Способ определения времени релаксации неравновесных возбуждений Советский патент 1991 года по МПК H01L21/66 

Изобретение касается исследования физических свойств материадов методом спектроскопии квазичастичных возбуждений и может быть использовано для изучения кинетики неравновесных процессов в проводниках при исследовании ровых материалов, применяемых для. создания приборов радиоэлектронной, измерительной и вычислительной техники,,

Цель изобретения - обеспечение возможности определения времени релаксации высокоэнергетических возГ.уж-Ъ дений в проводниках и вре -1ени рилак- сагшя высокоэнергетическнх (дебаевских) фононов, а. также упрощение способа.

На фиг.1 представлен схема устройства для осуществления способа, на фиг,2 - нормированные зависимости сигнала детектирования Uo от напряжения смещения V на микроконтакте (МК) при разных частотах f зондирующего сигнала для образца из меди; на JQ фиг.З - частотная зависимость сигнала отклика ч дли образца из меди; на фиг.4 - частотная зависимость сигнала отклика Fj-для образца из золота; на фиг.З иллюстрируется графический 15 метод определения частоты релаксации f фононов по экспериментальной частотной зависимости отклика МК для образца из меди, на фиг.6 - то же для образца из золота.20

Устройство содержит образец 1, источник 2 постоянного тока смещения, источник излучения 3, устройство 4 регистрации отклика МК, гелиевый кри- остат 5. Кривые 6-10 соответствуют 25 различным частотам возбуждающего электромагнитного излучения. Кривые 11, 12 соответствуют наилучшей аппроксимации функцией j(f,f в) измеренной

частотной зависимости сигнала отклика (f) МК. Кривые 13-16 аппроксимируют измеренную зависимость l.(f) функции l{(f,fp) при fp 2103 Гц, 10-Ю3 Гц и ,3-10 Гц и 2 10Э Гц соответственно.

30

35

35

Пример 1. Образец 1 в виде МК двух массивних электродов включают по четырехпроводной схеме в изме- рительное устройство. В токовой цепи (левая ветвь на фиг.1) размещен ис- дд точник 2 постоянного тока смещения, создающий напряжение рмещения на МК. Для измерения тока и напряжения смещения в цепь включены амперметр и вольт- метр постоянного тока. Для подачи 5 зондирующего сигнала на МК 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. l(d,A), где 1Г - длина свободного пробега квазичастиц, Л энергетическая длина рассеяния электрона в про- воднике, d - диаметр МК, изготавливают непосредственно в криостате 5. В жидком гелии с помощью специального

Q 5 0

5

0

5

д 5 -

устройства нриводя г в соприкосновение предварительно приготовленные и смонтированные электроды и получают МК. Варьируя усилие прижима и/или место их касания, получают МК, удовлетворяющий указанному соотношению. Тестом на это условие является вид спектра МК, Спектр МК, удовлетворяющий этому требованию, имеет спектральные особенности и фон (см. фиг.2), Через отобранный МК образец 1 от источника 2 пропускают ток и создают напряжение смещения (,/q, где Јм- максимальная энергия квазичастиц; q - заряд электрона. Этим самым обеспечивается образование системы неравновесных квазичастиц.

Одновременно от источника 3 на МК подают зондирующий сигнал в виде непрерывного электромагнитного излучения, частоту f которого изменяют в диапазоне определяемой частоты релаксации fp. Падающее на контакт-излучение частотой f наводит в проводнике высокочастотный ток, который создает переменную во времени t добавку

напряжения Vcos(--t), где V - амплитуда возбужденного сигнала напряже- ния, к напряжению смещения V0 и, следовательно, осциллирующую с частотой f добавку к неравновесной функции распределения электронов. Причем амплитуда зондирующего сигнала электромагнитного напряжения такова, что V « V..

В результате неуиругого рассеяния электронов возникают переменные во времени дополнительные вклады в процессы как генерации квазичастиц, так и поглощения их. Переменная составляющая в числе неравновесных кваэичас- тиц, рождаемых электронами, задается амплитудой V переменного напряжения и в диапазоне от низких частот до 10 Гц (оценка для фононов) не зависит от частоты f из-за быстрой релаксации электронной подсистемы (время релаксации электронной подсистемы Се -10 4 с). Поэтому изменение числа генерируемых квазичастиц происходит в такт с изменением напряжения. Следовательно, степень нелинейности вольтт-амперной характеристики (ВАХ), обусловленная процессом генерации, изменяется при облучении.

