Флуктуационные, термо- и электромеханические эффекты в квазиодномерных проводниках с волной зарядовой плотности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, доктор физико-математических наук Покровский, Вадим Ярославович

• Покровский, Вадим Ярославович
• доктор физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Покровский, Вадим Ярославович

1. Введение

2. Флуктуации сопротивления вблизи температуры пайерлсовского перехода, Тр, в квазиодномерном проводнике Та83.

2.1. Постановка задачи. Отсутствие универсальной теории перехода трёхмерного упорядочения.

2.2. Предпосылки для наблюдения спонтанных актов проскальзывания фазы (ПФ) волны зарядовой плотности (ВЗП).

2.3. Особенности экспериментальных методик исследования флуктуаций, в том числе в образцах нанометровой толщины.

2.4. Наблюдение флуктуаций напряжения в образцах ТаБз. 31 2.5 Анализ результатов, связь флуктуаций со спонтанным ПФ и формулировка модели.

3. ПФ как механизм разрушения трёхмерного порядка ВЗП в области ГР. Описание основных свойств квазиодномерных проводников вблизи Тр.

3.1. Особенность теплового расширения Та83 вблизи 7р и её описание в рамках модели ПФ.

3.2. Описание особенностей температурных зависимостей теплоёмкости, модуля Юнга и проводимости вблизи Ту в соединениях квазиодномерных проводников.

4. Особенности вольтамперных характеристик (ВАХ) тонких образцов Тавз вблизи 7р.

4.1. Размытие ВАХ тонких образцов Та8з в области порогового поля вблизи ГР.

4.2. Описание явления в рамках модели спонтанного ПФ.

4.3. Пороговая нелинейная проводимость выше ТР.

4.4. Выводы о характере состояния квазиодномерных проводников с ВЗП вблизи Гр.

5. Тепловое расширение и гистерезис длины квазиодномерного проводника Та8з.

5.1. Постановка задачи. Вопрос о возможных воздействиях деформации ВЗП на размеры и форму кристаллов квазиодномерных проводников.

5.2. Экспериментальные методики.

5.3. Результаты измерений теплового расширения.

5.4. Анализ результатов и выводы об упругом взаимодействии ВЗП и основной решётки.

6. Расчёт деформации квазиодномерных проводников в электрическом поле.

6.1. Расчёт профилей деформации ВЗП и кристалла в электрическом поле.

6.2. Анализ полученных результатов.

7. Неоднородная деформация квазиодномерных проводников в электрическом поле.

7.1 Экспериментальные методики исследования кручения.

7.2. Результаты исследования деформации кручения квазиодномерных проводников.

7.3. Экспериментальные методики исследования деформации с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

7.4. Наблюдение деформации изгиба.

7.5. Анализ результатов и выводы о связи наблюдаемых эффектов с деформацией ВЗП.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Флуктуационные, термо- и электромеханические эффекты в квазиодномерных проводниках с волной зарядовой плотности»

Во ВВЕДЕНИИ (Глава 1) обосновывается актуальность темы, дается краткий обзор основных свойств квазиодномерных проводников в связи с тематикой диссертации, кратко излагается содержание глав диссертации.

Содержание глав 2-4 относится к флуктуационным свойствам квазиодномерных проводников с ВЗП. Глава 2 посвящена изучению спонтанных флуктуаций сопротивления в квазиодномерном соединении ТаБз. В разделе 2.1 обосновывается постановка задачи. Даётся обзор флуктуационных свойств, изученных к моменту начала работы над диссертацией. Поскольку пайерлсовский переход есть переход трёхмерного упорядочения одномерных флуктуаций, универсальной теории, описывающей поведение всех физических величин вблизи перехода, пока не создано. Приводятся примеры, показывающие, что предсказания имеющихся теорий существенно расходятся с экспериментом. Поэтому актуальным может быть разработка полуэмпирических моделей флуктуаций, имеющих экспериментальное основание и ясный физический смысл, и сопоставление этих моделей с другими экспериментами.

В разделе 2.2. даётся обзор научных работ, в которых экспериментально и теоретически изучалось явление проскальзывания фазы (ПФ). Описывается модель термически активированного ПФ. Обосновываются предпосылки для экстраполяции модели в область более высоких температур и наблюдения спонтанных флуктуаций сопротивления.

Раздел 2.3 посвящен особенностям экспериментальных методик, применявшихся для исследования флуктуаций. Для описания особенностей поведения основных параметров, характеризующих пайерлсовский переход, таких как теплоёмкость, модули упругости, тепловое расширение, транспортные свойства, следует исследовать образцы не слишком малых размеров, в которых переход не слишком размыт из-за размерного эффекта. Для исследования электрических шумов в таких образцах пришлось использовать специальную методику, использующую малошумящий усилитель. С другой стороны, в образцах субмикронной толщины флуктуации выражаются в особых эффектах. В частности, шумы в них имеют вид случайного телеграфного сигнала. Поэтому, в данном разделе описана также методика приготовления образцов малых размеров.

Раздел 2.4. посвящен исследованию спонтанных флуктуаций сопротивления образцов Та8з. Совпадение температуры, при которой наблюдается максимум шума, с точкой схлопывания петли гистерезиса, а также подобие форм максимума и температурного хода сопротивления в области ТР, указывают на связь флуктуаций с процессом ПФ. Кроме того, наблюдение спонтанных шумов, имеющих вид случайного телеграфного сигнала, в образцах субмикронной толщины непосредственно доказывает, что шумы связаны со спонтанным обратимым процессом ПФ. В разделе 2.5 формулируется модель ПФ, позволяющая описать поведение различных величин вблизи ГР.

Результаты исследования шумов указывают на спонтанное ПФ как механизм разрушения трёхмерного порядка ВЗП при повышении температуры. В главах 3-4 модель конкретизируется и находит экспериментальное обоснование. Глава 3 посвящена исследованиям теплового расширения, теплоёмкости, модуля Юнга и проводимости вблизи ГР в соединениях квазиодномерных проводников. С помощью модели ПФ описываются экспериментальные результаты, упомянутые выше. При этом в разделе 3.1 отдельно рассмотрено тепловое расширение ТаЭз, измеренное автором диссертации. Раздел 3.2 посвящен описанию особенностей в теплоёмкости, модуле Юнга и проводимости вблизи ТР, о которых сообщается в работах других авторов.

Глава 4 посвящена флуктуационным эффектам, специфическим для образцов субмикронных и нанометровых поперечных размеров, проявляющимся в их транспортных свойствах. В разделе 4.1 описан эффект размытия («закругления») вольт-амперных характеристик (ВАХ) тонких образцов Та8з в области порогового поля вблизи Тр. Показано, что эффект можно рассматривать как нелинейную проводимость ниже порогового поля. Сопоставление температурных зависимостей этой проводимости и флуктуационного вклада в линейную проводимость свидетельствует о том, что они имеют общую природу и, следовательно, должны быть связаны со спонтанным ПФ. В разделе 4.2 модель ПФ обобщается для описания локального движения (крипа) ВЗП, вызванного спонтанным ПФ. Выводится соотношение между линейным и нелинейным вкладами в проводимость, которое согласуется с экспериментом.

В разделе 4.3 сообщается о наблюдении качественно иного эффекта -появления порогового вклада в нелинейную проводимость в субмикронных образцах Та83. Эффект наблюдается при температурах, более чем на 45 К превосходящих 7р. Приводится объяснение, связывающее пороговый характер срыва флуктуаций ВЗП с большой длиной когерентности, которая может в определённые моменты времени достигать толщины образца. Температурная зависимость порогового поля, Ер, свидетельствует о том, что выше Тр никаких качественных изменений в свойствах ВЗП внутри областей когерентности не происходит, что является прямым доказательством связи перехода с разрушением трёхмерного порядка, а не с однородным подавлением пайерлсовской щели.

В разделе 4.4 обсуждается природа состояния квазиодномерных проводников выше 7р, обсуждаются области применимости модели ПФ, рассматриваются варианты её возможного микроскопического обоснования.

Главы 5-7 посвящены исследованиям деформации образцов квазиодномерных проводников, связанной с деформацией ВЗП. Исследованы три вида деформации: однородная продольная, кручение и изгиб. В Главе 5 рассматривается однородная деформация образцов. Вначале (раздел 5.1) приведены соображения, согласно которым можно ожидать чувствительность размеров и формы образцов квазиодномерных проводников к деформации ВЗП. Приводятся экспериментальные работы зарубежных авторов, в которых наблюдалось уменьшение модуля Юнга и модуля сдвига при депиннинге ВЗП. Результаты свидетельствуют о возможности упругого взаимодействия ВЗП и основной решётки. Анализируется также эксперимент, проведённый американскими авторами, в котором сообщается об изменении длины образцов Та8з при воздействии электрического поля. Делается вывод о том, что для наблюдения однородной деформации образцов наиболее эффективным должно быть температурное воздействие, в то время как воздействие электрического поля должно приводить, в первую очередь, к неоднородной деформации образцов.

