Экспериментальное исследование и сравнительный анализ характера фотопроводимости в номинально чистых образцах ТаБз и с примесями N1).

4) Экспериментальное исследование влияния света на нелинейную проводимость в Тайз

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Обнаружено, что освещение тонких кристаллов пайерлсовского проводника ТаЭз приводит к увеличению омической проводимости при температурах Т < 100 К. Величина фотопроводимости 5С зависит от интенсивности освещения IV и имеет немонотонный характер по температуре с максимумом в области 40 — 65 К.

2. В ТаБз обнаружены два режима рекомбинации носителей тока, ответственных за фотопроводимость: линейный и квадратичный. Доказано, что в области высоких температур, соответствующей режиму линейной рекомбинации, зависимость ¿(7(Т) обусловлена активационной зависимостью времени рекомбинации неравновесных носителей тока т ос ехр (Ет/кТ), а отклонение от этой зависимости при понижении температуры связано с переходом к квадратичной рекомбинации. Измерено время линейной рекомбинации возбужденных светом носителей тока, определена энергия активации его температурной

зависимости Ет = (1300 ± 100) К (для номинально чистых образцов).

3. Исследование фотопроводимости позволило впервые отделить вклад одночастичных возбуждений в низкотемпературную омическую проводимость в ТаЯз от остальных механизмов проводимости. Обнаружена активационная зависимость проводимости носителей тока, ответственных за фотопроводимость, (Зо(Т) ос ехр(Е^/кТ), и извлечена энергия активации одночастичных возбуждений, участвующих в фотоотклике Ед = (1200 ± 100) К.

4. Показано, что омическая проводимость С(Т) ос ехр(Еь/кТ) в ТаБз осуществляется, главным образом, не электронами и дырками, возбуждаемыми через пайерлсовскую щель, а коллективными возбуждениями, имеющими при Т < 100 К энергию активации Е£ = (500 ± 70) К много меньшую, чем величина пайерлсовской щели, и шунтирующими вклад одночастичных возбуждений, отвечающих за фотопроводимость.

5. Обнаружено, что при низких температурах (соответствующих области квадратичной рекомбинации) освещение образцов ТаБз изменяет состояние неподвижной ВЗП вследствие изменения процессов экранировки ее деформаций под действием света, что проявляется в появлении долгоживущей фотопроводимости с временами релаксации, превышающими 103 с.

6. Обнаружено, что в ТаБз в той же низкотемпературной области вызванное светом увеличение омической проводимости (3(И^) = С(0) + 5С(\У) приводит к изменению состояния движущейся ВЗП, проявляющегося в появлении целого ряда эффектов: подавлению нелинейной проводимости, росту порогового поля начала нелинейной проводимости Ет и возникновению переключений и гистерезиса в нелинейной проводимости.

7. Обнаружена корреляция между величиной Ет(№) и величиной изменяющейся под действием света линейной проводимости С(1¥). Предложено объяснение полученной зависимости Ет ос б1/3 в рамках модели слабого пин-нинга в одномерном случае: изменение порогового поля начала нелинейной

проводимости под действием света связано с уменьшением модуля упругости волны зарядовой плотности при освещении вследствие изменения условий экранировки из-за появления неравновесных носителей тока.

Практическая значимость.

1. Обнаружена возможность контролируемого изменения квазичастичной проводимости в TaS3 с помощью света, что, в свою очередь, позволяет управлять коллективными эффектами.

2. Предложена оригинальная методика изучения фотоотклика в пай-ерлсовских проводниках, содержащая рекомендации для корректного измерения фотопроводимости (использования тонких образцов, модулированного света, выбора температурного диапазона и т.д.) и открывающая широкие перспективы для исследований различных свойств пайерлсовских проводников.

3. Обнаружено, что из-за наличия сильной взаимосвязи между квазичастицами и ВЗП фотопроводимость пайерлсовских проводников - значительно более сложное явление, чем фотопроводимость обычных полупроводников. Следовательно, обнаружение и изучение этого явления важно для понимания фундаментальных свойств квазиодномерных проводников с ВЗП.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях: 12 и 13 Международных Симпозиумах «Наноструктуры: физика и технология» (Санкт Петербург, 2004 и 2005); VII, VIII и IX Российских конференциях по физике полупроводников «IIo-лупроводники-2005» (Звенигород), «Полупроводники-2007» (Екатеринбург), «Полупроводники-2009» (Новосибирск - Томск); Симпозиуме «Напофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2006); Международном Совещании «Последние достижения в низкоразмерных проводниках с волнами зарядовой плотности» (Скрадин, Хорватия, 2006); 3 Европейской конференции по фундаментальным проблемам мезоскопической физики и наноэлектроники

(Можакар, Испания, 2007); 4 и 6 Международном Совещании по электронным кристаллам «ЕСКУ8-2005» и «ЕСЫУ8-201Ь (Каргез, Франция); И, III, V, VII и IX Конференциях «Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления» (Троицк, 2004, 2005, 2007, 2009 и 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора заключается в выращивании кристаллов ТаБз; разработке методики изготовления и изготовлении тонких образцов ТаБз с площадям поперечного сечения ~ Ю-3 — 10"1 мкм2 с контактами; участии в создании экспериментальной установки; проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных и анализе полученных результатов; участии в написании научных статей и подготовке их к публикации; выступлении с докладами на российских и международных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 121 источник. Работа содержит 130 страниц, 36 рисунков и 2 таблицы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и перечислены основные решенные задачи, аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов и приведены выносимые на защиту научные положения.

Первая глава представляет собой обзор литературы, отражающий общую характеристику квазиодномерных проводников и содержащий теоретические и экспериментальные результаты исследования их физических свойств.

В начале отмечено, что в строго одномерных системах фазовые переходы невозможны из-за сильных одномерных флуктуаций. Межцепочечное

взаимодействие в реальных квазиодномерных кристаллах подавляет флуктуации и синхронизирует фазы ВЗП на соседних цепочках. В результате, при понижении температуры в большинстве квазиодномерных соединений вследствие развития пайерлсовской неустойчивости относительно образования сверхструктуры с новым периодом, соответствующим 2кр, реализуется пайерлсовский переход с возникновением энергетической щели на уровне Ферми и образованием трехмерно упорядоченной ВЗП. Механизм этого перехода рассмотрен для случаев двукратной и четырехкратной соизмеримости конечной и исходной решетки кристалла (второй случай осуществляется в ряде квазиодномерных соединений с ВЗП, в частности, в исследуемом ТаЯз).

