Главная » 2014»Июль»16 » Скачать Транспорт тока и тепла в туннельных гетероструктурах. Девятов, Игорь Альфатович бесплатно
4:14 AM
Скачать Транспорт тока и тепла в туннельных гетероструктурах. Девятов, Игорь Альфатович бесплатно
Транспорт тока и тепла в туннельных гетероструктурах
Диссертация
Автор: Девятов, Игорь Альфатович
Название: Транспорт тока и тепла в туннельных гетероструктурах
Справка: Девятов, Игорь Альфатович. Транспорт тока и тепла в туннельных гетероструктурах : диссертация доктора физико-математических наук : 01.04.07 Москва, 2006 183 c. : 71 07-1/21
Объем: 183 стр.
Информация: Москва, 2006
Содержание:
ГЛАВА 1 Влияние резонансного туннелирования и кулоновского расталкиванияэлектронов на локализованных центрах на вольт-амперные характеристики туннельныхNIN, SIN и SIS структур
11 Модель контакта
12 Переход металл-изолятор-металл (Л7Л
13 Переход сверхпроводник-изолятор -металл (SIN)
14 Переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (SIS)
15 Краткие выводы
ГЛАВА 2 Неупругое резонансное туннелирование в S-Sm-S туннельных структурах
21 Модель контакта
22 Вычисление резонансного тока через цепочку из двух ЛС
23 Вычисление среднего тока
24 Краткие выводы
ГЛАВА 3 Резонансное джозефсоновское туннелирование через SIS переходпроизвольных размеров Подход Боголюбова Де-Женна
31 Модель перехода
32 Коэффициенты прохождения и энергия связанных состояний
33 Джозефсоновскийток
34 Предел короткого перехода и высокого барьера
35 Предел промежуточных толщин прослойки и высот барьера
36 Предел низкой высоты барьера и произвольной толщины перехода
37 Краткие выводы
ГЛАВА 4, Вольт-амперные характеристики SIS структур с локализованнымисостояниями в материале прослойки
41 Модель перехода
42 Основные соотношения
43 Вычисление усредненного тока
44 Ток через одиночное ЛС
45 Краткие выводы
ГЛАВА 5 Электронные тепловые свойства границы между нормальным металлом иВТСП материалом
51 Модель MD перехода
52 Коэффициенты андреевского отражения
53 NID переход с зеркальными границами
531 Тенловой ноток через N1D переход с зеркальными границами с -функциональными рассеивателями
532 Тепловой ноток через NID переход с зеркальными границами с регулярнымдлинным барьером
533 Тенлонроводность Л''- D перехода с зеркальными границами
54 ЛТО переходы с диффузной границей
55 Краткие выводы
ГЛАВА 6 Теория туннелнрования в 2D структурах "нормальный металл-сверхпроводник d- типа "
61 Модель перехода
62 Транснорт тока
621 Общее выражение для тока
622 Рекуррентные соотношения для Фурье-компопент электронных волн
623 Решения для Фурье-компонеит электронных волн
63 ZBA при резонансном туннелировапии
64 Резонансное тупнелироваиие нри угле ориентации а =
65 Краткие выводы
ГЛАВА 7 Резонансное джозефсоновское туннелирование в сверхпроводящихпереходах с различной симметрией нараметра порядка
71 Модель перехода и функция Грина задачи
72 Транснортные свойства нерехода
73 Частные случаи резонансного рассеяния
731 Общая формула резонансного тока через 2D DID переход
732 SIS переходы разной размерности
733 Резонансное рассеяние в 2D SID переходе
734 Резонансный ток в 2D DID переходе
74 Краткие выводы
ГЛАВА 8 Неравновесные электронные и фононные функции распределепия внизкотемпературных детекторах микроволнового излучения
81 Кинетические уравнения
82 Линеаризованные изотроппые интегралы столкновений при низкой температуре
83 Численное решение линеаризованного кинетического уравнения
84 Отклик болометра
85 Краткие выводы
Введение:
Исследование сверхпроводящих гетероструктур, состоящих из комбинациисверхпроводников с материалами с различными тинами проводимости является однимиз актуальных направлений в физике твердого тела и электронике. Современнаятехнологая позволяет изготавливать подобные объекты субмикронных размеров, такназываемые мезосконические структуры, на основе контактов сверхпроводникнормальный металл, сверхпроводник - полупроводник, сверхпроводник - аморфноевещество. Интерес к исследованию транспорта тока и тенла в подобпых структурахобъясняется как обилием нетривиальных физических явлений, происходящих в такихсистемах, так и практическим интересом, связанным с применениями в электронике.