Изменение числа ркабсорбируемых квазичастиц, обусловленное добавкой

5IS

переменного напряжения на МК, зависит не только от амплитуды V, но и от частоты f. Амплитуда переменного вклада в общее число поглощаемых квазичастиц зависит от соотношения между частотой f изменения неравновесно функции распределения электронов (задаваемой напряженней на контакте) и частотой релаксации fp (10 -1010 Г для фононов) неравновесных квазичастиц и уменьшается, когда частота f начинает превышать частоту релаксации f.. Непрерывный сигнал электромагнитного излучения малой амплитуды и перестраиваемой частоты f является эффективны средством зондирования при исследовании релаксации системы неравновесных квязичастиц в области МК.

При воздействии на МК зондирующим излучением измеряют отклик Ј на него в виде сигнала, пропорционального втрой производной вольт-амперной характеристики МК при смещении V ЈM/q, где E, максимальная энергия квазичастицы, q - заряд электрона и при изменении частоты f потучают частотную зависимость отклика T.(f), если частота Ј больше частоты релаксации кваэичастиц, но существенно меньше частоты релаксации электронов. Экспериментально найденная зависимость (f) характеризует процесс релаксации системы неравновесных квазнчаг- тиц. с некоторой собственной частотой релаксации fр, т.е. i(f) l(f)/fp, где значение fp неизвестно и подлежит определению. Значение fp можно найти, если известна, например, из теории зависимость (f,fp).

Отклик контакта на зондирующее излучение регистрируют устройством 4 (см. фиг;1) в виде сигнала , пропорционального второй производной ВАК, в функции частоты f этого излучения i(f). По частотной зависимости i(f) определяют частоту релаксации квазичастиц используя аппроксимацию зависимостью (f,fp). Явный вид этого выражения рассчитывают теоретически для конкретной модели процесс, релаксации квазичастиц. Например, на фиг.З и Д точками представлены экспериментальные значения |, отражающие зависимость ц/f), и аппроксимация этой зависимости функций }(f,fp) при разных значениях f р.

П8«

Для определения частотной завиЫ- мостн h(f) используют способ, обеспечивающий необходимую точность, достаточно простой и доступный. По- - скольку частота релаксации кваэичас- тиц может находиться в широком частотном диапазоне (10 -10 Гц), в качестве источника излучение с перест раиваемоП частотой 3 используют набор генераторов сигналов (триодных, клистронньгх и т.д.). Откликом ч контакта на зондирующий сигнал выбирают сигнал видеодетектирования Ua(Ve),

5 измеряемый модуляционным способом. Данный способ используется для повышения чувствительности, поскольку уровень высокочастотной мощности sott1-- дирующего сигнала устанавливается

0 малым, чтобы не размывать измеряемый спектр. В данном случае использует измерение выпрямленного сигнала потому, что способ измерения амплитуды второй гармоники модулирующего сиг5 нала на высоких частотах неприемлем из-за узкополосности приемников. Определение частотной зависимости осуществляют следующим образом. С помощью двухкоординатного автоматическо0 го потенциометра регистрирует семейство зависимостей .выпрямленного напряжения Uо от постоянного напряжения смещения V на контакте Ug(V) npp разных частотах f зондирующего сигна

ла. Полученные кривые нормируют на одинаковую интенсивность сигнала U« в той области смещений V, где сигнал U- не зависи1 1 от частоты (см. фиг,2) . Необходимость такой нормировки обусQ ловлена зависимостью от частоты коэффициентов согласования импедансов генератора, линии передачи высокой частоты и МК. Из-за этого на разных частотах амплитуда зондирующего нас пряжения V на контакте будет разная, что вызовет и соответствующие изменения сигнала отклика По каждой из нормированных зависимостей U,(V) находят значение нормированного сигна0 ла Ua(Vj), представляющего отклик VL контакта при соответствующей частоте f зондирующего сигнала V. Найденные значения trпредставляют графиком частотной зависимости l(f),

например фиг.З, где значения ц- по казаны точками.