Отдельный раздел (5.2.) посвящен описанию оригинальной экспериментальной интерференционной методики, разработанной для исследования теплового расширения нитевидных образцов. Результаты измерения теплового расширения ТаЭз приведены в разделе 5.3. Показано, что ниже ТР в тепловом расширении наблюдается гистерезис. Проводится сопоставление петель гистерезиса длины и проводимости, делается вывод о связи деформации образца с деформацией ВЗП. В разделе 5.4 предлагается модель взаимодействия ВЗП с решёткой кристалла.

Далее приводятся результаты исследований неоднородной деформации квазиодномерных проводников в электрическом поле. Отдельная глава, № 6, посвящена теоретическому расчёту возможного воздействия электрического поля на изменение формы образца. В разделе 6.1 проводится расчёт профиля деформации ВЗП и рассматривается влияние этой деформации на форму образца. Раздел 6.2 посвящен анализу полученного результата. Делается вывод, что по отношению деформация/поле квазиодномерные проводники могут на много порядков превосходить известные пьезоэлектрики. В малых электрических полях это отношение может в Ьс/Х раз превосходить пьезомодуль ионных пьезоэлектриков, где X — период ВЗП, Ьс — длина когерентности, достигающая миллиметров при скольжении ВЗП. Отмечается также, что виды неоднородной деформации квазиодномерных проводников в электрическом поле могут быть различными: помимо продольной, можно ожидать изгиб, сдвиг и т.д. Мотивируется постановка задачи об исследовании кручения.

Глава 7 посвящена исследованию деформации кручения, возникающей в квазиодномерных проводниках с ВЗП в электрическом поле. В разделе 7.1 описываются оптические экспериментальные методики исследования деформации кручения нитевидных образцов. Затем (7.2) приводятся результаты измерения кручения образцов ТаБз в зависимости от электрического поля и температуры. Приводятся зависимости амплитуды кручения от длины и сечения образца. Показано, что кручение свидетельствует о наличии полярной оси у образцов. Приводятся также данные по кручению образцов других соединений квазиодномерных проводников, что доказывает универсальность эффекта. В разделе 7.3 обосновывается постановка эксперимента, в котором неоднородная деформация исследуется с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Описывается экспериментальная методика. Далее (7.4) приводятся результаты исследований, сообщается о наблюдении изгибной деформации Та83 в электрическом поле. В разделе 7.5 делается вывод о связи наблюдаемого кручения и изгиба с деформацией ВЗП, рассматриваются виды деформации ВЗП, обуславливающие деформацию образцов. В частности, расчёт (глава 6) обобщается для случая сдвиговой деформации ВЗП, связанной с поверхностным пиннингом. Приводятся численные оценки угла кручения.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ (Глава 8) содержатся краткие выводы, оцениваются перспективы дальнейших исследований и прикладного применения их результатов, выражаются благодарности.

Новизна работы состоит в том, что для квазиодномерных проводников с ВЗП автором впервые экспериментально исследованы:

- особенности флуктуаций вблизи пайерлсовского перехода и их связь с динамикой деформации ВЗП;

- воздействие деформации ВЗП на решётку кристалла;

- спонтанные флуктуации сопротивления вблизи пайерлсовского перехода;

- особенности вольт-амперных характеристик образцов Та83 нанометровой толщины в области пайерлсовского перехода;

- тепловое расширение (ТР) квазиодномерного соединения Та83, температурный гистерезис ТР и особенности ТР вблизи пайерлсовского перехода;

- деформация кручения и изгиба квазиодномерных проводников, возникающая при приложении электрического поля.

Проведён теоретический анализ полученных результатов.

В ходе выполнения перечисленных исследований автором вблизи пайерлсовского перехода были обнаружены спонтанные электрические шумы, особенность в тепловом расширении, размытие вольт-амперных характеристик (ВАХ) тонких образцов Та8з в области порога для нелинейной проводимости. Выше перехода в тонких образцах, наоборот, был обнаружен пороговый характер ВАХ. Был обнаружен гистерезис в тепловом расширении квазиодномерных проводников, а также кручение и изгиб в электрическом поле.

Автором предложена модель спонтанного проскальзывания фазы, описывающая разрушение дальнего порядка ВЗП образованием областей локального подавления (или сильного возмущения) пайерлсовского состояния. Модель объясняет спонтанные флуктуации сопротивления, размытие ВАХ в области Еь особенности на температурных зависимостях теплового расширения, теплоёмкости, модуля Юнга и проводимости. Также предложена модель, объясняющая сильную неоднородную деформацию квазиодномерных проводников с ВЗП в электрическом поле.

Автором разработан ряд экспериментальных методик, в том числе оптические методики, позволяющие измерять ТР и кручение нитевидных образцов.

Достоверность результатов работы определяется использованием обоснованных методов проведения экспериментальных измерений, воспроизводимостью результатов, которые составляют самосогласованную физическую картину, согласующуюся также и с имеющимися данными по физике ВЗП, существующими и предложенными моделями.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о физике квазиодномерных проводников с ВЗП, создают цельную картину флуктуационных явлений в них, демонстрируют возможность создания неоднородной деформации кристаллической решётки в электрическом поле за счёт её взаимодействия с ВЗП. Обнаружение и исследование кручения квазиодномерных проводников в электрическом поле открывает возможность для создания эффективных актюаторов (приводов) микронного и субмикронного размера, необходимых в микро- и наносистемной технике. Интерференционная методика, разработанная для измерения удлинения нитевидных образцов, может быть применена для исследования различных объектов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) В квазиодномерном проводнике, ромбическом ТаБз, вблизи температуры пайерлсовского перехода, ТР, возникают спонтанные флуктуации проводимости, имеющие спектр типа 1/£ Флуктуации связаны с актами проскальзывания фазы волны зарядовой плотности (ВЗП), имеющими обратимый характер.

2) Тепловое расширение ТаБз вблизи Тр испытывает особенность, имеющую вид размытой ступени. Сделан вывод, что механизм разрушения трёхмерного порядка ВЗП есть следствие роста вероятности проскальзывания фазы ВЗП с повышением температуры.

3) В образцах квазиодномерного проводника Та83 нанометровой толщины при температурах существенно ниже ТР срыв ВЗП с примесей (депиннинг) происходит без резкого порога. Данный эффект является следствием обратимого проскальзывания фазы ВЗП: каждый акт проскальзывания фазы приводит к локальному переносу заряда ВЗП. В то же время, депиннинг в таких образцах сохраняет пороговый вид существенно выше ТР. Это связано с большими длинами флуктуаций параметра порядка ВЗП, достигающими поперечных размеров образцов и определяющими её временную когерентность.

4) Создана оптическая интерференционная методика, позволяющая исследовать удлинение нитевидных кристаллов с чувствительностью не

1 .. менее 5x10" . Обнаружено, что тепловое расширение Та83 имеет гистерезис, который достигает 5x10"5 и связан с деформацией ВЗП. Упругое взаимодействие ВЗП и основной решётки определяется зависимостью импульса Ферми от деформации решётки. ~

5) Квазиодномерные проводники под действием электрического поля испытывают деформацию кручения (Та83, (Та8е4)21, К0.3МоО3) и изгиба (Та83), которая обусловлена неоднородной деформацией ВЗП. Зависимость угла кручения от электрического поля носит пороговый гистерезисный характер. Для Та83 сдвиговая деформация при этом достигает величины, соответствующей пьезомодулю более 10~б м/В.

Личный вклад автора

Большая часть экспериментальных результатов и все теоретические результаты были получены автором. Автор также проводил обработку экспериментальных данных, написание и оформление публикаций. Использованные в работе соединения квазиодномерных проводников были выращены в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, а также в лабораториях США, Франции, Швейцарии и Хорватии.

Основные результаты опубликованы в 40 научных работах, в том числе в 29 статьях в реферируемых отечественных (7) и зарубежных (22) журналах; все 29 публикаций - в журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией. 11 публикаций — в сборниках трудов докладов отечественных и международных конференций и симпозиумов, а также интернет-изданиях.

Общий объем опубликованных по теме диссертации работ составил 295 печатных страниц.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Иткис М.Е., Надь Ф.Я., Покровский. В.Я. ЭДС, возникающая в квазиодномерном проводнике TaS3 под действием лазерного излучения.// ЖЭТФ - 1986. - Т.90. - С. 307-316.

2. Зайцев-Зотов C.B., Покровский В.Я. Релаксация метастабильных состояний и зарождение металлической фазы в результате обрдзования центров проскальзывания фазы в ТаЭз.// Сб. трудов XXV Всесоюзной конференции по физике низких температур, Ленинград 1988. - Ч.З. — С. 112113.

3. Зайцев-Зотов C.B., Покровский В.Я. Самолегирование в квазиодномерных пайерлсовских полупроводниках.// Сб. трудов XI Всесоюзной конференции по физике полупроводников, Кишинёв 1988. — Т.1.-С. 60-61.

4. Pokrovskii V.Ya., Zaitsev-Zotov S.V. Inhomogeneous Spatial Structure of the CDW Metastable States: Step-Like and Continuous Temperature Evolution.// Synthetic Metals - 1989. -V. F439-444. - P. 39.