Характеристики джозефсоновских нереходов, используемых в электронике,сильно зависят от свойств "слабой связи". Одной из главных задач современнойтехнологии является получение сверхпроводящих переходов с высоким значениемхарактерного напряжения V^=I^R^, ( 4 - критический ток, Я„ - нормальноесопротивление перехода). Напряжение V^ фактически определяет максимальнуюрабочую частоту аналоговых сверхпроводящих устройств и быстродействие цифровыхсхем [1]. Поэтому сегодня внимание нривлекают нереходы с прослойкойнеметаллического типа, имеющие больщие значения нормального сонротивления. Вслучае изотропных сверхпроводников s- тина такой прослойкой может являтьсяаморфный a-Si. Экснерименты на джозефсоновских переходах с прослойкой изаморфного а - Si [2-4] ноказали, что транснорт нормальной компоненты тока в такихструктурах осуществляется резонансным образом через локализованные состояния (ЛС).При низких темнературах резонансный транснорт нормальной компоненты токаосуществляется унругим образом через одно [5] или несколько ЛС ("резонанснонерколяционные" траектории [6]). С ростом температуры необходимо нринимать вовнимание и ненругие, с участием фононов, резонансные процессы [7]. В то же времявлияние кулоновского расталкивания электронов на ЛС, сверхнроводимость электродовпри пеупругом резонансном туннелировании не были изучены, а когерентныйджозефсоновский ток бьш рассчитан [8-10] лишь в рамках моделей, имеющихограниченную область нрименения.Интерес к транспорту тенла в сверхнроводящих гетероструктурах вырос впоследнее время в связи с активной разработкой высокочувствительных приемниковмикроволнового излучения, нредназначенных для радиоастрономических приложений[11-13], иснользующих болометрический эффект.Особая актуальность в разработке теоретических моделей транспорта тока итепла в сверхпроводящих гетероструктурах возпикла в связи с открытием явлениявысокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). ВТСП заметно отличаются отобычных низкотемпературных сверхнроводников. Помимо высокой критическойтемпературы, они обладают рядом других уникальных качеств. Совокупностьполученных к настоящему времени экспериментальных данных убедительноподтверждает существование J-симметрии параметра порядка в ВТСП [14]. Такаясимметрия предполагает, что зпак параметра порядка зависит от паправления движенияквазичастиц в аЬ -плоскости кристалла. При отличном от нуля значении угла междунормалью к границе ВТСП и кристаллографическим нанравлением а рассеяниеквазичастиц на границах структуры может сопровождаться сменой знака параметрапорядка. Это автоматически приводит сразу к нескольким эффектам: подавлениюнараметра порядка в окрестности границы [15], образованию связанного электроннодырочного состояния с нулевой энергией [16], а также "нодщелевых" андреевскихсостояний с ненулевой энергией [17], генерации изотропного бесщелевогосверхпроводящего состояния s- тина при наличии диффузного рассеяния квазичастицграницей [18]. Столь необычное поведение высокотемпературного сверхпроводникаприводит к целому ряду особенностей на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) какджозефсоповских переходов, так и структур NID (металл-изолятор-сверхпроводник d тина). В последнем случае в модели с S -функциональным барьером было теоретическидоказано существование аномалий проводимости в области малых нанряжений,обусловленных наличием связанного состояния с нулевой энергией (zero bias anomaly ZBA) [16]. Однако, большинство теоретических работ, рассматривающих транспорт токав ВТСП джозефсоновских переходах, ограничивались моделью регулярного барьерамежду ВТСП электродами, не учитывающими наличие ЛС в прослойке. С другойстороны, было убедительно показано [19,20], что транспорт нормальной компонентытока в ВТСП джозефсоновских переходах осуществляется резонансным образом черезЛС. Поэтому для расчета транспортных свойств ВТСП переходов недостаточно теорий,учитывающих только прямое туннелирование квазичастиц через область "слабой связи".Пнтерес к транспорту тепла в структурах с ВТСП электродами обусловлен как ихвозможным применением в качестве эффективных микрорефрижераторов Пельтье тина(мощность охлаждения которых пропорциопальна модулю нараметра порядка А вструктурах с изотропной сверхпроводимостью 5-типа [21-22]) в связи с высокимзначением А в них, так и использования ВТСП электродов в качестве "Андреевских"зеркал, для удержания высокоэпергетичных возбуждений в микроволновых болометрах[11-13].При теоретическом исследовании транспорта тока и тепла в сверхпроводящихгетероструктурах использовались различные методы, наиболее адекватныерассматриваемым проблемам. Так, применялись различные варианты методакинетического уравнения, уравнения Боголюбова - Де - Женна, различные вариантыметода Блондера - Клапвика - Тинкхама (БТК), а также метод функций Грина.Решен широкий круг задач:Развита теория резонансного туннелирования квазичастичного тока в NIN(металл-изолятор-металл) , SIN- (сверхнроводник-изолятор-металл), SIS(сверхнроводник-изолятор-сверхпроводник) - структурах с учетом сильногокулоновского взаимодействия на локализованных центрах, также учтены неупругиепроцессы. Для расчета транспорта резонансного квазичастичного тока в NIDструктурах обобщен метод БТК для двумерного случая.