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

Создают контакт, удовлетворяющий условию Ц d Л (где 1 упругая длина рассеяния фонона), используя описанную выше технику получения контактов. При этом спектр электрон- фононного взаимодействия (ЭФВ) в MKS представленный на фиг.2, имеет пики, обусловленные генерацией поперечных ТА- и продольных LA-фононов, и фон вследствие реабсорбции неравновесных фононов „ Нормировку зависимостей Uq(V), полученных при разных частотах f зондирующего излучения, осуществляют по максимуму сигнала, COOT- ветствующего 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 фоно- нов. Значение величины «измеряют при , для фононов , где t-Q- край спектра плотности состояний (дебаевская энергия), Совокупност значений г показанная на фиг.З точками, представляет экспериментальную зависимость (f) . Для определения частоты релаксации дебаевских йюнонов экспериментальную зависимость L(f) аппроксимируют теоретической H(f ,fp) 1 + (f/fp) , представленной кривой 11.

Другим вариантом способа определения частоты релаксации высокоэнер- гетичных фононов по частотной зави- симости отклика контакта на зондирующий сигнал является графический способ. Он состоит в следующем. По графику экспериментальной зависимости (f) (см. фиг.З) определяют значение

величины .Ј(НЧ)-и(вч) , где

значения То(НЧ), (В) измеряют в области низких и высоких частот, в которой функция (f) слабо зависит от частотые По тому же графику определяют частоту f} соответствующую найденному значению jr« Эту частоту принимают за частоту релаксации f p. Возможность определения частоты рела сации графическим способом следует из вида зависимости (f,fp) для фононов и совпадения результатов опре деления частот релаксации предлагаемыми вариантами для различных провод ников. Достоинство графического способа в его простоте.

Далее приведены примеры конкретного выполнения способа для случая

определения времени релаксаций деба- евских1 фононов в различных- проводниках.

П р и м е,р 2. Определение времен релаксации фононов в меди.

Для получения МК электродам придают форму иглы и плоскости (заостренная проволочка Р0,1 мм и торец проволочки 0 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 МК.

Получаемые контакты подвергают тесту по виду спектра ЭФВ в МК и отбирают для измерения тот контакт, Спектр которого имеет стектральные 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) -103 Гц. Через

контакт t (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 Ug(V) при разных его частотах. На фиг.2 показано полученное таким образом семейство зависимостей Ug(V), нормированных в максимуме ТА-пика, Кривые 6-9 лежат в порядке возрастания частоты от tO до 1011 Гц. Для этих кривых определяют нормированные значения отклика (ye) при мВ, которые представляют графиком (см фиг.З)

Экспериментальные точки аппроксимируют функцией ц(Ј ,f p) 1+(f/f р) г варьируя fр. Наилучшая аппроксимация достигается при f 5-105 Гц, ей соответствует сплошная линия на фиг.З, кривая 11, Эту частоту принимают за .частоту релаксации фононов в меди. Для иллюстрации пунктиром нанесены кривые при близких значениях «10Э Гц (кривая 13) и 10 -109 Гц (кривая 15). За время релаксации фононов Vf в меди принимают время ,, 0,2 л 10-9.с.

П р и м е р 3. Графическое опреде ление времени релаксации в меди.

По совокупности экспериментальных значений t полученных по способу,

описанному в примере 2, строят график зависимости (f) (см. фиг.5). По графику находят величину р

- Clf (H4)-1-(B4)J и соответствующую ей частоту f, которая равна 5 10 Гц. За частоту релаксации неравновесных фононов в меди принимают частоту fp 5-109 Гц. За вр емя релаксации фононов в меди принимают время ,2 -10-9с.

П р и м е р 4. Определение времени релаксации фононов в золоте.

Электродам из золота придают таку же форму, как и в случае с медью. Электрохимическую обработку электродов проводят в разбавленной соляной К1слоте. В качестве источника ния 3 используют -клистронные генераторы сигналов, теоекрывающце частотный диапазон (0,1-10)-109 Гц. Через отобранный для измерения контакт з образце 1 от источника 2 подают плавни возрастающий ток, создавая плавно изменяющееся напряжение смещения V в интервале 0-50 мВ, и регистрируют устройством 4 отклик на зондирующий сигнал Jc(V) при разных его частотах f. Кривые Ug(V) ноокируют по максимуму ТА-пика и по ним определяют нор мкрованног значение отклика ..(Ув при мВ. Экспериментальные значения 1г, представленные точками на координатной плоскости- (,f) (см. фиг.4 кривая (12) аппроксимируют

функцией a(ft)1+(i/fp) , варьируя fp. Лучшая аппроксимация достигается при ,8 -10 9 Гц, ей соответствует сплошная линия на гра- фикво Эту частоту принимают за частоту релаксации фононов в золоте Для иллюстрации пунктиром приведены кривые при близких значениях fp 0,3

хЮ9Гц (кривая 14) и 2-Ю9 Гц (кривая 16), За аремя релаксации фононов в золоте принимают время ,25 tO- c.