5. Зайцев-Зотов C.B., Покровский В.Я. Уединенные двухуровневые флуктуаторы в сверхмалых образцах квазиодномерного проводника TaS3.// Письма в ЖЭТФ - 1989. -Т.49. - С.449-452.

6. Pokrovskii V.Ya., Zaitsev-Zotov S.V. Critical-State Model for Pinned Charge-Density Waves: Conditions and Consequences of Phase Slip.// Synthetic Metals -1989. -V. 32. - P. 321-328

7. Pokrovskii V.Ya., Zaitsev-Zotov S.V. Spontaneous Resistance Fluctuations and Transition of the Charge- Density Waves into Disordered State in o-TaS3 Nanosamples.// Europhys. Lett.- 1990. - V.13. - P. 361-366.

8. Pokrovskii V.Ya., Zaitsev-Zotov S.V. Phase-Slip, Critical Fluctuations and Order-Disorder Transition of the CDW in o-TaS3. // Synthetic Metals. - 1991. -V.41-43.-P. 3899-3904.

9. Zaitsev-Zotov S.V., Pokrovskii V.Ya., Gill J.C. Mesoscopic Behavior of the Threshold Voltage in Ultra-Small Specimens of o-TaS3.// Journ. Phys. I (France). - 1992.-V. 2-P. 111-120.

10. Pokrovskii V. Ya., Zaitsev-Zotov S. V., Monceau P., and Nad1 F. Ya. The anomalous growth of resistance fluctuations in o-TaS3 below the liquid-nitrogen temperature.// J.Phys.: Cond. Matter. - 1993. -V. 5. - P. 9317-9326.

11. Pokrovskii V. Ya., Zaitsev-Zotov S. V., Monceau P., and Nad' F. Ya. Spontaneous Resistance Fluctuations and Their Evolution Near the Threshold in o-TaS3 Below the Liquid-Nitrogen Temperature.// J. Phys IV (France) - 1993. V. 3. -P. 189-192.

12. Pokrovskii V. Ya., Zaitsev-Zotov S. V. Comment on 'Metastable Length States of a Random System: TaS3'. // Phys. Rev. B. - 1994. - V. 50. - P. 1544215444.

13. Артеменко С. H., Покровский В. Я., Зайцев-Зотов С. В. Электронно-дырочный баланс и полупроводниковые свойства квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности.// ЖЭТФ. - 1996. - Т. 110, №. 3. — С. 1069-1080.

14. Pokrovskii V. Ya., Zaitsev-Zotov S. V., Monceau P. Threshold nonlinear conduction of thin samples of o-TaS3 above the Peierls transition temperature.// Phys. Rev. B. - 1997. - V. 55 - P. R13377-13380.

15. Heinz G., Pokrovskii V. Ya, Goldbach M., Kittel A., Parisi J. Imaging the Spatial Structure of Metastable States in a Charge Density Wave System with the Scanning Electron Microscope.// Phys. Lett. A. -1997. - V. 236. - P. 583-588.

16. Heinz G., Pokrovskii V. Ya, Goldbach M., Kittel A., Parisi J. Deformation of Charge Density Waves in Quasi-One-Dimensional Semiconductors Visualized by Scanning Electron Microscopy.// In: "A Perspective Look at Nonlinear Media in Natural and Social Science", eds. J. Parisi, S. C. Mueller, and W. Zimmermann (Springer, Berlin). - 1997. - P. 339-347.

17. Pokrovskii V. Ya., Zaitsev-Zotov S. V. Contributions of the spontaneous phase slippage to the linear and non-linear conduction near the Peierls transition in the thin samples of o-TaS3. // Phys. Rev. B. - 2000. - V. 61. - P. 13261-13265.

18. Зайцев-Зотов С. В., Покровский В.Я., Монсо П. Переход к одномерной проводимости при уменьшении толщины кристаллов квазиодномерных проводников TaS3 и NbSe3. // Письма в ЖЭТФ. - 2001. Т. 73.-С. 29-32.

19. Синченко А. А., Покровский В. Я., Зыбцев С. Г. Управление электронным спектром квазиодномерного проводника К0.3МоО3 с помощью микроконтакта. // Письма ЖЭТФ. - 2001. - Т. 74, № 3. - С. 191-194.

20. Heinz G., Parisi J., Pokrovskii V. Ya., Kittel A. Visualizing the spatial structure of charge density waves via scanning electron microscopy. //Physica B: Condensed Matter. - 2002. - V. 315, № 4. - P. 273-280.

21. Golovnya A. V., Pokrovskii V. Ya., Shadrin P. M. Coupling of the lattice and superlattice deformations and hysteresis in thermal expansion for the quasi-one-dimensional conductor TaS3.// Phys. Rev. Lett. - 2002. - V. 88. - P. 246401(1-4).

22. Sinchenko A. A., Zybtsev S. G., Gorlova I. G., Latyshev Yu. I., Pokrovskii V.Ya., Monceau P. On The Critical Current For The Charge-Density Wave Transport.// J.Phys. IV France. - 2002. - V. 12. - P. Pr9-127-128.

23. Sinchenko A A, Latyshev Yu I, Pokrovskii V Ya, Zybtsev S G., Monceau P. Micro-contact spectroscopy features of quasi-one-dimensional materials with a charge-density wave. // J. Phys. A: Math. Gen. - 2003. — V. 36 — P.9311-9322.

24. Golovnya A. V., Pokrovskii V. Ya. Interferometric setup for measurements of expansion of whisker-like samples. // Rev. Sci. Instrum. - 2003. - V. 74, №3. - P. 4418-4422.

25. Pokrovskii V. Ya., Golovnya A. V., Zaitsev-Zotov S. V. Peierls transition as spatially inhomogeneous gap suppression. // Phys. Rev. B. - 2004. -V. 70, № 11.-P. 113106(1-4).

26. Головня А. В., Покровский В. Я. Методика исследования удлинения нитевидных квазиодномерных проводников и перспективы использования их в микроэлектромеханике. // Сб. трудов Молодёжной школы «Микросиситемная техника МСТ-2004». Санкт-Петербург — Таганрог. — 2004. - С. 37-42.

27. Pokrovskii V. Ya., Gorlova I. G., Zybtsev S. G., Zaitsev-Zotov S. V. Variable-range-hopping-like transverse conductivity of the quasi one-dimensional conductor TaS3.//J. Phys. IV France.-2005.-V. 131.-P. 185-187.

28. Pokrovskii V. Ya. Distributed latent heat of the phase transitions in low-dimensional conductors. // J. Phys. IV France. - 2005. - V. 131. - P. 315-318.

29. Синченко А. А., Покровский В. Я. Деформация волны зарядовой плотности вблизи микроконтакта с нормальным металлом. // ЖЭТФ. - 2005. -Т. 128.-С. 1288-1298.

30. Sinchenko A. A., Pokrovskii V. Ya. Effect of commensurability on the CDW deformation near a point contact. // J.Phys.IV. - 2005. - V.131 - P. 227-229.

31. Pokrovskii V. Ya., Meshkov G. В., Gorlova I. G., Zybtsev S. G., Odobesko А. В., Yaminsky I. V. Atomic-Force Microscope as an Instrument for Measurements of Thermal Expansion of Whisker-Like Samples. // In Proceedings of the Workshop „Recent developments in low dimensional charge density wave conductors", Skradin, Croatia June 29.-July 3. - 2006. - P. 28-29.

32. Pokrovskii V. Ya., Gorlova I. G., Zybtsev S. G., Zaitsev-Zotov S. V. Universal Variable-Range Hopping Along and Perpendicular to the Chains in the

Quasi One-Dimensional Conductor o-TaS3. // In Proceedings of the Workshop „Recent developments in low dimensional charge density wave conductors", Skradin, Croatia June 29.-July 3. - 2006. - P. 44-45.

33. Sinchenko A. A., Pokrovskii V. Ya. Effects of strong deformation of a CDW in the vicinity of a point contact with a normal metal. // In Proceedings of the Workshop „Recent developments in low dimensional charge density wave conductors", Skradin, Croatia June 29.-July 3. - 2006. - P. 16-17.

34. Покровский В. Я., Зыбцев С. Г., Кузнецов А. П. Деформация квазиодномерных проводников в электрическом поле и методики её исследования. // Труды Научн. сессии МИФИ. М. - 2007. - Т. 4. - С. 37-38.

35. Pokrovskii V. Ya., Zybtsev S. G., Gorlova I. G. Torsional Strain of TaS3 Whiskers on the Charge-Density Wave Depinning. // Phys. Rev. Lett. - 2007. - V. 98.-P. 206404.

36 Покровский В. Я. Об огромном воздействии электрического поля на кристаллическую решетку квазиодномерных проводников с волной зарядовой плотности.// Письма ЖЭТФ. - 2007. - Т. 86, № 4 - С. 290-293.

37 Pokrovskii V. Ya., Zybtsev S. G. Self-sensitive torsional microresonators based on a charge-density wave system. // arXiv:0708.2694vl [cond-mat.str-el]., 1-10 - Режим доступа: http://arxiv.org/abs/0708.2694.