Далее рассмотрено взаимодействие ВЗП с примесями и дефектами, разрушающее дальний порядок и приводящее к появлению конечной длины фазовой корреляции ВЗП, которое хорошо описывается моделью Фукуямы-Ли-Райса. [8], рассматривающей ВЗП как упругий электронный кристалл с бесконечным числом степеней свободы фазы ВЗП, находящийся в хаотическом потенциале примесей. В случае сильного пиннинга ВЗП взаимодействует с каждой примесыо независимо, роль упругости ВЗП пренебрежимо мала, а Ет пропорционально концентрации примесей щ. В случае слабого пиннинга ВЗП деформируется для минимизации энергии взаимодействия с примесями, при этом фаза ВЗП ф зависит от координаты х, а Ет описывается формулой

где К - модуль упругости ВЗП, -ш; - потенциал взаимодействия ВЗП с примесями, а Б - размерность пространства.

Далее описан процесс скольжения ВЗП при Е > Ет, сопровождающийся узкополосной генерацией электромагнитных колебаний, отмечена возможность крипа (переползания) ВЗП при Е < Ет вследствие преодоления энергетических барьеров, обусловленных пшшингом, за счет тепловых и квантовых

(1)

флуктуаций. Кратко описаны: процесс проскальзывания фазы ВЗП вблизи контактов при конверсии тока ВЗП в нормальный ток; нелинейные возбуждения ВЗП (амплитудные и фазовые солитоны), возникающие из-за наличия степеней свободы ВЗП и способные давать вклад в проводимость пайерлсов-ских проводников; а также метастабильные состояния ВЗП - их типы, причины происхождения, процессы их релаксации и способы их устранения.

Далее кратко рассмотрены модели движения жесткой ВЗП с независящей от координаты фазой [3] и полупроводниковая модель с уровнем химического потенциала, зависящим от деформации ВЗП [9], базирующаяся на подобии физических свойств полупроводников и пайерлсовских проводников с неподвижной ВЗП, которое обусловлено наличием энергетической щели в плотности состояний.

Далее в главе кратко охарактеризованы основные размерные эффекты в пайерлсовских проводниках [10], возникающие в случае, когда их размеры становятся меньше соответствующих длин фазовой корреляции.

В конце главы кратко сформулированы основные физические свойства ромбического ТаБз, выбранного в качестве объекта исследований.

Вторая глава посвящена изучению фотопроводимости в ТаЯз при стационарном освещении. В начале главы дан анализ результатов экспериментальных работ по поиску фотопроводимости в пайерлсовских проводниках, где подчеркнуто, что несмотря на наличие многих полупроводниковых свойств, никакого фотоотклика в области омической проводимости материалов с ВЗП не было найдено на протяжении более 25 лет их изучения [4-7]. Отмечено, что такое отсутствие фотопроводимости согласовывалось как с рядом теорий, в которых обосновывались чрезвычайно малые времена жизни квазичастиц ~ Ю-13 — 10~12 с [11], так и с экспериментально измеренными [12] временами рекомбинации электрон-дырочных пар в К0.3М0О3 (лежащими в субпи-косекундном диапазоне), полученными с помощью методов фемтосекундной

спектроскопии. Таким образом, на момент начала данной работы факт отсутствия фотопроводимости был общепризнанным и объяснимым.

В результате анализа всех имевшихся противоречивых работ по фотопроводимости пайерлсовских проводников, было принято решение продолжить поиск эффекта, но, в отличие от предшественников, использовать очень тонкие кристаллы с площадями поперечного сечения 5 = (2-10~3—2- Ю-1) мкм2. Это и способствовало экспериментальному обнаружению фотопроводимости, так как в таких тонких образцах, во-первых, увеличивается относительный вклад освещенной области, и фотопроводимость развивается во всем сечении образца, а не только в поверхностном слое из-за малой глубины проникновения света, как это было во всех предшествующих работах, во-вторых, радикально уменьшаются эффекты нагрева за счет исключительно хорошего теплового контакта с подложкой. Далее описаны методика изготовления таких тонких образцов; экспериментальная установка и методика измерений, позволяющие измерять очень малые токи ~ 10~14 А, обусловленные использованием высокоомных образцов; приведены параметры ИК светоди-ода, использованного для освещения образца: диапазон интенсивности света IV = (10 0 — 0.03) Вт/см2, длина волны А = 0.94 мкм (энергия фотонов была примерно в 5 раз выше ширины оптической пайерлсовской щели в ТаБз).

Зависящая от интенсивности света IV фотопроводимость <5(7(2"", IV) регистрировалась как изменение омической проводимости при включенном стационарном освещении по сравнению с темновой проводимостью: 5С(Т, ]У) = ОТ, И7) — С (Г, 0). Было обнаружено, что при температурах Т < 100 К омическая проводимость в тонких образцах ТаБз увеличивается на несколько порядков при освещении. Зависимость 5С{Т) имеет немонотонный характер: максимум (лежащий в диапазоне 40 — 65 К) увеличивается и сдвигается в сторону больших температур как с ростом IV, так и с уменьшением 5.

Измеренные при различных температурах зависимости оказа-

лись очень сложными н запутанными, и заставили нас предположить, что стационарное освещение может рождать неравновесные долгоживущие мета-стабильные состояния ВЗП (подобные тем, которые рождаются при различных деформациях ВЗП), которые наряду с фотопроводимостью могут давать свой дополнительный вклад в изменение проводимости под действием света.

Для проверки этого предположения были изучены процессы релаксации проводимости после приложения коротких одиночных импульсов света. Было обнаружено, что с понижением температуры развивается долгоживущая фотопроводимость, релаксация которой продолжается на временах 4 > 103 с, и которая при низких температурах становится очень существенной. Было также обнаружено, что долгоживущие метастабильные состояния ВЗП в данной температурной области (при Т < 60 К) могут возникать и без влияния света - при приложении к образцу импульса напряжения с V > Цг. Похожие метастабильные состояния наблюдались ранее при высоких температурах [3].

