Эффекты электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействия в туннельных системах

• Автор: Арсеев, Петр Иварович
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 171 с. : ил.

1 Основы теоретического описания туннельных процессов
1.1 Определение туннельных характеристик с помощью диаграммной техники для неравновесных процессов
1.2 Влияние скорости релаксационных процессов на туннелирование между металлическими электродами
2 Неравновесные зарядовые эффекты при туннелировании через примесные состояния
2.1 Теоретическое описание неравновесных состояний на двух взаимодействующих примесях при конечном туннельном токе
2.2 Возможные типы неравновесных примесных состояний и нестандартные туннельные характеристики
2.3 Кулоновские корреляции экситонного типа и сингулярности туннельных характеристик
3 Взаимодействие электронов с колебательными модами в туннельных системах с молекулами
3.1 Описание электрон-фононного взаимодействия в туннельных системах
3.2 Особенности туннельного тока, обусловленные электрон-фононным взаимодействием
3.3 Разогрев колебательной подсистемы туннельным током
3.4 Амплитуды смещений атомов
4 Изменения вольт-амперных характеристик и излучение фононов за счет электрон-фононного взаимодействия в полупроводниковых наноструктурах
4.1 Генерация фононов в двухуровневой системе
4.2 Туннельная проводимость в двухуровневой модели для слабого электрон-фононного взаимодействия
4.3 Приближение сильной связи для двухуровневой модели
5 Туннельные контакты сверхмалых (нанометровых) размеров со сверхпроводниками

5.1 Локализованные состояния на резонансных примесях в сверхпроводниках
5.2 Туннельные характеристики контактов, содержащих резонансные состояния
6 Нелинейные эффекты в Джозефсоновских контактах
6.1 Особенности туннельного тока в подщелевой области напряжений из-за взаимодействия электронов с фонолами
6.2 Генерация фононов в Джозефсоновских контактах
6.3 Возбуждение коллективных мод в сверхпроводниках в туннельных экспериментах
Заключение
Приложение 1
Приложение 2
Литература

Экспериментальные и теоретические исследования эффектов, связанных с туннельным переносом электронов в различных структурах, привлекают интерес уже в течение многих десятилетий [1]. Этот интерес имеет двоякий характер, так как, с одной стороны, на эффекте туннелирования основаны многие современные полупроводниковые приборы, и дальнейшее развитие микроэлектроники требует дальнейшего поиска новых элементов все меньшего и меньшего размера. С другой стороны, с уменьшением размеров и понижением размерности системы появляются новые эффекты, обусловленные взаимодействиями различного типа и межчастичными корреляциями. И туннельные измерения служат инструментом для исследования фундаментальных свойств таких низкоразмерных сильно коррелированных систем.
Получивший большое развитие экспериментальный метод сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии (СТМ/СТС) в настоящее время является наиболее совершенным методом для исследования электронных свойств поверхности различных материалов, изучения единичных локализованных состояний на примесях и дефектах. Эти методы дают принципиальную возможность идентифицировать изолированную атомную примесь по особенностям в спектре туннельной проводимости и СТМ изображению [2]-[6]. Во многих таких экспериментах были получены несомненные доказательства большой роли взаимодействия в формировании локальной плотности состояний электронов [7]-[10]. Вместе с тем, особенности туннелирования в СТМ контактах, масштабы которых сопоставимы с межатомными, проявляются, в первую очередь, в существенно неравновесных распределениях частиц в области контакта [11].
В связи с этим, стандартный подход к описанию туннельных процессов, развитый в работах [12]-[16], для систем наноразмеров становится неприменимым. Об этом свидетельствует большое количество СТМ/СТС экспериментальных результатов по исследованию различных твердотельных структур [17]-[24]. Одним из наиболее ярких экспериментов по СТМ/СТС исследованию локальной плотности состояний вблизи атомных дефектов и примесных атомов является наблюдение зарядовых эффектов при низкотемпературной сканирующей туннельной микроскопии поверхности полупроводников [25]-[33].
Современные технологии позволяют создавать контролируемым образом искусственные структуры нанометровых размеров. В таких туннель-

Для вычисления тока в рамках неравновесной техники мы начинаем с выражения для тока, записанного в терминах функции С< ( в последующих формулах заряд электрона е = 1):
ЦК) = 1т(ДК)) , ЦК)=;£/^ТЫС£ (2.25)
к,а'
Здесь введена туннельная "функция отклика" J(V), так как именно эта величина будет перенормироваться под действием кулоновского взаимодействия.
Чтобы не рассматривать отдельно влияние постоянной части Кулоновского взаимодействия (2.24) от ионного остова, проще перейти к дырочному представлению для электронов на примеси: da: = с^а,. Тогда куло-новское взаимодействие записывается как:
Ны = W £ 4ack'ad^dal (2.26)
кк'аа'
с константой W < 0. Мы не будем вводить специального обозначения для дырочных функций Грина, понимая под Gdd и С?ы функции с дырочными опрераторами.
Если пренебречь кулоновским взаимодействием, в низшем порядке по Ты мы немедленно получаем обычное выражение для туннельного тока в терминах дырочных функций Грина:
Av) = <Е/ )) (2.27)
к,а'
Подставляя соответствующие выражения для келдышевских функций Грина [34] , после суммирования по импульсам к получаем:
(2.28)
г duo пкЧ -ijndiuj)
' 2тг Ш + eV — £d — ij (u + eV - £d)2 + 72.
где появилась стандартная скорость туннельных переходов ^ — 7гТ£щ, а V - плотность состояний в металлической игле. Кинетический параметр ^ = 'уд. -)- 'Ур, где 7р соответствует скорости релаксации электронного распределения на локализованном состоянии. В данной системе эта скорость релаксации также определяется туннельными переходами, но в объемные состояния полупроводника: 7Р = ттТ^Рр. (В общем случае в параметр релаксации 7р могут быть включены и другие типы релаксационнных процессов.)