38. Pokrovskii V. Ya., Zybtsev S. G., Gorlova I. G. Enormous torsional strain of one-dimensional conductors under electric field: an alternate for the piezoelectric actuators? // Сб. трудов Международной конференции "Functional Materials" ICFM - 2007. Украина, Крым, Партенит. - 2007. - С. 221-222.

39. Pokrovskii V. Ya., Zybtsev S. G, Loginov V. В., Timofeev V. N., Kolesov D. V., Yaminsky I. V., Gorlova I. G. Deformations of charge-density wave crystals under electric field. // Physica B. -2009. - Y. 404. - P. 437-443.

40. Zybtsev S. G., Pokrovskii V. Ya., Nasretdinova V. F., Zaitsev-Zotov S. V. Gigahertz-range synchronization at room temperature and other features of charge-density wave transport in the quasi-one-dimensional conductor NbS3. // Appl. Phys. Lett. - 2009. - V. 94. - P. 152112 (1-3).

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Покровский, Вадим Ярославович

7.2. Результаты исследования деформации кручения квазиодномерных проводников.

Было исследовано около 2-х десятков образцов. Вблизи температуры жидкого азота при приложении поля выше порогового наблюдалось кручение на угол -1°.

На Рис. 3.6 показаны одновременно измеренные токовые зависимости угла кручения 5(р и дифференциального сопротивления К^&УШ образца ТаБз. На зависимостях Яй(/) виден резкий спад сопротивления при превышении током порогового значения. Одновременно происходит и резкий поворот образца: зависимости 5ф(7) также носят пороговый характер. Широкая петля гистерезиса, характерное свойство квазиодномерных проводников с ВЗП, означает, в частности, что при нулевом токе образец может иметь несколько состояний в некотором диапазоне углов кручения. Из этого следует, что, деформация кручения, по крайней мере, основная её часть, связана с деформацией ВЗП, а не с её динамикой. (Здесь можно отметить, что квазиодномерные проводники можно использовать как оптические коммутаторы с энергонезависимой памятью.)

В полях, превышающих пороговое, заметна тенденция к насыщению зависимости 5ф(I). Заметим, что направление кручения определяется направлением тока. Это значит, кручение нельзя объяснить ни нагревом, ни внутренним напряжением в образце: согласно [59,79], модуль сдвига О (как и модуль Юнга) снижается при превышении порогового тока вне зависимости от его направления. В нашем случае примерно половина образцов закручивалась в одном направлении, а половина — в другом, при одном и том же направлении тока. Этого можно было ожидать: если (мысленно) перевернуть образец вверх ногами, поменяв местами подвижный и неподвижный контакты, пропускание тока в том же направлении должно приводить к кручению в другую сторону.

Рис. 7.2. Зависимости 8ф(/) и ЯаСО, измеренные одновременно, а) и Ь) — данные для двух образцов, шкала 5ф - общая, а) - с использованием цифрового фотоаппарата, Ь) - с использованием шлирен-метода (бритвенной диафрагмы). На вставке к а) показана зависимость 5ф(/) для образца (в произвольных единицах), полученного из того же кристалла ТаБз, но с перевёрнутой осью с. На рисунках Ь) исходные точки - переохлаждённое состояние - помечены тёмными кружками. [88].

Неэквивалентность двух направлений вдоль образца указывает на полярную ось внутри образца, направленную вдоль кристаллографического направления с. Структурные данные, однако, относят Та83 к точечной группе симметрии 222 [1(1)], при которой полярная ось должна отсутствовать.

Чтобы проверить связь направления кручения с направлением оси с, мы разрезали кристалл Та83 поперёк проводящих цепочек и перевернули одну из половинок кверх ногами, так что ось с оказалась направлена в противоположную сторону. Затем два фрагмента были расположены на одной и той же подложке рядом, как показано на Рис. 7.1а. Оказалось, что направления кручения двух половинок оказались противоположными при одной и той же полярности напряжения — см вставку к Рис. 7.2а в качестве примера. Этот результат был повторён для четырёх пар образцов, что подтверждает наличие полярной оси, предопределённой в нормальном состоянии. Кроме того, направление кручения не связано с особенностями приготовления образца и асимметрией контактов, а является внутренним свойством образца. Можно предположить, что в образце есть какой-то протяжённый дефект (вероятно, определяемый направлением роста кристалла). Возможно, он определяет понижение симметрии Та83 при переходе в пайерлсовское состояние. Для однозначного ответа желательно провести повторные структурные измерения, в том числе при низких Т.

Подчеркнём здесь, что объяснения, связанные с наличием винтовой симметрии, или хиральности, решётки (винтовая дислокация [80,81], или ось [82]) сами по себе не могут быть продуктивными, т.к. винтовая симметрия не подразумевает наличие полярной оси.

Наличие нескольких микрозеркал (Рис. 7.1а) позволило определить, как распределена деформация кручения вдоль образца. Оказалось, что все участки образца поворачиваются в одну и ту же сторону, причём величина угла кручения растёт приблизительно линейно при удалении от неподвижного контакта (Рис. 7.3). Нам также удалось измерить амплитуду кручения одного и того же образца, шаг за шагом укорачивая его. При этом подвешенный контакт и зеркало около него мы не трогали, а неподвижный прижимной контакт поэтапно приближали к подвижному. В этом случае амплитуда кручения также практически линейно зависит от длины образца, хотя её экстраполяция к 5ср=0 указывает на наличие приконтактной области, в которой образец не крутится, или крутится в противоположную сторону [83].

Амплитуда 5ф, приведённая к длине, уменьшается с увеличением ширины щ (Рис. 7.4). Темным кружком на Рис. 7.4 выделен наиболее тонкий образец. При приготовлении его мы не использовали подводящую проволоку вискер), чтобы избежать влияния её жёсткости. В этом случае два фрагмента одного образца с противоположно направленными осями с были соединены встык (Рис. 7.1 Ь). Результат, который видно из Рис. 7.4, можно было ожидать: при одном и том же вращательном моменте 8ф сс IV"4 (см., например, [84]). Можно предположить, что в нашем случае вращательной усилие формируется в слое вблизи поверхности, т.к. само по себе вращение есть сдвиговая деформация, достигающая максимальной величины на поверхности. В случае же тонкого образца (толщиной менее {Ь2п)±) усилие может формироваться и по всему объёму. В первом случае вращательный

2 1 момент пропорционален , во втором — 1/1/ . В итоге можно ожидать,

3 2 соответственно, 8ф ос и/" или и/" . Оба варианта не противоречат эксперименту (Рис. 7.3).

Рис. 7.3. Зависимости амплитуды 8ср(7) от расстояния до неподвижного контакта при двух Т, указанных на рисунке. Для измерения амплитуды на образец подавалось пилообразное напряжение частотой 0.1 Гц с амплитудой существенно выше Уг. [88].

Рис. 7.4 Амплитуда 8(р, нормированная на длину образца / в зависимости от его средней ширины 1/У где ¿> - площадь сечения, определённая по сопротивлению). Ь « 3 мм для всех образцов, кроме самого тонкого (отмечен жирной точкой); его длина 2x0.82 мм, схема монтажа показана на Рис. 3.5Ь. Кружки, помеченные звёздочками, соответствуют фрагментам, полученным расщеплением одного и того же исходного вискера ТаБз. Прямые линии соответствуют зависимостям 8ср ос и/"3 и \л/~2. [88].

Чтобы понять, какой вид деформации ВЗП может вызывать крутильную деформацию образцов, мы исследовали, как влияет на кручение термическое воздействие. Для этого, перед началом записи кривых, представленных на Рис. 7.2Ь, мы остановили развёртку тока в точке 1= О, нагрели образец примерно на 25 К, многократно увеличив интенсивность лазера, а затем вновь уменьшили её. При этом создаётся переохлаждённое метастабильного состояние, что очевидно из уменьшения на -10 % значения Я (оно обозначено жирной точкой). Мы видели в главе 5, что это метастабильное состояние проявляется в изменении длины образца (она увеличивается на ~10"5). В то же время, заметного влияния такая деформация ВЗП на угол кручения не оказала. Следовательно, кручение связано с неоднородной деформацией ВЗП. Однако, «поляризация ВЗП», рассмотренная в главе 6, также не может быть причиной кручения: деформация кручения примерно однородна по длине образца (Рис. 7.3), в то время как знаки деформации ВЗП при её «поляризации» противоположны около разных контактов. Удивительно также, что тепловое воздействие не «стирает» памяти предыдущего воздействия поля на ВЗП: можно было бы ожидать приближения величины 5ф к середине петли гистерезиса.

Как отмечалось выше, при обсуждении Рис 7.3 и 7.4, сама по себе деформация кручения свидетельствует о выделенной роли поверхности, где деформация достигает максимального значения. Поэтому, наиболее вероятной причиной кручения можно считать поверхностный пиннинг (см., например, [15,65,85]). Отметим, что величина сдвига на поверхности - её можно определить по формуле 8фх(и///) — может превышать 10~4. Если учесть, что эта деформация достигается в полях <1В/см, мы можем условно приписать этой деформации пьезомодуль (недиагональные компоненты тензора пьезомодуля) >10"6м/В, что на 4-6 порядков превышает значения, известные для пьезоэлектриков. Отметим, что эта величина соответствует оценкам (6.4), (6.5), хотя природа деформации, очевидно, иная.

