Способ определения времени релаксации неравновесных возбуждений

 

Изобретение касается исследования физических свойств материалов методом спектроскопии. Цель изобретения - обеспечение возможности определения времени релаксации высокоэнергетичных возбуждений . в проводниках и времени релаксации высокоэнергетических (дсбаевских) фононов, а также упрощение способа. Изобретение основано на явлении частотной зависимости проводимости микроконтакта (МК), обусловленном реляксацией квазичастиц . В исследуемой среде создают энергетическую неравновесность путем образования МК с определенными параметрами и приложением постоянного напряжения определенной величины V0 . Для определения времени перехода в равновесное состояние воздействуют зондирующим сигналом амплитудой V Vg путем облучения электромагнитным полем , частоту f которого измеряют в диапазоне определяемой частоты релаксации измеряемого процесса. Измеряют отклик контакта в виде сигнала ч, пропорционального второй производной вольт-амперной характеристики (ВАХ), на зондирующее излучение в функции частоты f этого излучения - ц(Ј), и аппроксимируют частотную зависимость функцией ц(5,Јр), конкретный вид которой определяется физической природой измеряемого процес9 са , л за время релаксации принимают f величину Cp 1/fn, где f - значение частоты, при которой достигается наилучшая аппроксимация. 4 з.п.ф-лы, 6 ил. сд 00 ОЭ 00

союз соаетсних социАлистичесних

РЕСПУб ЛИК

„„Я0 „„Ы811Ы

А1 (51) 5 Н 01 L 21/бб

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ а ц дв огсном снидетельствм

* I

QO дания приборов радиоэлектронной, измерительной и вычислительной техники.

Цель изобретения — обеспечение .возможности определения времени релаксации высокоэнергетически. воэГуж- дений в проводниках и врс ели рслаксапии вйсокоэнергетических (дебаевГООудАРстВенный нОмитет

ПО ИЗОЬРЕтЕнияМ И ОтирЫт щц

flPH ГНКТ СССР (46) 15.05. 91. Бюл. Р 18 (2i} 4428166/25 22) 20.05.88 (71) Физико-технический институт низких температур АН УССР (72) И.O..Кулик, И,К.Янсон, О.П.Балкашин, Ю.A.Пилипенко и И.И.Кулик (53) 621.382 (088.8) (56) Аксененко М.Д. и др. Фоторезисторы. М.: "Сор, радио™, 1973, с .8-11, 19-26.

Кулик И,О. Неравновесные токовые состояния в металлических микроконтактах. ФНТ, 1985, т.П н,9, с.937-950. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ PEJIAKCAIQR НЕРАВНОВЕСНЫХ ВОЗБУ)КДЕНИИ

I (57) Изобретение касается исследования. физических свойстн материалов методом спектроскопии. Цель изобретения - обеспечение воэможности определения времени релаксации высокоэнерf гетичных возбуждений . в проводниках и времени релаксации высокоэнергетических (дебаевских) фононов, а также

" упрощение способа. Изобретение основано на явлении частотной зависимосИзобретение касается исследования физических свойств материалов. методом .спектроскопии квазичастичных возбуждений и может бить использовано для изучения кинетики неравновесных процессов в проводниках при исследовании ,новью.материалов, применяемых для созти проводимости микроконтакта (МК), обусловленном релаксацией квазичастиц. В исследуемой среде создают энергетическую неравновесность путем образования NK с определенными параметрами и приложением постоянного напряжения определенной величины V< .

Для опрсделения времени перехода в равнонесное состояние воздействуют

Зондирую!цим сигналом амплитудой V +

1581138 ских) фононов, а. также упрощение способа.

На фиг.! представлена схема устройства для осуществления способа, на фиг..2 - нормированные зависимости

5 сигнала детектирования Uy от напряжения смещения 7 на микроконтакте (ИК) при разных частотах f зондирую" щего сигнала для образца из меди; на фиг.3 - частотная зависимость сигнала отклика y для образца из меди; на фиг.4 - частотная зависимость сигнала отклика g для образца из золоР та;на фиг.5 иллюстрируется графический метод определения частоты релаксации

f фононов по экспериментальной часP тотной зависимости отклика ИК для образца из меди, на фиг,6 - то же,для оЬразца из золота.

Устройство содержит образец 1, источник 2 постоянного тока смещения, источник излучения 3, устройство 4 регистрации отклика ИК, гелиевый кри остат 5. Кривые 6-10 соответствуют 25 различным частотам возбужцающего

r электромагнитного излучения, Кривые

11, !2 соответствуют наилучшей аппроксимации функцией q(f,f.<) измеренной частотной зависимости сигнала отклика g(f) ИК. Кривые 13-16 аппроксимируют измеренную зависимость y(f) функции g(f, f p) при f =2 ° 10 з Гц, 10.10 Гц и f =03 10> Гц и 2 .109 Гц соответственно.