Были сделаны предположения: 1) долгоживущая фотопроводимость может быть вызвана как долговременной релаксацией фотопроводимости электронов и дырок, пространственно разнесенных в потенциальном рельефе, создаваемом запиннингованной ВЗП, так и релаксацией метастабильных состояний ВЗП, рождаемых вследствие изменения концентрации носителей тока под действием света; 2) физический механизм, приводящий к появлению метастабильных состояний при освещении, по-видимому, аналогичен механизму, вызывающему температурное изменение волнового вектора ВЗП <Э(Т) при подаче импульса напряжения [9]. Сделан вывод о том, что освещение квазиодномерного проводника ТаБз оказывает влияние не только на проводимость квазичастиц, но и воздействует на состояние статической ВЗП.

Третья глава посвящена изучению кинетики фотопроводимости в Та£>з, измерявшейся при прямоугольной модуляции света в интервале температур, лежащем ниже максимума зависимости <5С(Т, И7). Это исследование было

предпринято для получения более простой картины явления. Оно показало, что время релаксации фотопроводимости в низкотемпературной части зависимости И7) зависит от температуры: при низких температурах

Т < 40 К релаксация фотопроводимости быстрая и происходит на временах t < 1 с; при температурах 40 < Т < 60 К релаксация фотопроводимости медленная, времена релаксации фотопроводимости t > 1 с. При этом амплитуда и форма отклика зависят от частоты модуляции света /. Полная амплитуда фотопроводимости измеряется только в случае стационарной фотопроводимости, когда время релаксации фотопроводимости т < 1/(27г/). При нестационарной фотопроводимости (г > 1/(27г/)) измеряемое значение фотопроводимости всегда занижено.

Детальное изучение температурной эволюции кинетики фотопроводимости показало, что быстрый низкотемпературный отклик можно рассматривать как предельный случай больших интенсивностей света. Кроме того, было обнаружено, что температурная область Г < 40 К характеризуется степенным законом 5С ос а при повышении температуры наблюдается

отклонение от этого закона, и зависимость IV) приближается к линейной.

Далее отмечено, что подобный степенной закон <5С7 ос . соответствующий режиму квадратичной рекомбинации носителей тока, наблюдается, в частности, в очень чистых полупроводниках в пределе высоких интенсивностей света [13]. Случай низких интенсивностей света в полупроводниках характеризуется линейной зависимостью 50 ос IV, а переход от линейной к нелинейной рекомбинации возбужденных светом носителей тока происходит при значения фотопроводимости, близких к значениям темновой проводимости, т.е. при условии ~ С. Далее описана предложенная нами методика определения точки перехода от линейного к нелинейному режиму рекомбинации возбужденных светом носителей тока, основанная на аналогии квазиодномерных проводников с неподвижной ВЗП с полупроводниками.

В заключении главы описан предпринятый поиск режима линейной рекомбинации носителей тока при малых W и его обнаружение при значениях 5G/G <£ 1. Сделан вывод, что немонотонный характер зависимости №{Т) обусловлен изменением режима рекомбинации неравновесных носителей тока: при уменьшении температуры меняется концентрация возбужденных светом квазичастиц, что приводит к смене линейного режима рекомбинации неравновесных носителей тока (соответствующего значениям 5G/G 1) квадратичным режимом (5G/G > 1). Далее отмечены две отличительные особенности фотопроводимости в ТаБз по сравнению с полупроводниками:

1) Переход от линейного к нелинейному режиму рекомбинации происходит при очень малых уровнях фотопроводимости, когда SG/G 1.

2) Режим квадратичной рекомбинации неравновесных носителей тока в номинально чистых образцах Та£>з наблюдается достаточно легко (в случае полупроводников этот режим проявляется только в очень чистых материалах). Это является указанием на отсутствие каких-либо альтернативных каналов рекомбинации неравновесных носителей тока в данном соединении.

Четвертая глава посвящена детальному изучению зависимостей 5G(T,W), в результате чего удалось получить аргументы в пользу коллективного механизма низкотемпературной омической проводимости в ТаЗз. В начале главы в кратком обзоре отмечен известный факт, что во многих материалах с ВЗП термоактивационная зависимость омической проводимости вдоль кристалла G(T), наблюдающаяся ниже температуры пайерлсовского перехода Тр, претерпевает изменение при Т < Тр/2 - первоначальная энергия активации (для ТаБз ~ 800 К) уменьшается почти вдвое, в отличие от поперечной проводимости, не изменяющей своего характера. С момента обнаружения это отклонение G(T) от первоначального активационного закона предположительно приписывалось вкладу коллективных возбуждений, обусловленных наличием степеней свободы ВЗП (фазовых и амплитудных

солитонов и т.д.), и не было никаких экспериментальных доказательств того, что оно не связано с одночастичнымн возбуждениями, движущимися в пространственно неоднородном потенциальном рельефе, создаваемым запин-нингованной ВЗП, или с прыжковым механизмом проводимости.

Обнаружение и детальное исследование фотопроводимости позволило нам прояснить природу низкотемпературной омической проводимости в ТаЭз. Сначала было четко доказано, что максимум 5С(Т, ТУ) разделяет области линейной и квадратичной рекомбинации неравновесных носителей тока. А именно: совпадение нормированных кривых 6С(Т, \У )/\/[У при низких температурах (Г < 40 К) соответствует режиму квадратичной рекомбинации; совпадение нормированных кривых <$£7(Т, XV)/\¥ в высокотемпературной области (60 < Т < 100 К), ход которых соответствует единому активационному закону 6С{Т)/Ш ос схр(Ет/кТ) с энергией активации Ет = (1300 ± 100) К, доказывает существование режима линейной рекомбинации. Показано, что в этом режиме температурная зависимость времени рекомбинации т(Т) определяется только температурным изменением концентрации квазичастиц п(Т) и не зависит от IV, т.е. т(Т) ос 6п(Т)/\¥ ос Ю(Т)/\\~. Таким образом, в области высоких температур зависимость ¿С(Г) определяется активационной зависимостью т(Т), а отклонение от этой зависимости при понижении температуры связано с переходом к квадратичной рекомбинации носителей тока.