Прежде, чем переходить к заключительной части обсуждения кручения, приведём зависимости 8ср от температуры и частоты приложенного поля.

На Рис.7.5 приведён набор петель 8ф(К) при разных Г. Видно, что ширина петли гистерезиса уменьшается с ростом Т, и кручение становится практически незаметным вблизи 190 К, т.е. на 30 К ниже ГР. Поскольку полного насыщения 8ф(Р) не наблюдается, однозначно зависимость амплитуды 8ф(7) построить сложно. Примерно её можно описать как ехр(-400 К/7) в диапазоне 60 К<Т<160 К.

Приведённые результаты получены на чистых образцах ТаБз, имеющих пороговое поле Ех менее 300 мВ/см. Эксперимент на образцах из «примесной» партии В/см, показал, что величина деформации выше

Ех в них примерно такая же. Отметим, что для проведения этого эксперимента пришлось поместить образец в другой оптический криостат, в котором образец находился в атмосфере гелия. Это было необходимо для уменьшения нагрева.

Обратим особое внимание на кручение образца в поле ниже порогового, направленное в сторону, противоположную основному эффекту. Оно наиболее заметно при приближению к Уь перед началом основного, порогового кручения (его видно и на Рис 7.2а).

V, Volts

Рис. 7.5. Набор петель гистерезиса 8ф(Р) при различных Г, указанных на графике. Длина образца - 3.1 мм, ширина - 11 мкм. [83].

Частотные зависимости амплитуды кручения свидетельствуют о наличии двух вкладов: медленного и быстрого. На Рис. 7.6 показан пример частотных зависимостей амплитуды кручения, 5ф(/). Измерения проводились при подаче переменного напряжения прямоугольной формы (меандров) методом синхронного детектирования сигнала с фотодиода. Кривая 1 измерена при подаче симметричного напряжения У>У1и при малых/ соответствует ширине петли гистерезиса 5ф(7) (Рис. 7.2,7.5). Но уже на частотах 10-100 Гц происходит спад на 2-3 порядка, и после этого амплитуда слабо зависит от частоты. Это значит, что наблюдаются два вклада в кручение - низкочастотный и высокочастотный. Петля гистерезиса определяется первым вкладом. Это ясно также из кривой 2 на Рис. 7.6, полученной при приложении переменного напряжения, не Меняющего знак, т.е. изменяющегося от 0 до +Утах. Видно, что первый, низкочастотный вклад в кручение, отсутствует, как и следовало ожидать, исходя из его гистерезисной зависимости (Рис. 7.2, 7.5). Пик в районе 7 кГц соответствует крутильному резонансу. Резонанс делает затруднительными корректные измерения частотных характеристик кручения (т.е. самого крутильного момента) на частотах >1 кГц.

Время релаксации низкочастотного вклада в кручение, т, можно также определить из осциллограмм переходных процессов, 5ф(/), пример которой показан на вставке к Рис. 7.7. Здесь ж показана осциллограмма напряжения, поданного на образец. Записывая такие кривые 8ф(г) при разных Т, мы получали зависимости т(7) (Рис. 7.7). Активационная энергия, характеризующая зависимость, 900 К, близка к полуширине пайерлсовской щели в Та8з, что с очевидностью свидетельствует о связи кручения с динамикой ВЗП (см. [86,87]). гз

ПЗ 0 0 $

102 ериепсу, Иг

Рис. 7.6. Частотная зависимость угла кручения. Г=80 К. Кривая 1 получена при подаче знакопеременного напряжения ±120 мВ, 2 — униполярного 0 - +120 мВ. У{=40 мВ. [83].

1Я, К"1

Рис. 7.7. Температурные зависимости т для двух образцов Та83, полученные из осциллограмм переходных процессов, 5ср(г). Пример 8ф(7) показан на вставке вместе с К(/). [83].

Обратимся к быстрому вкладу в кручение. На Рис. 7.8 показана амплитудная зависимость кручения при азотной температуре на резонансной частоте 6.6 кГц. Из Рис. 7.6 следует, что медленный вклад на этой частоте почти полностью подавлен. Как видно из Рис. 7.8, зависимость амплитуды крутильных колебаний от напряжения близка к линейной. Небольшое отклонение наблюдается в области порогового напряжения, около 30 мВ. Этот результат означает, что на высоких частотах кручение не носит порогового характера. С ним, очевидно, связан небольшой вклад в зависимости 5ср(Р), заметный на петлях гистерезиса ниже порогового напряжения (Рис 7.2а, 7.5). Из Рис. 7.5 видно также, что этот вклад становится более заметным при высоких Т. Наши измерения температурной зависимости амплитуды этого (ВЧ) вклада подтвердили, что он слабо зависит от Т, но резкий спад его в области ТР свидетельствует о том, что он также связан с пайерлсовским состоянием ТаБз [83].

Итак, кручение имеет два вклада: низкочастотный гистерезисный пороговый, и высокочастотный, более слабый, линейный в полях ниже порогового. Измерительная схема имеет частоту среза около 100 кГц. Наблюдение резонансных пиков кручения до 200 кГц указывает на то, что кручение может возбуждаться на существенно более высоких частотах.

Рис. 7.8. Зависимость угла кручения от амплитуды знакопеременного напряжения на резонансной частоте/о- Т=80 К. ^=40 мВ. [83].

Общая картина зависимости кручения от амплитуды и частоты видна из Рис. 7.9а. Здесь показан набор зависимостей амплитуды кручения от напряжения на разных частотах. Поскольку измерения проводились не на резонансных частотах, здесь отношение сигнал шум ниже, чем на Рис. 7.8. Тем не менее, хорошо видна общая тенденция: для низких частот линейный рост 8ср(У) переходит к резкому возрастанию в области Ух. С ростом частоты пороговый вклад становится не таким значительным, и его появление немного сдвигается в сторону более высоких V. Начиная с/=9 кГц и выше, на зависимостях остаётся только линейный вклад, который не зависит заметным образом от/ 1-й резонанс для данного образца,/), наблюдается в р-не 12 кГц, поэтому видимый спад амплитуд кручения для/>/ь очевидно, связан с частотной характеристикой крутильного осциллятора как механической системы.

Наконец, нужно отметить, что мы также провели предварительные измерения кручения для других соединений квазиодномерных проводников с ВЗП. Результаты, полученные для (Та8е4)21 и К0.3МоО3 свидетельствуют о качественном сходстве картины кручения в этих соединениях. Наблюдаются два вклада: быстрый и медленный. На Рис. 7.9Ь показан набор кривых, аналогичный Рис. 7.9а, полученный для К0.3МоО3. Зависимости выглядят качественно аналогично. Видимый спад быстрого вклада с ростом частоты, хотя и не такой существенный, как у медленного (порогового) вклада, вероятно, отражает механические частотные свойства кристалла.

Кручение голубой бронзы - важный результат для понимания природы эффекта. Выше мы отмечали (раздел 3.2), что природа связи в этом соединении ионная, и межзонные переходы электронов при деформации кристалла вряд ли возможны. Мы вернёмся к этому при обсуждении кручения. А пока приведём результаты исследований с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), позволившие нам наблюдать ещё один вид неоднородной деформации квазиодномерных проводников, - изгиб. а)

Ю"2 10й

АС УоИаде, тУ

1Л V

Рис. 7.9. Амплитуда кручения в зависимости от амплитуды прямоугольного знакопеременного напряжения при различных/, указанных на рисунке. Г=80 К. а) Та83 Ь) К0.3МоО3. Длина кристалла - 3.5 мм, ширина -150-200 мкм. [83].

7.3. Экспериментальные методики исследования деформации с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ)

Как отмечалось выше, электрическое поле может создавать различные виды неоднородной деформации. В частности, одной из задач является поиск продольной деформации образцов, рассчитанной в главе 6.

Один из возможных методов исследования деформации -использование ПЭМ с охлаждаемой ячейкой для образца. Очевидно, что высокое пространственное разрешение ПЭМ можно использовать для наблюдения малых перемещений и деформации наблюдаемых объектов.

Измерения проводились в ПЭМ марки JEM-1000 [83]. Образец TaS3 в ячейке (миникриостате), охлаждаемой жидким азотом, удалось охладить до 155 К. Отметим, что при этой температуре ожидаемые деформационные эффекты существенно меньше, чем при азотной. Это видно как из расчёта (глава 6), в котором максимальная деформация определяется Fps(7) - см. Рис. 2.2, так и из эксперимента - Рис. 7.5. Образцы TaS3 длиной около 1 мм были расположены на кремниевой подложке с протравленным в ней отверстием, сквозь которое проходил электронный пучок. Известно, что ВЗП быстро разрушается под действием высокоэнергетических электронов, поэтому необходимо было защитить образец. С этой целью над образцом был закреплён более широкий вискер Ba2Sr2CuCa2Ox, играющий роль экрана (Рис. 7.10). Два индиевых прижимных контакта фиксировали концы образца, оставляя его середину свободной, приподнятой над подложкой. Такое расположение образца позволяет исследовать такие виды деформации, как продольная неоднородная, изгибная, неоднородное кручение.