Пример 1. Образец 1 в виде

ИК двух. массивных электродов включают по четырехпроводной схеме в измерительное устройство. В токовой цепи (левая ветвь на фиг.1) размещен ис. точник 2 постоянного тока смещения, создающий напряжение смещения на MK. Для измерения тока и напряжения смеще- . ния в цепь включены амперметр и вольт- метр постоянного тока, Для подачи зондирующего сигнала на MK используют источник излучения 3 с перестраи: ваемой частотой. В потенциальной цепи имеется устройство 4 для регистрации отклика контакта .на зондирующий сигнал. Образец 1 размещен в гелиевом криостате 5.

Образец, удовлетворяющий условию

1 C(d A), где 1 „ - длина свободного. пробега квазичастиц, .Л вЂ” энергетическая длина рассеяния электрона в проводнике, d — диаметр ИК, изготавливают непосредс« венно в криостате 5. В жидком гелии с помощью специального устройства приводят в соприкосновение предварительно приготовленные и смонтированные электроды и получают

NK. Варьируя усилие прижима и/или место их касания, получают ИК, удовлетворяющий указанному соотношению.

Тестом на это условие является вид спектра MK. Спектр ИК, удовлетворяющий этому требованию, имеет спектральные особенности и фон (см. фиг.2).

Через отобранный МК образец l от источника 2 пропускают ток и создают напряжение смещения Ч = „jq, где Я максимальная энергия квазнчастиц, заряд электрона. Зтим самым обеспе" чивается образование системы неравновесных квазичастиц.

Одновременно от источника 3 на

MK подают зондирующий сигнал в виде непрерывного электромагнитного излучения, частоту f которого изменяют в диапазоне определяемой частоты релахсации f<, Падающее на контакт- излучение частотой f наводит в проводнике высокочастотный ток, который создает переменную во времени t добавку

f напряжения Vcos(--t) где Ч вЂ” ампли2 туда возбужденного сигнала напряжения, к напряжению смещения V и, следовательно, осциллирующую с частотой

f. добавку к неравновесной функции распределения электронов. Причем амплитуда зондирующего сигнала. электромагнитного напряжения такова, что

v c

В результате неунругого рассеяния электронов возникают переменные во времени дополнительные вклады в процессы как генерации квазичастиц, так и поглощения их, Переменная составляющая в числе неравновесных квазичастиц, рождаемых электронами, задается амплитудой Ч переменного напряжения и в диапазоне от низких частот .до

10 Гц .(оценка для фононов) не завиf3 снт от частоты f иэ-за быстрой релаксации электронной подсистемы (время релаксации электронной подсистемы

P < 10 с). Поэтому изменение чис- . ла генерируемых квазичастиц происходит в такт с изменением напряжения.

Следовательно, степень нелинейности вольт-.амперной характеристики (ВАХ),, обусловленная процессом генерации, изменяется при облучении.

Изйенение числа реабсорбнруемых квазичастиц, обусловленное добавкой

5 1581138 переиенного напряжения на ИК, зависит не только от амплитудь: Ч, но и от частоты f. Амплитуда переменно. о вклада в общее число поглощаемых квазичастиц зависит от соотношения между частотой f изменения неравновесной функции распределения электронов (задаваемой напряжением на контакте) и частотой релаксации fp (10 -1О " Гц для фононов) неравновесных квазичастиц и уменьшается, когда частота f начинает превышать частоту релаксации f . Непрерывный сигнал электромагнитного излучения малой амплитуды и перестраиваеиой частоты f ÿâëÿåòñ»» эффективнь»»: средством зондирования при исследовании релаксации системы неравновесных кваэичастиц в,области

ИК. е 20

При воздействии на МК зондирующим излучением измеряют отклик »1 на него в виде сигнала, пропорционального второй производной вольт-аиперной характеристики МК при смещении V p Я„/q, 25 где E — максимальная энергия квазичастицы, q — заряд электрона, и при изменении частоты f получают частот% ную зависимость отклика»1 (Е), если частота f больше частоты релаксации ЗО кваэичастнц, но существенно меньше частоты релаксации электронов. Экспериментально найденная зависимость

»1(Е) характеризует процесс релаксации системы неравновесных квазичастиц с некоторой собственной частотой релаксации fp т.е. (Е) »1(Е)/f где значение f неизвестно и подлеP жит определению. Значение f можно найти, если известна, например, из 40 теории зависимость 1(Е,ЕР).