По разработанной нами методике определения точки перехода от линейной к нелинейной рекомбинации, на зависимостях №(Т,\У) мы выделили точки, в которых величина фотопроводимости равна темповой проводимости носителей, ответственных за фотоотклик, 5С = Со, и показали, что проведенная через них зависимость является термоактивациопной зависимостью одночастичных возбуждений С?о(Т) сх ехр(—Е^/кТ) с энергией активации Е*а = (1200 ± 100) К, много большей энергии активации Е!у = (500 ± 70) К омической проводимости С(Г) ос ехр(Еь/кТ) в ТаБз в той же области темпе-

ратур Т < 100 К. Этот факт позволил нам сделать вывод, что одночастичный канал проводимости в номинально чистых и пространственно однородных образцах ТаБз не может быть определяющим при низких температурах. По-видимому, он шунтируется дополнительным неодночастичным механизмом низкотемпературной проводимости, связанным со степенями свободы ВЗП.

Далее показано, что отклонение зависимости С0(Г) от активационного закона при понижении температуры связано с переходом от стационарной к нестационарной фотопроводимости из-за роста т(Т) до величин г > 1/(27г/). Время релаксации фотопроводимости при температуре начала этого отклонения (Т « 60 К) было оценено двумя способами: напрямую (по величине частоты модуляции /) т ~ 1/(2тг/) яа 3.5-10"2 с и из пересчета измеренной величины фотопроводимости т(Т) ос 5С{Т, XV)/XV и 2.5-10"3 с. Эти времена существенно больше теоретической оценки г ~ Ю-13 — Ю-12 с [11] и данных, полученных в эксперименте на голубой бронзе, т ~ 5 х Ю-13 с [12].

Глава заканчивается подробным описанием разработанной нами методики исследования фотопроводимости квазиодномериых проводников с ВЗП (содержащей основные рекомендации и полезные советы, позволяющие исключить различные ошибки при ее изучении), которая также была нами успешно применена при исследовании фотопроводимости образцов МЬЭ3 первой фазы и образцов ТаЭз с примесями ЫЬ и дефектами [А4].

Пятая глава посвящена изучению влияния света на нелинейную проводимость ТаБз. В начале главы описано первое явное наблюдение вызванных светом изменений нелинейных транспортных свойств материалов с ВЗП, представленное в работе [7] на голубой бронзе К0.3М0О3, где было обнаружено вызванное светом увеличение крипа ВЗП, рост Ет, появление на В АХ режима переключения, сопровождаемое гистерезисом, а также показано, что красная граница эффекта соответствует величине пайерлсовской щели в энергетическом спектре. Так как фотопроводимость обнаружена не была, то эффект

объяснялся экзотически - влиянием света непосредственно на ВЗП.

В ТаБз мы также обнаружили вызванное светом увеличение Ет, но при этом крип ВЗП, наоборот, подавлялся. Кроме того, обнаружив фотопроводимость, мы смогли количественно изучить влияние освещения на нелинейную проводимость ТаЭз, что позволило дать альтернативное (позже общепризнанное) объяснение этих эффектов, основанное на уменьшении модуля упругости ВЗП вследствие изменения условий ее экранировки при освещении.

Изучались ВАХ 1(У), а также зависимости проводимости С? = 1/У от напряжения на образце У при фиксированных температурах и стационарном освещении. Было обнаружено, что рост \¥ приводит к возрастанию на порядок омической проводимости, возрастанию порогового напряжения Уг на 60 %, подавлению крипа и уменьшению нелинейной проводимости вблизи Уг, появлению режима переключения, сопровождающегося гистерезисом.

Анализ температурной эволюции ВАХ показал, что понижение температуры при постоянной интенсивности света IV приводит к тем же изменениям ВАХ, что и увеличение IV при фиксированной Т, а также, что все изменения под действием света происходят при сравнительно небольших значениях У: в области высоких напряжений V » Уг кривые С(У) при освещении совпадают с темновыми. Это означает, что: 1) относительное изменение нелинейной проводимости при освещении много меньше изменения омической проводимости (отличается и знак эффекта: омическая проводимость увеличивается, нелинейная - уменьшается); 2) нагрев при освещении действительно мал (нагрев приводил бы к росту проводимости, а также к уменьшению Уг)-

Поскольку свет позволяет менять концентрацию носителей тока п(Ш): экранирующих деформацию ВЗП, нам удалось впервые количественно проверить соотношения между п(\У), коэффициентом упругости ВЗП К и Ет(\У) в модели слабого пшгаинга, см. формулу 1. Для нас важно, что в нее входит К и размерность пишшнга Б. Согласно работе [14] К ос 1 /п. Счита-

ем, что при фиксированной температуре п(И') ос ОШ). Тогда величина Ех{И'") сс С(И'")", где п = 1/3 для случая одномерного (10) пиннинга, п = 1 для двумерного и « = 3 для трехмерного пиннинга. Сравнение полученной экспериментальной зависимости ^(С?) с теоретическими зависимостями для разных О дало однозначное совпадение эксперимента с предсказаниями теории для Ш случая в интервале температур 20 < Т < 50 К: Ет ос б1/3.

Сделан вывод: так как размеры исследовавшихся образцов соответствовали случаю Ш пиннинга [10], то эффект действительно связан с уменьшением модуля упругости ВЗП вследствие изменения условий экранировки из-за появления неравновесных носителей тока при освещении.

В заключении главы обсуждаются вопросы, связанные с природой долго-живущей низкотемпературной фотопроводимости, а также процессы уменьшения времени релаксации фотопроводимости при движении ВЗП, связанные с временным изменением потенциального рельефа, создаваемого ВЗП.

В заключении приведены основные результаты работы и отмечено, что изучение влияния света на проводимость Та£>з позволило нам впервые построить общую картину этого явления в пайерлсовских проводниках, которая из-за наличия в нем конденсированного состояния и его взаимодействия с одночастичными возбуждениями оказалась намного сложнее и богаче, чем в полупроводниках, а именно: помимо известного в полупроводниках рождения фотопроводимости, свет, увеличивая концентрацию неравновесных носителей, изменяет состояние ВЗП, влекущее изменение нелинейной проводимости. Таким образом, мы столкнулись с совершенно новыми, наблюдаемыми только в квазиодномерных проводниках с ВЗП, физическими процессами.

В приложении приведены таблицы с характеристиками образцов.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Обнаружена фотопроводимость в тонких образцах пайерлсовского проводника ТаБз при температурах Т < 100 К. Зависимость фотопроводимости

от температуры 5G{T) имеет максимум, положение и величина которого зависит от интенсивности освещения.