П р и м е р 5. Графическое определение времени релаксации фононов в зилоте.

По экспериментальным значениям j я строят кривую j(f) (см фиг,6К По графику определяют величину 1г,

4

ь | 1ДНЧ)- ч/БЧ) и соответствующую

ей частоту f, которая равна 0,8 1()Э Гц. За частоту релаксации фоно

o

с

0

5

0

5

0

5

0

5

нов в золоте принимают частоту fp 0,8-10Э Гц. За время релаксации фононов в золоте принимают время -р 1,25-10- с.Р

Применение предложенного способа позволяет определять время релаксации различных квазичастичных возбуждений в широком круге проводников (нормальные металлы и сверхпроводники, полуметаллы, полупроводники, сплавы)„

Формула изобретения

t о Способ определения времени релаксации неравновесных возбуждений, состоящий в создании энергетической 1 еравновесности 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 d, соизмеримым с энергетической длиной рассеяния электрона в проводнике Л, и длиной свободного пробега кваэи- частиц, неравновесность создают путем приложения к микроконтакту постоянного напряжения смещения величиной

V ЈM/Va, где Ј максимальная энергия квазичастицы, q - заряд электрона, возбуждают в микрокоьтакте переменный во времени зондирующий сигнал амплитудой V «Vfl путем облучения электромагнитным излучением, частоту f которого изменяют в диапазоне частоты релаксации неравновесных возбуждений, измеряют отклик микро- контзкта jj на зондирующее излучение в зависимости от частоты f этого излучения (f), измеренную частотную зависимость аппроксимируют функцией t(f,fp), а время релаксации определяют как величину 1/fp, где fр - значение частоты, при которой дости- гается наилучшая аппроксимация,,

2.Способ по п.1,о тли чающий с я тем, что в качестве отклика ч используют сигнал, пропорциональный второй производной вольт-амперной характеристики м кроконтакта.

3..Способ по пп.1 и 2, о т л и- чающийся тем, что зондирующий

11158

сигнал детектируют, в качестве отклика ц при определении частоты зависимости (f) используют продетек- тированный зондирующий сигнал U,,(V0) при напряжении смещения Y« ПРИ этом регистрируют семейство Ug(V) зависимостей продетектированного зондирующего сигнала U от напряжения смещения V при разных частотах f зондирующего сигнала, зависимости U(V) нормируют на одинаковую интенсивность Ъигнала U л в той области смещений V, где сигнал 1 д не зависит от частоты, на каждой, из нормированных зависимостей находят значение величины нормированного продетектированного зондирующего сигнала при напряжении смещения V , представляющее нормированный сигнал отклика ь-, полученные при разных частотах значения л определяют частотную зависимость (г)

4, Способ по пп.1,3, о т л и ч-а- ю Щ и и с я тем, чтоs с целью обеспечения возможности определения времени релаксации высокоэнергетических (дёбаевских) фононов, создают микроконтакт диаметр которого удовлетворяет условию Л, где 1 - уп

138 2

ругая длина рассеяния фононов, при определении «астогной зависимости (f) нормировку зависимости-U«(V) осуществляют по максимуму продетек тированного зондирующего сигнача, соответствующему максимуму плотности состояний поперечных фононов, значения величины rj. измеряют при Vtf

-, где Јп край спектра плотноспи

0

ти состояний фононов, полученную экспериментальную зависимость i(f) аппроксимируют кривой tЈ(i,fb) 1 +

+(f/fp)2J- .

5t Способ по п.4, отличающийся тем, что, с целью упрощения, частоту релаксации неравновесных фононов определяют на графике экспериментальной зависимости Ц,(Ј) как (частоту, при которой выполняется ус-, ловие равенства сигнала отклика величине гц (H4)

чем значения г(ЯЧ), 1(84) измеряют в области низких и высоких частот, где функция (.t) слабо зависит от частоты.

Изобретение касается исследования физических свойств материалов методом спектроскопии. Цель изобретения - обеспечение возможности определения времени релаксации высокоэнер- гетичных 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

т

«л

a t

о

°

съ

-

Ln СО

( 00

3 О

Г

t

w

0,6

w

№ Ю®

ю3 0в

Ю

//

ю я10 V

, Фие.6