Высокоэнерг. электроны

Рис. 7.10. Расположение вискера Та83 для исследования деформации с помощью ПЭМ. [83].

Естественно, из-за экрана образец оказывается невидимым в ПЭМ. Чтобы наблюдать деформацию, к образцу были приклеены поперечные перекладины - тоже вискеры Ва28г2СиСа2Ох, концы которых выступали из-под экрана. На этих вискерах выбирались реперные точки — наиболее контрастные дефекты, по перемещению которых можно было судить о деформации образца.

К образцу прикладывалось переменное напряжение. Измерения проводились как в квазистатическом (на частоте 3 Гц), так и в резонансных режимах. В последнем случае использовались изгибные резонансные моды как образца, так и перекладин: вискеры Ва28г2СиСа2Ох специально были приклеены так, что их широкие грани - плоскости аЪ — были перпендикулярны образцу. Изображение выводилось на фотоплёнку; при этом направление и амплитуда колебаний вискеров определялась по размытию изображений реперных точек.

7.4. Наблюдение деформации изгиба.

При 7М55 К наблюдалось как продольное, Ах, (вдоль оси с образца Та83), так и поперечное, Ау, смещение перекладин. На Рис. 7.11 показаны фотографии фрагментов перекладин. По размытию краёв на фотографиях Рис. 7.11а,Ь можно сделать вывод о поперечном смещении, соответственно, в квазистатическом и резонансном режимах. Такое смещение соответствует изгибной моде деформации Та8з. Смещение Ах удалось наблюдать только в резонансных модах Рис. 7.11с. Изучив распределение амплитуды Ах вдоль перекладин, мы убедились, что это - изгибный резонанс самой перекладины.

Рис. 7.11. Микрофотографии движущихся фрагментов поперечных вискеров (перекладин), полученные в ТЭМ. (а) Ду = 20 нм, УАС = 70 мВ,/= 3 Гц; (Ь) Ау = 0.8 мкм, Рас = Ю мВ,/= 12 кГц; (с) Ах = 1 мкм, УАС = 10 мВ,/ = 45 кГц. [83].

В принципе, смещение Ах может быть связано как с изгибными, так и с продольными колебаниями образца. При продольных колебаниях противоположные концы перекладины должны двигаться в одну и ту же сторону, а при изгибных — в противоположных направлениях. Наша методика, однако, не позволяет определить фазу колебаний. Поэтому, мы провели дополнительный эксперимент. Один из концов поперечного вискера был закреплён на подложке. Тем самым мы подавили изгибную моду образца. В этих условиях никакого смещения перекладин наблюдать не удалось. Это привело нас к заключению, что все наблюдаемые смещения связаны с изгибными колебаниями образца.

Итак, методика с использованием ТЭМ позволила наблюдать изгиб образца TaS3 в электрическом поле выше порогового. Эту моду деформации молено связать с неоднородной в сечении продольной деформацией образца, связанной, возможно, с растеканием тока ВЗП. Оценка даёт величину деформации (разность деформации на краях образца) ~10"7. Изгиб можно связать также со сдвигом вблизи контактов.

Про продольное смещение середины образца, рассчитанное в главе б, можно сказать, что оно (с учётом резонансного усиления) не превышает 1 нм, т.е. AL/K10"6. Согласно (6.5), можно ожидать смещение ~10 нм. Однако, надо иметь в виду, что вблизи 155 К Vps может быть существенно меньше, чем в области азотных температур (см раздел 2.4, Рис. 2.2), для которых проводилась оценка деформации (глава 6). Таким образом, поиск неоднородной продольной деформации - смещения середины образца -остаётся одной из актуальных экспериментальных задач.

7.5. Анализ результатов и выводы о связи наблюдаемых эффектов с деформацией ВЗП.

В главе 6 был проведён расчёт продольной деформации кристаллов квазиодномерных проводников в электрическом поле. Мы не видим оснований считать, что подобная деформация не наблюдается, и планируем продолжить отработку методик, в первую очередь криогенных АСМ, которые позволили бы обнаружить такую деформацию.

В широком смысле, правильной постановкой задачи было бы выяснение связи между тензором деформации ВЗП и тензором деформации образца. Ясно, что связь может быть очень сложной, и результирующую деформацию образца трудно предсказать. К этому надо добавить ещё пространственно-неоднородный характер деформации ВЗП.

Центральным результатом данной главы является деформация кручения в электрическом поле. Интересно, что её величина согласуется с оценкой, которую дала наша модель (6.4),(6.5). Связь кручения с деформацией ВЗП очевидна из гистерезисной пороговой зависимости угла кручения от напряжения, 5ф(Г) (Рис. 7.2), а также из температурной зависимости времени его релаксации (Рис. 7.4). Однако чтобы объяснить кручение, нам необходимо объяснить пространственное распределение сдвиговой деформации в кристалле квазиодномерных проводников.

Пространственное распределение деформации при кручении явно указывает на связь её с поверхностными свойствами ВЗП. Скорее всего - это поверхностный пиннинг ВЗП. Такой пиннинг должен приводить к сдвиговой деформации ВЗП в приповерхностном слое, причём плоскости сдвига должны быть параллельны металлическим цепочкам, как это и происходит при кручении. Сдвиг кристалла вполне можно объяснить примерно так же, как и одноосную деформацию (Глава 6), связав его с одноосной деформацией ВЗП. При этом, однако, останется более сложная задача: объяснить расположение плоскостей сдвига, приводящее именно к кручению. Рассмотрим эти вопросы подробнее [83].

Для начала, оценим сдвиг кристалла, вызванный сдвиговой деформацией ВЗП. Допустим, на цепочках одного типа ВЗП срывается с примесей в поле ~ЕХ раньше, чем на других. В Та83, например, имеется два типа цепочек, лишь один из которых вносит вклад в ток ВЗП [1]. Это значит, между цепочками возникает сдвиг }"сош~(2еД) Ее 1{ЬССо\\'), где Ь -расстояние между цепочками в направлении, перпендикулярном плоскости сдвига, а -модуль сдвига ВЗП. На Рис. 7.12 сдвиг происходит в плоскости X— ао, где X - период ВЗП. Допустим, этот сдвиг передаётся основной решётке. Сдвиг решётки можно оценить как у= YcDwG!CDw/G!=2e/A, Ех/(ЬО), где О — модуль сдвига кристалла. Подставляя <7=5 ГПа для Та83 [39], X = 1.3x10"9 м, Ех =100 В/м, 6=3x10"10 м, получаем весьма маленькое значение у=1.6хЮ"8, значительно меньшее, чем мы наблюдаем. Такой сдвиг можно ожидать в кристалле, состоящем всего из четырёх цепочек ВЗП: в нём будет возникать кручение, если на двух цепочках, образующих противоположные рёбра «кристалла», ВЗП начнёт двигаться, а на двух других - цет. Для перехода к большому кристаллу необходимо объяснить корреляцию между отдельными четырёхцепочечными элементами. л ^ а0 ^ V

Рис. 7.12. Иллюстрация к модели. Сдвиг ВЗП происходит в плоскости А,- ао- Сила, действующая на единицу длины цепочки - 2еЕ!Х. [83].

Как и в модели «поляризации» ВЗП (глава 6), значительно большая величина сдвига может получиться за счёт сложения усилия на макроскопических корреляционных длинах. В случае поверхностного пиннинга такая ситуация может возникнуть, если сдвиговое напряжение, возникающее в одном или нескольких приповерхностных слоях, противодействует суммарной кулоновской силе, действующей на цепочки на расстоянии порядка длины фазовой когерентности, (£2л)ь от поверхности. В этом случае величина сдвига может оказаться в ^/Ь ~1 мкм/3 А~103"4 раз, т.е.достичь экспериментальных значений.

Кручение подразумевает, что на противолежащих гранях кристалла возникают сдвиговые деформации в одной плоскости, но противоположных знаков. Итак, наиболее вероятная картина следующая: в поверхностном слое квазиодномерного проводника возникает пиннинг ВЗП, причём действует он неравномерно. На каких-то двух противолежащих рёбрах кристалла пиннинг сильнее, чем на двух других. Сила пиннинга противодействует движению ВЗП в (/,2;1)±-окрест1Юсти поверхности, что приводит к значительной сдвиговой деформации ВЗП. Такая деформация наблюдалась в [74]. Далее, сдвиг ВЗП передаётся кристаллу, что и приводит к кручению.

Отличие медленного и быстрого вкладов в кручение, очевидно, можно связать с разными видами сдвиговой деформации ВЗП: в первом случае - это гистерезисная деформация с образованием метастабильных состояний, во втором - небольшой сдвиг вблизи равновесия [83].

Деформация изгиба исследована менее подробно. Тем не менее ясно, что поскольку она наблюдается только в пайерлсовском состоянии, она связана с деформацией ВЗП.