2. В ТаБз наблюдается два режима рекомбинации возбуледенных светом носителей тока: линейный и квадратичный. В высокотемпературной области, соответствующей режиму линейной рекомбинации, зависимость 5G(T) определяется актннационной зависимостью времени рекомбинации неравновесных носителей тока, а отклонение от этой зависимости при понижении температуры связано с переходом к квадратичной рекомбинации.

3. Проводимость, обусловленная одночастичными возбуждениями, имеет существенно большую энергию активации, чем энергия активации низкотемпературной омической проводимости в той же области температур, и не является основным каналом низкотемпературной омической проводимости в ТаБз, что свидетельствует в пользу существования дополнительного неод-ночастичного механизма низкотемпературной проводимости, обусловленного наличием степеней свободы волны зарядовой плотности.

4. Освещение образцов Тайз изменяет статические и динамические свойства ВЗП, что проявляется в целом ряде новых эффектов в нелинейной проводимости. Предложено объяснение данных эффектов уменьшением модуля упругости волны зарядовой плотности вследствие изменения условий экранировки из-за появления неравновесных носителей тока при освещении.

Список публикаций

А1 С. В. Зайцев-Зотов, В. Б. Минакова. "Фотопроводимость и управляемые светом коллективные эффекты в пайерлсовском проводнике ТаЭз". Письма в ЖЭТФ 79, 680 (2004). А2 S. V. Zaitsev-Zotov, V. Е. Minakova. "Photoconduction and photocontrolled collective phenomena in Peierls conductor ТаЗз". Journal de Physique IV,

(France), 131, 95 (2005).

A3 S. V. Zaitsev-Zotov, V. E. Minakova. "Evidence of collective charge transport in the ohmic regime of о-ТаЭз in the charge-dcnsity-wave state by photoconduction study". Phys. Rev. Lett. 97, 266404 (2006).

A4 S. V. Zaitsev-Zotov, V. E. Minakova, V. F. Nasretdinova, S. G. Zybtsev. "Photoconduction in CDW conductors". Physica В 407, 1868 (2012).

A5 S. V. Zaitsev-Zotov, V. E. Minakova. "Photocontrolled collective transport in TaS3 nanowires". Proceedings of 12th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia, 134 (2004).

A6 V. E. Minakova, S. V. Zaitsev-Zotov. "Photoconduction in the charge density wave conductor TaS3" Proceedings of 12th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia, 126 (2004).

A7 С. В. Зайцев-Зотов, В. E. Минакова. "Управляемые светом коллективные явления в пайерлсовском проводнике ТаЗз". Устный доклад, Семинар "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления", Троицк (2004). Тезисы докладов, стр. 2.

А8 V. E. Minakova, S. V.Zaitsev-Zotov. "Photoconduction relaxation in the Peierls conductor ТаЗз". Proceedings of 13th Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology", St. Petersburg, Russia, 195 (2005).

A9 С. В. Зайцев-Зотов, В. E. Минакова. "Кинетика фотопроводимости в пайерлсовском проводнике ТаЗз". Семинар "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления", Троицк (2005). Тезисы докладов, стр. 12.

АЮ С. В. Зайцев-Зотов, В. Е. Минакова. "Фотопроводимость в квазиодномерных проводниках с волной зарядовой плотности". Приглашенный доклад, VII Российская конференция по физике полупроводников (Полупроводники - 2005), Звенигород. Тезисы докладов, стр. 106.

Ail S. V. Zaitsev-Zotov, V. E. Minakova. "Photocontrolled collective phenomena

ill TaS3". Приглашенный доклад, 4th International Workshop on Electronic Crystals "ECRYS - 2005", Cargese, France (2005), abstracts.

A12 V. Б. Minakova, S. V. Zaitsev-Zotov. "Illumination-dependent linear conduction in TaS3". 4th International Workshop on Electronic Crystals "ECRYS -2005", Cargese, France (2005), abstracts.

A13 С. В. Зайцев-Зотов, В. E. Минакова. "Фотопроводимость и управляемые светом коллективные явления в пайерлсовском проводнике ТаЗз". Труды симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника", Нижний Новгород

(2006), т. 1, стр.79.

А14 S. V. Zaitsev-Zotov, V. Е. Minakova. "Photoconduction in o-TaS3". Proceedings of the Workshop "Recent developments in low dimensional charge density wave conductors", Scradin, Croatia (2006), p. 46.

A15 С. В. Зайцев-Зотов, В. Ф. Насретдинова, В. Е. Минакова, К. Билякович, Д. Старисинич. "Электрофизические и фотоэлектрические свойства квазиодномерного проводника ромбического ТаБз с примесями Nb". V Конференция "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления", Троицк (2007). Тезисы докладов, стр. 18.

А16 В. Ф. Насретдинова, С. В. Зайцев-Зотов, В. Е. Минакова. "Спектр фотопроводимости квазиодномерного проводника ромбического ТаБз". V Конференция "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления", Троицк (2007). Тезисы докладов, стр. 19.

А17 S. V. Zaitsev-Zotov, V. F. Nasretdinova, V. Е. Minakova, К. Biljakovic, D. Staresinic. "Electron transport and photoconduction in Peierls conductor o-TaS3 with Nb impurities". The 3rd European Conference on the Fundamental Problems of Mesoscopic Physics and Nanoelectronics, Mojacar, Spain

(2007). Тезисы докладов, стр. 44.

A18 С. В. Зайцев-Зотов, В. Е. Минакова, В. Ф. Насретдинова, Д. Старисинич, К. Билякович. "Электрофизические и фотоэлектрические свойства ква-

зиодномерного проводника ромбического TaS3 с примесями Nb':. VIII Российская конференция по физике полупроводников (Полупроводники - 2007), Екатеринбург. Тезисы докладов, стр. 254.

А19 В. Ф. Насретдинова, С. В. Зайцев-Зотов, В. Е. Минакова. "Спектр фотопроводимости квазиодномерного проводника ромбического ТаБз". VIII Российская конференция по физике полупроводников (Полупроводники -2007), Екатеринбург. Тезисы докладов, стр. 272.