Отклик контакта на зондирующее излучение регистрируют устройством

4 (см. фиг:t) в виде сигнала g, про- порционального второй производной

ВАХ, в функции частоты f этого изл,.чения »1(f). По частотной зависимости »1(%) определяют частоту релаксацИи квазичастиц используя аппрокси- мацию зависимостью « (Е,f ).. Явный вид этого выражения рассчйтывают теоретически для конкретной модели процесса релаксации квазичастиц. Например, на фиг.З и 4 точками пред. ставлеиь» экспериментальные значения (, отражающие зависимость »1(f), и аппроксимация этой зависимости функциК j(f;f>) при разных значениях f>.

Для определения частотной завис»»мости »1(Е) используют способ, обеспечивающий необходимую точность, достаточно простой и доступнь»й. Поскольку частота релаксации кваэичас" тиц может находиться в широком час.тотном диапазоне (10 -10 Гц), в ка9»7 честве источника излучения с иерестраиваемой частотой 3 используют набор генераторов сигналов (трноднь»х, KJlHcTpoHHblx и т.д.). Откликом g KoHтакта на зондирующий сигнал выбирают сигнал видеодетектирования U>(V ), измеряемый модуляционным способом.

Данный способ используется для повы:шения чувствительности, поскольку уровень высокочастотной мощности зон"= дирующего сигнала устанавлнгается малым, чтобы не размывать измеряемый спектр. В данном случае используют измерение вь»прямленного сигнала по» тому, что способ измерения амплитуды второй гармоники модулирующего сигнала на высоких частотах неприемлем нз-за уэкополосности приемников. Определение частотной зависимости осуществляют следующим образом. С помощью даухкоорди»»атного автоматического потейциоиетра регистрируйт семейство зависимостей,выпрямленного напряжения Б от постоянного напряже=ния смещения V на контакте U (V) при разных частотах f зондирующего сигнала. Полученные кривые нориируют на одинаковую интенсивность сигнала U в той области смещений V где сигнал

U не зависи- от частоты (см. фиг;2).

Необходимость такой нормировки обусловлена зависимостью от частоты коэффициентов согласования импедансов генераФора, линии передачи высокой частоты и ИК. Иэ-эа этого на разных частотах амплитуда зондирующего на4> пряжения V на контакте будет разная, что вызовет.и соответствующие изиенения сигнала отклика,. По каждой из нормированных зависимостей U (Ч) на5 ходят значение нормированного сигна0 ..ла U>(V ), представляющего отклик контакта.при соответствующей час тоте f зондирующего сигнала Ч. Найденные значения i1, представляют графиком частотной зависимости »1(f) например фиг.З, где значения »1, показаны точками.

Определение. времени релаксации вы-. сокоэнергетйческих (дебаевских) фоионов осуществляют следующим образом.

1581138

Создают контакт, удовлетворяющий условию 1 (d (Л (где 1 — упругая

Ф длина рассеяния фонона1, испольяуя ,описанную выше технику получения контактов, При этом спектр злектронфононного взаимодействия (ЭФВ) в NK, представленный на фиг.2, Имеет пики, обусловленные генерацией поперечных

ТЛ- и продольных LA-фононов, и фон, вследствие реабсорбции неравновесных фононов; Нормировку зависимостей

Ц (V), полученных при разных частотах f зондирующего излучения, осуществляют по максимуму сигнала,,соответствующего ТА-пику. Этот максимум хорошо выражен при различных уровнях фона (в отличие от LA-пика) и интенсивность его Не зависит от частоты в диапазоне частот релаксации фононов. Значение величины Q,измеряют при У=Я /q для Фононов Я = Я, где с у1- край спектра плотности состояний (дебаевская энергия). Совокупность значений Р1(,у показаннаЯ на фиг.3 25 точками, представляет экспериментальную зависимость g(f). Для определения частоты релаксации.дебаевских фононов экспериментальную завиаимость „(f) аппроксимируют теоретической 30

q(f,f )= f1+(f/й ) ), представленной кривой 11.

Другйм вариантом способа определения частоты релаксации высокоэнер-,. гетичных фононов, по частотной зави- 35 симости отклика. контакта на зондирующий сигнал является графический спо- соб. Он состоит в следующем. По графику экспериментальной зависимости

+(f) (см. Фиг.5) определяют значение 40

1 величины q = -((НЧ)-у„(ВЧ)), где . значения q.f (Hq) q f (Bq) измеряют в области низких и высоких частот, в которой функция. q(f) слабо зависит 45 от частоты. По тому же графику определяют частоту f., соответствующую .найденному значению «1 . Эту частоту прйнимают за частоту релаксации

Воэможность определения частоты релак-50 сацйи графическим способом следует из вида зависимости (f f ) для фононов и совпадения результатов определения частот релаксации предлагаемыми вариантами для различных проводников. Достоинство графического способа в его простоте.