Разработан метод расчета ВАХ баллистических SIS сужений с прозрачностьюсужения, зависящей от энергии.Рассчитаны теплопроводность и мощность охлаждения границы нормальныйметалл - ВТСП материал для различных моделей границ и углов ориентации ВТСПматериала.Развита теория когерентного резонансного джозефсоновского туннелирования вструктурах с различными симметриями параметра порядка. При расчетеджозефсоновского тока использовались различные теоретические подходы.Развита последовательная неравновесная теория болометров микроволновогоизлучения при милликельвиновых темературах.Следующие результаты получеиы виервые и выносятся на защиту:1. Впервые нродемонстрирова1ю, что учет кулоновского взаимодействия на ЛСприводит к аномальному поведению проводимости в области малых напряжений даже вотсутствии сверхпроводимости в электродах и доказан факт перехода от избытка тока навольт-амперных характеристиках туннельных нереходах к его недостатку приуменьщении температуры в случае наличия сверхпроводимости в электродах.2. Впервые рассчитана вольт-амперная характеристика S-Sm-S (сверхпроводникполунроводник-сверхпроводник) перехода с изотропным параметром порядка принеунругом резонансном туннелировании по ценочкам из двух локализованныхсостояний и установлено, что значение проводимости S-Sm-S перехода при малыхнапряжениях существенно меньше аналогичной проводимости структуры N-Sm-N(металл-полупроводник-металл).3. Впервые установлено наличие двух дополнительных характерных длин системы i^ ^и ^IJ , разделяющих различные режимы упругого резонансного транспорта куперовскихпар через одиночьюе локализованное состояние в SIS переходе. При этом показано, что,несмотря на существенно разную динамику транспорта куперовских пар через структурув различных режимах (появление дополнительных связанных андреевских состояний),общий равновесный ток определяется только отношением модуля параметра порядкасверхпроводящих электродов А к ширине резонансного уровня Гд во всех режимах ипри любой толщине прослойки.4. Развит новый метод, являющийся обобщением известного подхода БлондераКлапвика-Тинкхама для баллистических SIS сужений на случай зависящей от энергиипрозрачности сужения. Используя этот метод, впервые рассчитана вольт-ампернаяхарактеристика такого сужения с ЛС в нем и проанализированы возникающиеособенности па ВАХ.
5. Впервые рассчитаны теплопроводность и мощность охлаждения границы нормальныйметалл - ВТСП материал для различных моделей границ и углов ориентации ВТСПматериала. При этом показапо, что в отличие от случая границы нормального металла сизотропным сверхпроводником s- типа теплопроводность границы нормальный металл ВТСП материал не экспоненциально мала. Также установлено, что мощностьохлаждения структуры с ВТСП материалом в интересном для болометрическихприменений милликельвиповом интервале температур недостаточна для практическогоиспользования.6. Впервые проведен последовательпый теоретический анализ резонансноготуннелирования в 2D NID структурах с аморфной прослойкой. Показано, что в областималых напряжений интерференция двух резонансных процессов (резонансноготуннелирования через ЛС и резонансного туннелирования на локализованное на ВТСПгранице связанное андреевское состояние) приводит не только к частичномуподавлепию аномалий проводимости при малых напряжепиях (ZBA), по и к резкомуусилению процесса туннелирования через ЛС, в котором оказываются задействованыпрактически все дефекты, независимо от их местоположения в прослойке и знакапотенциала дефекта.Решение сформулированных в диссертации задач имеет и практическое значение,носкольку оно нозволяет не только дать объяснение ряда экспериментальнонаблюдаемых эффектов, но также дать рекомендации но улучшению параметровструктур, использующих сверхпроводящие гетеропереходы. В частности, в результатевыяснения основного механизма мультипликации электронов в "Андреевском"болометре предложена новая конфигурация его абсорбера. Также предсказананерациональность использова1шя ВТСП материалов для низкотемпературныхрефрижераторов и "Андреевских" зеркал для болометров, что позволилоэкспериментаторам избежать лишних усилий.Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 8 глав, заключения, 2нриложений, списка литературы и списка работ автора. Каждая из глав заканчиваетсяразделом "Краткие выводы", в котором кратко формулируются основные результаты,полученные в главе.