А20 S. V. Zaitsev-Zotov, V. Е. Minakova, V. F. Nasretdinova, К. Biljakovic, D. Staresinic. "Impurity Effect on Photoconduction in the Peierls Conductor o-TaSs". Устный доклад, 5th International Workshop on Electronic Crystals "ECRYS - 2008", Cargese, France (2008), p. 34.

A21 С. В. Зайцев-Зотов, В. Ф. Насретдинова, В. Е. Минакова, С.Г. Зыбцев. "Поиск вклада солитонов в проводимость и оптические свойства квазиодномерных проводников". IX Российская конференция по физике полупроводников (Полупроводники - 2009), Новосибирск - Томск. Тезисы докладов, стр. 132.

А22 С. В. Зайцев-Зотов, В. Ф. Насретдинова, В. Е. Минакова, И.Н. Дюжи-ков, С. Г. Зыбцев. "Поиск вклада солитонов в проводимость и оптические свойства квазиодномерных проводников". Конференция "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления", Троицк (2009). Тезисы докладов, стр. 9.

А23 В. Е. Минакова, С. В. Зайцев-Зотов. "Двухкомпонентная проводимость и фотопроводимость в пайерлсовском проводнике р-ТаБз". IX Конференция "Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления", Троицк (2011). Тезисы докладов, стр. 16.

Цитированная литература

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

[2] H. Fröhlich, Proc. Roy. Soc. A. 223, 296 (1954).

[3] Свойства квазнодномерных соединений с ВЗП описаны в обзорах: Р. Monceau. "Electronic Properties of Inorganic Quasi-one-dimensional Conductors", Part 2. (Ed. by P. Monceau. Dortrecht: D. Reidcl Publ. Сотр., 1985); G. Grüner. Rev. Mod. Phys. 60, 1129 (1988); P. Monceau. "Electronic Crystals: an experimental overview". Advances in Physics, 61:4, 325 (2012).

[4] J. W. Brill, S. L. Herr. Phys.Rev. В 27, 3916 (1983).

[5] M. E. Иткис, Ф. Я. Надь. Письма в ЖЭТФ 39, 373 (1984).

[6] R. Gaäl, S. Donovan, Zs. Sörlei, G. Mihaly. Phys.Rev. Lett. 69, 1244 (1992).

[7] N. Ogawa, A. Shiraga, R. Kondo, S. Kagoshima, K. Miyano. Phys. Rev. Lett. 87, 256401 (2001).

[8] H. Fukuyama, P. A. Lee. Phys. Rev. В 17, 535 (1978); P. A. Lee, Т. M. Rice. Phys. Rev. В 19, 3970 (1979).

[9] С. H. Артёменко, В. Я. Покровский, С. В. Зайцев-Зотов. ЖЭТФ 110, 1069 (1996).

[10] С. В. Зайцев-Зотов. УФН 174, 585 (2004).

[И] С. А. Бразовский. Письма в ЖЭТФ 28, 656 (1978); С. А. Бразовский. ЖЭТФ 51, 342 (1980).

[12] J. Demsar, К. Biljakovic, D. Mihailovic. Phys. Rev. Lett. 83, 800 (1999).

[13] С. M. Рыбкин. "Фотоэлектрические явления в полупроводниках". (Физ. Мат. Гиз., Москва, 1963).

[14] С. Н. Артёменко, А. Н. Круглов. ЖЭТФ 83, 1134 (1982).

Подписано в печать:

23.09.2013

Заказ № 8759 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wvvw.autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова

Российской академии наук

04201363130 На правах РУК0ПИСИ

Минакова Валерия Евгеньевна

Влияние света на проводимость квазиодномерного проводника с волной зарядовой плотности ромбического Та8з

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д. ф.-м. н. Зайцев-Зотов С.В

Москва - 2013

Содержание

Введение ......................................................................5

Глава 1. Общая характеристика квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности.................14

1.1. Квазиодномерные проводники в ряду низкоразмерных систем . 14

1.2. Пайерлсовекий переход п возникновение ВЗП..........18

1.3. Явления, обусловленные способностью ВЗП двигаться и деформироваться ............................24

1.4. Модели движения ВЗП.......................32

1.5. Полупроводниковая модель деформируемой ВЗП........33

1.6. Размерные эффекты.........................34

1.7. Некоторые особенности физических свойств ТаЭз........38

Глава 2. Изучение фотопроводимости при стационарном освещении ...................................40

2.1. Существовавшие представления о фотопроводимости в пайерлсов-еких проводниках..........................40

2.2. Изготовление образцов.......................44

2.3. Методика измерений ........................46

2.4. Измерения температурной зависимости омической проводимости при стационарном освещении.................50

2.5. Измерения зависимости фотопроводимости от интенсивности света .................................54

2.6. Изучение релаксации фотопроводимости.............56

2.7. Выводы................................60

Глава 3. Изучение кинетики фотопроводимости.........62

3.1. Несовершенство методики изучения фотоотклика при стационарном освещении..........................62

3.2. Зависимость формы фотоотклика от температуры .......63

3.3. Зависимость фотопроводимости от интенсивности модулированного света..............................67

3.4. Методика определения точки перехода от линейного к нелинейному режиму рекомбинации возбужденных светом носителей 69

3.5. Попек линейного режима рекомбинации возбужденных светом носителей в ТаБз...........................72

3.6. Выводы................................74

Глава 4. Температурная зависимость фотопроводимости: аргументы в пользу коллективного механизма низкотемпературной омической проводимости в Та8,) ...............76

4.1. Существовавший взгляд на природу омической проводимости

в ТаБз при низких температурах..................76

4.2. Методика исследования фотопроводимости: условия проведения эксперимента............................77

4.3. Температурная зависимость одночастичной проводимости ... 79

4.4. Обсуждение результатов......................90

4.5. Выводы................................95

4.6. Методика исследования фотопроводимости............96

Глава 5. Управляемые светом коллективные явления .....98

5.1. Свет как инструмент управления свойствами квазиодномерных проводников с ВЗП.......................98

5.2. Изменение вольт-амперных характеристик под действием света 100

5.3. Температурная эволюция формы вольт-амперных характеристик 103

5.4. Влияние света на нелинейную проводимость...........105

5.5. Обсуждение результатов......................112

5.6. Выводы................................115

Заключение..................................117

Приложения.................................121

Таблица 1..................................121

Таблица 2..................................122

Литература..................................123

Введение

Актуальность работы.