Далее приведены примеры конкретного выполнения способа для случая определения времени релаксации дебаевских фононов в различных. проводниках.

П р и м е:р 2. Определение времени релаксации фононов в меди.

Для получения МК электродам придают форму иглы и плоскости (заостренная проволочка Ф О, 1 мм и торец проволочки Р 1 мм). Электроды обрабатывают.электрохимически в разбавленной ортофосфорной кислоте, монтируют в держатели и приводят в соприкосновение в криостате 5 (см. фиг.1) в жидком гелии по способу прижима или сдвига до образования MK.

Получаемые контакты подвергают тесту по виду спектра ЭФВ в ИК и отбирают для измерения тот контакт, спектр которого имеет слектральные особенности и фон (см. фиг.2, кривая 6)., В качестве источника 3 зондирующего сигнала с перестраиваемой частотой используют набор клистронных генераторов, перекрывающих. частотный диапазон (0,5-100) 10 Гц. Через контакт 1 (см. фиг.1) от источника 2 пропускают плавно возрастающий ток, создавая медленно изменяющееся напряжение смещения V в интервале 0-70 мВ, и регистрируют устройством 4 отклик на зондирующий сигнал Uy(V) при разных его частотах. На фиг.2 показано полученное таким образом семейство.

I зависимостей U (Ч), нормированных в максимуме.ТА-пика. Кривые 6-9 лежат в порядке возрастания частоты от

10 до 101 Гц. Для этих кривых определяют нормированныг значения отклика чр=U (V ) при 7 =35 мВ, которые представляют графиком (см. Фиг.3).

Экспериментальные точки аппроксимируют функцией g(f Е 1,)= D+(f/f ) ), варьируя fр. Наилучшая аппроксимация достигается при f =5 10З Гц, ей соP ответствует сплошная линия на фиг.3, кривая 11. Эту частоту принимают за частоту релаксации фононов в меди.

Для иллюстрации пунктиром нанесены кривые при близких значениях f =2 с х10 Гц (кривая 13) и 10 10 Гц (кривая 15). За время релаксации фононов в меди принимают время 7 =0,2>

«10 з с.

Пример 3. Графическое определение времейи релаксации в меди.

° По совокупности экспериментальных значений,я полученных по способу, е

1581138

10 описанному в примере 2, строят график зависимости q< (f) (см. Фиг.5).

По графику находят величину - (Ч (НЧ)- $ (ВЧ)J и соответствую1

° Ф щую ей частоту f которая равна 5 »

i10 Гц. За частоту релаксации нерав9 новесных фононов в меди принимают частоту.fр- 5 ° 109 Гц. За время репак1О сации фононов в меди принимают время

8 0,2 ° 10 с.

Пример 4. Определение времени релаксации фононов в золоте.

Электродам из золота придают такую 15 же форму, как и в случае с медью.

Электрохимическую обработку электродов проводят в разбавленной соляной кислоте. В качестве источника излучения 3 используют -клистронные генера20 торы сигналов, перекрывающие частотный диапазон (О, 1-10) 109 Гц, Через отобранный для измерения контакт в образце 1 от источника 2 подают плавно возрастающий ток, создавая плавно 25 изменяющееся напряжение смещения Ч в интервале 0"50 мВ, и регистрируют устройством 4 отклик на зондирующий сигнал U,V) при разньж его частотах . г. Кривые ь (Ч) нормйруют по максимуму ТА-пнкЬ и по ним определяют нормированное значение отклика q<=U>(V,) при V=25 мВ. Экспериментальные значения я, представленные точками на, координатной плоскости (1 ф Г) (см фиг.4 кривая,12) аппроксимируют функцией q (f, f„)= (1+(1/f ) 1 варьируя f p Лучшая аппроксимация достигается при f)=0,8 10 9 Гц, ей соответствует сплошная линия на графике. Эту частоту принимают за частоту релаксации фононов в золоте„

Для иллюстрации пунктиром приведены . кривые при близких значениях 2 р 0,3» ю109 Гц (кривая 14) и 2 109 Гц (кри- 45 вая 16). За .время релаксации фононов в золоте принимают время 2 =1,25»

ИО 9ñ.

Пример 5. Графическое опреде, ление времени релаксации фононов в SO .зблоте.