Итак, обобщающим выводом данной главы может быть заключение о многообразии возможных видов деформации квазиодномерных образцов в электрическом поле. Эти виды деформации ждут дальнейших исследований, как для Та83, так и для других, гораздо менее изученных соединений.

Глава 8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Данная работа показала, что соединения квазиодномерных проводников с ВЗП обладают рядом свойств, не имеющих аналогов среди материалов других классов.

Так, описание квазиодномерных проводников вблизи ГР потребовало создание особой модели, учитывающей активационное спонтанное проскальзывание фазы (ПФ). Эта модель позволяет рассматривать пайерлсовский переход как процесс разрушения ЗБ порядка ВЗП, а именно, как процесс зарождения нормальной фазы в результате спонтанного процесса ПФ. ПФ приводит к рождению областей локального подавления щели. Термоактивационный характер ПФ объясняет поведение ряда основных характеристик квазиодномерных проводников вблизи Тр. Вместе с тем, ставится вопрос о природе перехода и о корректном определении самой ГР: экспоненциальный характер зависимостей не подразумевает наличия особой точки. В то же время, наши результаты указывают, что эту модель неправомерно экстраполировать существенно выше ТР: в этой области предположение о степенной зависимости, скажем, длины корреляции ВЗП лучше соответствует эксперименту.

Нерешённым остаётся вопрос о микроскопическом описании ПФ. Так, модель дислокационных петель не может объяснить спонтанное ПФ без учёта примесей и конечных размеров образцов, хотя энергия активации ПФ, Ж & 6000 К, является его универсальной характеристикой для образцов достаточно больших размеров из чистых партий. Такое значение Ж хорошо согласуется с величиной ГР в предположении, что каждый акт ПФ начинается с флуктуационного подавления пайерлсовской щели и приводит к возмущению состояния ВЗП в окрестности, определяемой длинами фазовой когерентности.

Деформация образцов, связанная с деформацией ВЗП, явилась уникальным свойством, присущим этому классу материалов. В данной работе установлена связь между деформацией ВЗП и продольной одноосной деформацией квазиодномерных проводников. Показано, что в электрическом поле должна наблюдаться аналогичная деформация образцов, но имеющая неоднородное распределение по длине. Её величина должна на несколько порядков превосходить деформацию в известных пьезоэлектрических материалах в таких же полях.

Экспериментальное же исследование обнаружило другие эффекты, а именно деформацию кручения и изгиба квазиодномерных проводников. Деформация кручения также оказалась огромной в масштабах пьезоэффекта, как и следует из проведённого расчёта, но лишь качественно описывается предложенными моделями. Пространственное распределение деформации кручения указывает на его связь с поверхностным пиннингом ВЗП, но для количественного описания необходимы дополнительные предположения, объясняющие понижение симметрии (появление полярной оси) в состоянии ВЗП. Здесь необходимы дальнейшие исследования. Предварительные данные указывают на многообразие видов деформации квазиодномерных проводников в электрическом поле, и для полного понимания "Воздействия деформации ВЗП на основную решётку хорошо было бы изучить разные виды деформации кристалла (в частности, дифракционными методами) в сочетании с дифракционными исследованиями ВЗП.

Необходимо отметить и потенциальное прикладное значение эффекта кручения квазиодномерных проводников в электрическом поле, в частности, при комнатной температуре [83]. Вискеры квазиодномерных проводников являются готовыми крутильными актюаторами, элементами микро- и наноэлектромеханических систем. По нашим оценкам, они существенно превосходят существующие приводы аналогичных размеров по отношению угол поворота/напряжение; получен патент на изобретение [89].

Я благодарен своим коллегам, прежде всего Ф.Я. Надю, М.Е. Иткису и C.B. Зайцеву-Зотову, передавшим мне глубокий интерес к науке, и, в частности, к квазиодномерным проводникам с ВЗП, С.Н. Артеменко, А.Ф. Волкову, В.А. Волкову, В.Е. Минаковой, Ю.И. Латышеву, С.А. Бразовскому, В.Б. Преображенскому, A.C. Рожавскому, A.A. Синченко, П.М. Шадрину, В.В. Павловскому, И.В. Яминскому, Г.Б. Мешкову, А.Б. Одобеско, В.И. Анисимкину, Г.Д. Мандсфельду, И.Н. Котельникову, Б.А. и В.Б. Логиновым за плодотворное обсуждение научных вопросов и помощь в работе. Изложенные в диссертации исследования были бы невозможны без высококачественных образцов, изготовленных в ИРЭ РАН Ю.И. Латышевым, Я.С. Савицкой и В.В. Фроловым, C.B. Зайцевым-Зотовым и В.Ф. Насретдиновой, а также A.M. Никитиной и коллегами.

Особую благодарность хочу выразить соавторам, С.Г. Зыбцеву, И.Г. Горловой, А.П. Кузнецову, В.Н. Тимофееву и опять же, C.B. Зайцеву-Зотову, М.Е. Иткису, Ф.Я. Надю, A.B. Головне, А.Б. Одобеско, М.В. Никитину без активного соучастия которых данная работа была бы немыслима.

Глубоко благодарен оппонентам H.H. Кировой, В.Г. Шаврову и А.Н. Васильеву.

Хочу выразить благодарность также моим иностранным коллегам -Роберту Торну, Пьеру Монсо, Херре ван-дер-Занту, Катице Белякович, Дамиру Старешиничу, Джозефу Бриллу, Колину Гиллу, Георгу Хайнцу, Майку Вимеру и другим. Особо хотел бы отметить постоянный интерес к работе и поддержку Пьера Монсо, а также помощь и поддержку Дж. Брила, многие работы которого нам особенно близки по тематике. Особенно благодарен Р. Торну и Ф. Леви за предоставленные высококачественные образцы.

Отдельно хочу выразить благодарность отцу, Я.Е. Покровскому, за постоянную поддержку в работе.

Выражаю также благодарность всем сотрудникам лабораторий 183, 184, 185, 181, 192, 171, 172 и других за помощь и дружескую поддержку. Благодарю также дирекцию и сотрудников всех служб ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, обеспечивших возможность спокойной экспериментальной работы на протяжении многих лет.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Покровский, Вадим Ярославович, 2009 год

1. P. Пайерлс, Квантовая теория твердых тел, М., ИЛ. 1956.

2. К.Б. Ефетов и А.И. Ларкин, ЖЭТФ 72, 2359 (1977); Н. Fukuyama and P.A. Lee, Phys. Rev. В 17, 535 (1978); Н. Fukuyama and P.A. Lee, Phys. Rev. В 17, 535 (1978).

3. Z.Z. Wang, H. Salva, P. Monceau, M. Renard, C. Roucau, R. Ayroles, F. Levy, L. Guemas and A. Meershaut, J. Phys. Letters (France), 44, L311 (1983).

4. A.W. Higgs and J.C. Gill, Solid State Commun. 47, 737 (1983).

5. C.B. Зайцев-Зотов, «Размерные эффекты и релаксационные явления в квазиодномерных проводниках с волной зарядовой плотности», докторская диссертация, Москва, 1999. С.В. Зайцев-Зотов, УФН 174, 585 (2004).

6. М.Е. Иткис и Ф.Я. Надь, Письма ЖЭТФ 39, 373 (1984).

7. В. P. Gorshunov, A. A. Volkov, G. V. Kozlov, L. Degiorgi, A. Blank,

8. T. Csiba, M. Dressel, Y. Kim, A. Schwartz, and G. Grüner, Phys. Rev. Lett. 73, 308 (1994).

9. P. A. Lee, Т. M. Rice, and P. W. Anderson, Phys. Rev. Lett. 31, 462 (1973).

10. Horn and Guiddoti, Phys. Rev. В 16, 491 (1977).

11. Kazumi Maki, Phys. Rev. В 41 2657 (1990).

12. Kazumi Maki, Phys. Rev. В 41, 9308 9314 (1990).

13. Kazumi Maki, Phys. Rev. В 43, 1294 1296 (1991).

14. J. C. Gill, Synth. Met. 43, 3917 (1991).

15. McCarten, D. A. DiCarlo, M. Maher, T. L. Adelman, and R. E. Thorne, Phys. Rev. В 46, 4456 (1992).

16. V. Ya. Pokrovskii and S. V. Zaitsev-Zotov, Phys. Rev. В 61,13261 (2000).

17. G. Mozurkewich and R.L. Jacobsen, Synth. Met 60, 137 (1993).

18. Z. Y. Chen, P. C. Albright, and J. V. Sengers, Phys. Rev. A 41, 3161 (1990).

19. J. W. Brill, M. Chung, Y. -K. Kuo, X. Zhan, and E. Figueroa, Phys. Rev. Lett. 74, 1182- 1185 (1995).

20. D. Staresinic, A. Kis, K. Biljakovic, B. Emerling, J.W. Brill, J. Souletie, H. Berger, and F. Levy, Eur. Phys. J. В 29, 71-77 (2002).