Развитие современной электроники ставит перед физиками две основные задачи:

1) миниатюризация компонентов элементной базы;

2) поиск новых физических явлений, которые могли бы лечь в основу работы новых электронных приборов и устройств.

Изучение физики квазиодномерных соединений с волной зарядовой плотности является в этой связи очень перспективным направлением исследований. Помимо природной малости размеров, эти соединения обладают уникальными свойствами, обусловленными наличием в них коллективного состояния — волны зарядовой плотности, а также возможностью его сосуществования и взаимодействия с одноэлектронными состояниями. Коллективные эффекты в таких соединениях имеют, как правило, превалирующее значение.

Квазиодномерные проводники представляют собой сильно анизотропные кристаллические структуры, состоящие из параллельных металлических атомных цепочек, слабо связанных между собой Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием. При комнатной температуре они, как правило, имеют металлическую проводимость с ярко выраженной анизотропией. Электронный спектр характеризуется сильной одномерностью, а поверхности Ферми представляют собой две слабо гофрированные плоскости.

При понижении температуры в таких структурах может произойти фазовый переход, предсказанный Пайерлсом, в результате которого в квазиодномерном кристалле появляется периодическая деформация решетки, соответствующая волновому вектору ф = 2кр {кр - волновой вектор Ферми). В простейшем случае она происходит в одном направлении - вдоль оси кристалла х. Ее сопровождает периодическая модуляция плотности электронов

Р = Р0 + Р1 соБ((5а; + 0), называемая волной зарядовой плотности (ВЗП). При этом в электронном спектре на уровне Ферми образуется пайерлсовская щель 2Д, и квазиодномерный металл по многим электрофизическим свойствам становится схож с полупроводником. Но помимо обычного одночастичного механизма проводимости, обусловленного квазичастицами, термически возбуждаемыми через пайерлсовскую щель, в пайерлсовских проводниках появляется коллективный механизм проводимости, основанный на способности ВЗП перемещаться вдоль кристалла как единое целое под действием электрического поля и переносить ток (фрёлиховская проводимость). Наличие коллективного состояния делает пайерлсовские проводники похожими на сверхпроводники. Однако величина электрического поля, необходимого для начала движения ВЗП, Ет, хотя и мала, но все же не равна нулю и связана с тем, что ВЗП в реальных кристаллах "цепляется" за примеси и дефекты (пиннинг). Это приводит к тому, что проводимость реальных кристаллов конечна.

Существование и движение ВЗП определяет многие интересные и перспективные для использования свойства квазиодномерных соединений. Среди них: нелинейность вольт-амперных характеристик при напряжениях, больших порогового (при этом коллективная нелинейная проводимость может на порядки превышать одночастичную омическую проводимость); генерация высокочастотных электрических колебаний с частотой, пропорциональной току ВЗП; резонансное взаимодействие движущейся ВЗП с внешним высокочастотным полем при соизмеримости его частоты и собственной частоты генерации колебаний; появление на В АХ режимов переключения и гистерезиса.

Не менее интересны с прикладной точки зрения свойства этих соединений, обусловленные сильным взаимодействием квазичастиц и ВЗП. Среди них: влияние движения ВЗП на поперечную проводимость квазичастиц и вклад в эффект Холла; экранирование деформации и поляризации ВЗП квазичастицами; гистерезисные явления в квазичастичной проводимости.

Сложная и во многом уникальная физика пайерлсовских проводников явилась причиной того, что, несмотря на интенсивные научные исследования, начавшиеся в 70-х годах, многие фундаментальные электрофизические свойства этих соединений до сих пор остаются не понятыми до конца.

Так, в частности, к моменту начала данной работы вопрос о природе низкотемпературной омической проводимости (появившийся после первых же измерений проводимости ряда соединений, например, ромбического ТаБз) оставался не выясненным, а отсутствие фотопроводимости, несмотря на многочисленные попытки ее обнаружить, трактовалось как специфическая особенность данных соединений.

Цель диссертационной работы состояла в поиске и экспериментальном исследовании влияния света на омическую и нелинейную проводимость в ромбическом ТаБз - пайерлсовском проводнике из группы трихалькогенидов переходных металлов, который может рассматриваться как модельное соединение с характерными для всех квазиодномерных проводников физическими свойствами.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1) Поиск необходимых условий для проявления влияния освещения на омическую проводимость в ТаБз, а также способов корректного измерения фотопроводимости в этом соединении.

2) Экспериментальное исследование особенностей фотопроводимости в ТаЭз.

3) Экспериментальное исследование и сравнительный анализ характера фотопроводимости в номинально чистых образцах ТаБз и с примесями N13.

4) Экспериментальное исследование влияния света на нелинейную проводимость в ТаБз

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Обнаружено, что освещение тонких кристаллов пайерлсовского проводника ТаБз приводит к увеличению омической проводимости при температурах Т < 100 К. Величина фотопроводимости 5С зависит от интенсивности освещения Ж и имеет немонотонный характер по температуре с максимумом в области 40 — 65 К.

2. В ТаБз обнаружены два различных режима рекомбинации носителей тока, ответственных за фотопроводимость: линейный и квадратичный. Доказано, что в высокотемпературной области, соответствующей режиму линейной рекомбинации, зависимость 6С(Т) определяется активационной зависимостью времени рекомбинации неравновесных носителей тока т ос ехр(Ет/кТ), а отклонение от этой зависимости при понижении температуры связано с переходом к квадратичной рекомбинации носителей тока. Определена энергия активации температурной зависимости времени линейной рекомбинации возбужденных светом носителей тока Ет = (1300 ± 100) К (для номинально чистых образцов), и измерено время их рекомбинации.

3. Исследование фотопроводимости позволило впервые отделить вклад одночастичных возбуждений в низкотемпературную омическую проводимость в ТаБз от остальных механизмов проводимости. Обнаружена активационная зависимость проводимости носителей тока, ответственных за фотопроводимость, С?о(Т) ос ехр(Е^/кТ), и извлечена энергия активации одночастичных возбуждений, участвующих в фотоотклике Ед = (1200 ± 100) К.

4. Показано, что низкотемпературная омическая проводимость С(Т) ос ехр(Еь/кТ) в ТаЭз осуществляется не электронами и дырками, возбуждаемыми через пайерлсовскую щель, а коллективными возбуждениями, имеющими энергию активации Еь = (500 ± 70) К много меньшую, чем величина пайерлсовской щели, и шунтирующими вклад одночастичных возбуждений, отвечающих за фотопроводимость.