Но экспериментальным значениям строят кривую (f) (см. фиг.б).

По графику определяют величину - ((НЧ)- Q (ВЧЦ и соответствующую

1 . 55 у . ей частоту f которая равна 0,8 ..

×09 Гц. За частоту релаксации фононов в золоте принимают частоту f<

0,8 10 Гц. За время релаксации фо9 ионов в золоте принимают время n

1,25-10 с.

Применение предложенного способа позволяет определять время релаксации различных квазичастичных возбуж; дений в широком круге проводников (нормальные металлы и сверхпроводники, полуметаллы, полупронодники, сплавы).

Формула и э о б р е т е н и я

1. Способ определения времени релаксации неравновесных возбуждений, состоящий в создании энергетической перавновесности в исследуемой среде внешним источником энергии и определении времени перехода в равновесное состояние с помощью зондирующего сигнала, отличающийся .тем, что, с целью обеспечения возможности определения времени релаксации высокоэнергетических возбуждений в проводниках, из исследуемого проводника

Формируют микроконтакт диаметром Й, соизмеримым с энергетической длиной рассеяния электрона в проводнике A и длиной свободного пробега кваэичастиц, неравновесность создают путем приложения к микроконтакту постоянного напряжения смещения величиной

V =-gÄ/V, где „„- максимальная энер-. гия квазичастицы, q — заряд электрона, возбуждают в микроконтакте переменный во времени зондирующий сигнал амплитудой Ч ((V путем облучения электромагнитным излучением, частоту

f которого изменяют в диапазоне частоты релаксации неравновесных возбуждений, измеряют отклик микроконтакта и на зондирующее излучение в зависимости от частоты f этого излучения y(f), измеренную частотную зависимость аппроксимируют функцией

y(f,f ), а время релаксации определяют как величину 1/f1, где f р— значение частоты, при которой дости- 4 гается наилучшая аппроксимация, 2 ° Способ по п.1 о т л и ч а юшийся тем, что в качестве отклика я используют сигнал, пропорциональный второй производной вольт-амперной характеристики ьп1кроконтакта. I

З.,Способ по пп.1 и 2, .о т л ич а ю шийся тем, что зондирующий

158 сигнал детектируют, в качестве отклика и при,определении частоты зависимости: g (f) используют продетек тированный зондирующий сигнал U (Vp) .при напряжении смещения 1, при этом

0 регистрируют семейство Ug(V) зависимостей продетектированного зондирующего сигнала U . от .напряжения смещения

Ч при разных частотах f зондирующего сигнала, зависимости 0 (Ч) нормируют на одинаковую интенсивйость сигнала

U в той области смещений Ч, где сигнал t> не зависит от.частоты, на каждо до@ иэ,нормированных зависимостей находят значение величины нормирован» кого продетектированного зондирующего сигнала при напряжении смещения

V, представляющее нормированный сигнал отклика y, полученные при разных частотах зйачения я определяют .частотную зависимость j(f).

4. Способ по.пп.1,3, о т л и ч- аю шийся тем, что, с целью обес- печенйя возможности определений времени релаксации .высокоэнергетических (дебаевских) фононов, .создают микроконтакт, диаметр которого удовлетворяет условию 1 y

1138 12 ругая длина рассеяния фононов, прн определении часто гной зависимости

y(f) нормировку зависимости U (V) осуществляют по максимуму продетектированного зондирующего сигнала, соответствующему максимуму плотности состояний поперечных фононов, значения величины я измеряют при Vp

Ев

Г

10 — где g — край спектра плотносЭ g ти состояний фононов, полученную экспериментальную зависимость q(f) аппроксимируют кривой (,f1,) p +

15 +(/ р) 7 .

5, Способ по п.4, о т л н ч а юшийся тем, что, с целью упрощения, частоту релаксации неравновесных фононов определяют на графике экспе-:

20. риментальной эависимостА g(f) как частоту, при которой выполняется ус-; ловие равенства сигнала отклика ве» личине г = — ((НЧ)- 1 (ВЧ)), при1 (г "х

25 чем значения « (НЧ), (ВЧ) измеряют в области низких и высоких частот, где функция g(f) слабо зависит от частоты, 449. 1

1581 !Эй

00 чав

)58I138

° М у/Ц ю ю

Составитель И.Петрович

Техред М.Ходанич,- Корректор С.Шевкун

° ВЮ

Редактор Е. Кравцова

Заказ 2444 ." Тираж 380 : .. Подиисное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьпини при ГКНТ CgCP .

113035, Москва, Ж-35, Раушскав наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патеит", r. Ужгород,,ул. Гагарина, !03