21. S. N. Artemenko, J. Phys. IV 12, Pr9-77 (2002).

22. Зайцев-Зотов C.B., Письма ЖЭТФ, 46, 453 (1987).

23. J. С. Gill, J. Phys. С 19, 6589 (1986).

24. Д.В. Бородин, C.B. Зайцев-Зотов, Ф.Я. Надь, ЖЭТФ 90, 318 (1986)

25. S. V. Zaitsev-Zotov, Synth. Met. 41-43, 3923 (1991).

26. Ш.М. Коган, УФН 145, 285 (1985).

27. F.N. Hooge, Phys. Lett. А 20, 139 (1969).

28. C.B. Зайцев-Зотов и В.Я. Покровский, Письма ЖЭТФ 49, 449 (1989).

29. V. Ya. Pokrovskii and S. V. Zaitsev-Zotov, Europhys. Lett., 13, 361 (1990).

30. V. Ya. Pokrovskii and S. V. Zaitsev-Zotov, Synthetic Metals 41-43, 3899 (1991).

31. N. P. Ong, G. Verma, and K. Maki, Phys. Rev. Lett. 52, (1984).

32. D. Feinberg and J. Friedel, J.Phys 49, 485 (1988).

33. V. Ya. Pokrovskii and S. V. Zaitsev-Zotov, Synthetic Metals F439, 39 (1989). V. Ya. Pokrovskii and S. V. Zaitsev-Zotov, Synthetic Metals 32, 321 (1989).

34. A.V. Golovnya, V. Ya. Pokrovskii, and P.M. Shadrin, Phys. Rev. Lett. 88, 246401,(2002).

35. A.V. Golovnya, V. Ya. Pokrovskii, Rev. Sei. Instrum. 74, 4418 (2003).

36. M. R. Hauser, B. B. Plapp, and G. Mozurkewich, Phys. Rev. B 43, 8105 (1991).

37. V.Ya. Pokrovskii, A.V. Golovnya, S.V. Zaitsev-Zotov, Phys. Rev. B 70, 113106 (2004).

38. J. W. Brill, in Handbook of Elastic Properties of Solids, Liquids, and Gases, edited by M. Levy, H. E. Bass, and R. R. Stern (Academic Press, New York, 2001), Vol. II, pp. 143-162.

39. L. C. Bourne and A. Zettl, Solid State Commun. 60, 789 (1986).

40. V. Ya. Pokrovskii, J. Phys. IV France 131, 315 (2005).

41. D. Staresinic, A. Kis, K. Bilacovic, B. Emerling, J. W. Brill, J. Souletie, H. Berger, and F. Levy, Eur. Phys. J. B 29, 71 (2002).

42. P. B. Littlewood, Solid State Commun. 65, 1347 (1988); Synth. Met. 29, F5311989).

43. G. Mihaly, P. Beauchene, J. Marcus, J. Dumas, and C. Schlenker, Phys. Rev. B 37, 1047(1988).

44. Daniel S. Fisher, Phys. Rev. Lett 50, 1486 (1983); R.E. Thome, J. Phys. IV France 131, 89 (2005).

45. V. Ya. Pokrovskii, S. V. Zaitsev-Zotov, and P. Monceau, Phys. Rev. B 55, R13377 (1997).

46. J.P. Pouget, S. Girault, A.H. Moudden, B. Henion, and M. Sato, Phys. Scr. T25, 58 (1989).

47. A.H. Moudden, J.D. Axe, P. Monceau, and F. Levy, Phys. Rev. Lett. 65, 2231990).

48. D. DiCarlo, R.E. Thorne, E. Sweetland, M. Sutton, and J. D. Brock, Phys. Rev. B 50, 8288 (1994).

49. S. Rouziere, S. Ravy. J.P. Pouget, and R.E. Thorne, Solid State Commun. 97, 1073 (1996).

50. S. Ramakrishna, M. P. Mäher, V. Ambegaokar, and U. Eckern, PhysTRev. Lett. 68, 2066 (1992).

51. S. G. Lemay, M. C. de Lind van Wijngaarden, T. L. Adelman, and R. E. Thorne, Phys. Rev. В 57 12781 (1998).

52. S. Girault, A.H. Moudden, J.P. Pouget and J.M. Godard, Phys. Rev. В 38, 7980 (1988).

53. C.H. Артеменко, В.Я. Покровский, C.B. Зайцев-Зотов, ЖЭТФ 110, 1069 (1996).

54. М.Е. Иткис, Ф.Я. Надь, В .Я. Покровский, ЖЭТФ 90, 307 (1986).

55. S. Е. Brown, L. Mihaly and G. Grüner, Solid State Commun. 58, 23 f (1986).

56. A.V. Golovnya, V.Ya. Pokrovskii, P.M. Shadrin, Phys. Rev. Lett. 88, 246401 (2002).

57. G. Mozurkewich, Phys. Rev. В 42, 11183 (1990).

58. J.W. Brill and W. Roark, Phys. Rev. Lett 53, 846 (1988); Phys. Rev. В 36, 2969 (1987).

59. R.L. Jacobsen and G. Mozurkewich, Phys. Rev. В 42, 2778 (1990).

60. Z.G. Xu and J.W. Brill, Phys. Rev. В 45, 3953 (1992).

61. A.J. Rivero, H.R. Salva, A.A. Ghilarducci, P. Monceau and F. Levy, Solid State Commun. 106, 13 (1998).

62. S. Hoen, B. Burk, A. Zettl, and M. Inui, Phys. Rev. В 46, 1874 (1991).

63. V.Ya. Pokrovskii and S.V. Zaitsev-Zotov, Phys. Rev. В 50, 15442 (1994).

64. Д.В. Бородин, C.B. Зайцев-Зотов, Ф.Я. Надь, ЖЭТФ 93, 1394 (1987).

65. Ю.И. Латышев, Я.С. Савицкая и В.В. Фролов, Письма ЖЭТФ 38, 541 (1983).

66. M.J. Skove, A.M. Tritt, A.C. Ehrlich, and H.S. Davis, Rev. Sei. Instrum. 62, 1010(1991).

67. D. Maclean and M.H. Jericho, Phys. Rev. В 47, 16170 (1993).

68. Т. Asahi, H. Suzuki, M. Nakamura, H. Takano, and J. Kobayashi, Phys. Rev. В 55, 9125 (1997).

69. В.Б. Преображенский, А.Н. Талдёнков, И.Ю. Кальнова, Письма ЖЭТФ 40, 182 (1984); V. В. Preobrazhensky, А. N. Taldenkov, and S. Yu. Shabanov, Solid State Commun. 54, 1399 (1985).

70. A. Meerschaut, J. Physique 44, C3-1615 (1983).

71. В.Я. Покровский, Письма ЖЭТФ 86, 290 (2007).

72. C.H. Артеменко, А.Ф. Волков, ЖЭТФ 81, 1871 (1981).

73. A. F. Isakovic, P. G. Evans, J. Kmetko, К. Cicak, Z. Cai, В. Lai, and R. E. Thome, Phys. Rev. Lett. 96, 046401 (2006).

74. V.Ya. Pokrovskii, G.B. Meshkov, I.G. Gorlova, S.G. Zybtsev, A.B. Odobesko, and I.V. Yaminsky, Workshop „Recent developments in low dimensional charge density wave conductors", Skradin, Croatia June 29.-July 3.2006, p. 28.

75. Физическая Энциклопедия п/p A.M. Прохорова (Москва, Большая Российская энциклопедия, 1994), т.4 , стр.189.

76. Например: http://rc.nsu.ru/text/metodics/ivanovl.html

77. А.К. Таганцев, УФН 152, 423 (1987).

78. X. Zhan and J. W. Brill, Phys. Rev. В 52, R8601 (1995).

79. D.Le. Bolloc'h {\it et al.}, Phys. Rev. Lett. 95, 116401 (2005).

80. J.C. Gill, Synth. Metals 41-43 3917, (1991).

81. Haiyi Liang and Moneesh Upmanyu, Phys. Rev. Lett., 96, 165501 (2006).

82. V.Ya.Pokrovskii, S.G.Zybtsev, V.B. Loginov, V.N. Timofeev, D.V. Kolesov, I.V. Yaminsky and I.G.Gorlova, Physica В 404, 437 (2009).

83. J. M. Gere and S. P. Timoshenko, Mechanics of Materials (Chapman & Hall, London, 2000), p. 808.

84. J. C. Gill, Europhys. Lett. 11, 175 (1990).

85. D. Staresinic, K. Biljakovic, W. Brutting, K. Hosseini and P. Monceau, Phys. Rev. В 65, 165109 (2002).

86. L. Ladino, J. W. Brill, M. Freamat, M. Uddin, and D. Dominko, Phys. Rev. В 74, 115104 (2006).

87. V.Ya.Pokrovskii, S.G.Zybtsev, and I.G.Gorlova, Phys. Rev. Lett. 98, 206404 (2007).89. "Актюатор", И.Г. Горлова, С.Г. Зыбцев, В.Я. Покровский. Патент России № 2375688. Заявка № 2007141861 с приоритетом от 14.11.2007. Зарег. 10.12.2009.