5. Обнаружено, что освещение образцов ТаБз приводит к изменению состояния неподвижной ВЗП, что проявляется в появлении долгоживущих ме-тастабильных состояний ВЗП вследствие изменения процессов экранировки деформаций ВЗП при освещении.

6. Обнаружено, что в ТаБз в температурной области, соответствующей квадратичному режиму рекомбинации носителей тока, вызванное светом увеличение омической проводимости ОУ/) = (2(0) +5С(\¥) приводит к изменению состояния движущейся ВЗП, проявляющегося в появлении целого ряда эффектов: подавлению нелинейной проводимости, росту порогового поля начала нелинейной проводимости Ет и возникновению переключений и гистерезиса в нелинейной проводимости.

7. Обнаружена корреляция между величиной порогового поля начала нелинейной проводимости Ет(уУ) и величиной изменяющейся под действием света линейной проводимости IV). Предложено объяснение полученной зависимости Ет ос С?1/3 в рамках модели слабого пиннинга в одномерном случае: изменение порогового поля начала нелинейной проводимости под действием света связано с уменьшением модуля упругости волны зарядовой плотности при освещении вследствие изменения условий экранировки из-за появления неравновесных носителей тока.

Практическая значимость.

1. Обнаружена возможность контролируемого изменения квазичастичной проводимости в ТаБз с помощью света, что, в свою очередь, позволяет управлять коллективными эффектами.

2. Предложена оригинальная методика изучения фотоотклика в пай-ерлсовских проводниках, содержащая рекомендации для корректного измерения фотопроводимости (использования тонких образцов, модулированного

света, выбора температурного диапазона и т.д.), которая открывает широкие перспективы для исследований различных свойств квазиодномерных проводников с ВЗП.

3. Обнаружено, что из-за наличия сильного взаимодействия между квазичастицами и ВЗП фотопроводимость пайерлсовских проводников - значительно более сложное явление, чем фотопроводимость полупроводников. Следовательно, обнаружение и изучение этого явления важно для понимания фундаментальных свойств квазиодномерных проводников с ВЗП.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Обнаружена фотопроводимость в тонких образцах пайерлсовского проводника ТаЭз при температурах Т < 100 К. Зависимость фотопроводимости от температуры 5С(Т) имеет максимум, положение и величина которого зависит от интенсивности освещения.

2. В ТаБз наблюдается два режима рекомбинации возбужденных светом носителей тока: линейный и квадратичный. В высокотемпературной области, соответствующей режиму линейной рекомбинации, зависимость <5С(Т) определяется активационной зависимостью времени рекомбинации неравновесных носителей тока, а отклонение от этой зависимости при понижении температуры связано с переходом к квадратичной рекомбинации носителей тока.

3. Проводимость, обусловленная одночастичными возбуждениями, имеет существенно большую энергию активации, чем энергия активации низкотемпературной омической проводимости в той же области температур, и не является основным каналом низкотемпературной омической проводимости в ТаБз, что свидетельствует в пользу существования дополнительного неод-

ночастичного механизма низкотемпературной проводимости, обусловленного наличием степеней свободы волны зарядовой плотности.

4. Освещение образцов ТаЭз изменяет статические и динамические свойства ВЗП, что проявляется в целом ряде новых эффектов в нелинейной проводимости. Предложено объяснение данных эффектов уменьшением модуля упругости волны зарядовой плотности вследствие изменения условий экранировки из-за появления неравновесных носителей тока при освещении.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих российских и международных конференциях:

1) 12th International Sympozium «Nanostructures: Physics and Technology», St. Petersburg, Russia, Ioffe Inst., June 21 - 25, 2004;

2) Семинар «Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления», г. Троицк, Московская обл., ИФВД РАН, 11 июня 2004;

3) 13th International Sympozium «Nanostructures: Physics and Technology», St. Petersburg, Russia, Ioffe Inst., June 20 - 25, 2005;

4) Семинар «Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления», г. Троицк, Московской обл., ИФВД РАН, 12 мая 2005;

5) 4th International Workshop on Electronic Crystals «ECRYS-2005», Cargese, France, August 21 - 27, 2005;

6) VII Российская конференция по физике полупроводников «Полупро-водники-2005», г. Звенигород, Московская обл., 18 - 23 сентября 2005.

7) Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 13 -17 марта, 2006;

8) International Workshop «Recent developments in low dimensional charge density wave conductors», Scradin, Croatia, Institute of Physics (Zagreb, Croatia), June 29 - July 3, 2006.

9) V Конференция «Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления», г. Троицк, Московская обл., ИФВД РАН, 14 июня 2007.

10) The 3rd European Conference on the Fundamental Problems of Mesoscopic Physics and Nanoelectronics, Mojacar, Spain, September 9 - 14, 2007.

11) VIII Российская конференция по физике полупроводников «Полупро-водники-2007», Екатеринбург, 1-5 октября 2007.

12) IX Российская конференция по физике полупроводников «Полупро-водники-2009», Новосибирск - Томск, 28 сентября - 3 октября 2009.

13) VII Конференция «Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления», г. Троицк, Московская обл., ИФВД РАН, 18 июня 2009.

14) IX Конференция «Сильно коррелированные электронные системы и квантовые критические явления», г. Троицк, Московская обл., ИФВД РАН, 9 июня 2011.

15) 6th International Workshop on Electronic Crystals «ECRYS-2011», Cargese, France, August 15 - 27, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы, из них 4 статьи опубликованы в журналах, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ, в том числе 1 статья в российском [1] и 3 статьи в зарубежных журналах [2-4], а также 19 статей в сборниках трудов российских и зарубежных конференций.

Личный вклад автора заключается в

- выращивании кристаллов ромбического ТаБз;

- разработке методики изготовления тонких образцов ТаБз и контактов к ним;

- изготовлении тонких образцов ТаБз с контактами (характерная величина сопротивления на единицу длины Язоо/Ь = (0.02 — 1.3) Юм/мкм соответствует площадям поперечного сечения 3 = (2-10~3 — 2- Ю-1) мкм2);

- участии в создании экспериментальной установки;

- проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных и анализе полученных результатов;

- участии в написани