Руководитель: Кашин В.В.
2025 год
Целью выполняемой научной работы является исследование физических эффектов электронного транспорта в микро- и наноструктурах, обусловленных влиянием внешних акустических и электрических полей. Удобной экспериментальной и теоретической моделью для генерации акустических и электрических полей служат акустоэлектронные линии задержки на пластинах ниобата лития LiNbO3 и пластинчатые моды акустических волн SHn, An и Sn. Коэффициент электромеханической связи для волны SH0 в ниобате лития YX может превышать 30%, что значительно выше, чем для поверхностной акустической волны (ПАВ) в кристаллографической ориентации 128YX (5,6%). По этой причине акустоэлектрический ток для пластинчатой моды в пластине YX должен быть выше, чем для ПАВ.
В проекте исследуются:
1) Структуры, создаваемые на поверхности подложки.
Измерение акустического воздействия на проводник будет производится с помощью стенда для исследования электрофизических характеристик, состоящий из зондовой станции, генератора, векторного анализатора цепей, синхронного усилителя, осциллографа, пикоамперметра. В случае создания туннельного контакта зонда СТМ с проводником на поверхности линии задержки акустическая часть измерительного стенда переносится на столик СТМ или располагается рядом, детекция сигнала осуществляется внутренними цепями СТМ.
Чувствительность метода можно повысить, если увеличить измеряемый ток, текущий во внешней цепи за счет уменьшения шунтирующего внутреннего тока. Существует несколько возможных путей создания проводников с высоким сопротивлением.
а) Использование проводящих материалов с высоким сопротивлением. Доступно использование мишени из нихрома для магнетронного распыления. Другой путь — использование проводящих чернил, например, на основе проводящих полимеров. Используя водорастворимые чернила на основе PEDOT:PSS с добавлением 1% графена создается проводящий слой шириной 300 мкм и толщиной 1 мкм. Такой проводник при длине 1 мм обладает сопротивлением 4 кОм.
б) Создание низкоразмерных проводников, предельно уменьшая сечение проводника. Здесь есть два пути:
1. Уменьшение толщины проводника при, например, напылении для обеспечения наличия достаточного количества неоднородностей в тонкопленочном электроде.
2. Уменьшение ширины проводника. Если первый путь легко достижим в стандартном процессе магнетронного распыления материала, то одним из путей создания проводника контролируемой ширины порядка нескольких десятков нанометров является метод электронной литографии с двухслойной резистивной маской. В результате получаются наноструктуры с геометрической шириной до 20 нм.
2) Структуры, закрепляемые на поверхности подложки.
В проекте исследуются кристаллы квазиодномерных проводников TaS3, NbS3 и (TaSe4)2I (вискеры), которые необходимо закрепить на пьезоактивной подложке в зоне действия акустической волны. Концы вискеров приклеиваются к подложке капелькой эпоксидной смолы. Для изготовления контактов к ним используется термическое напыление индия. Масками для образцов служат кусочки индия.
Другим методом изготовления контактов к образцам вискеров является метод лазерной абляции золота. Применение данного метода обусловлено высокой энергетикой ионов золота в плазме, которая позволяет преодолеть слой оксида на поверхности TaS3 и обеспечивает получение омических контактов.
Для квазиодномерных проводников TaS3, NbS3 и (TaSe4)2 в проекте исследуется влияние акустических волн на динамику волны зарядовой плотности (ВЗП). ВЗП — коллективное состояние электронов (электронный кристалл), которое можно рассматривать как упругую среду, способную деформироваться и скользить при приложении электрического поля, локализироваться на дефектах, примесях и неоднородностях. Она характеризуется энергией пиннинга ВЗП — энергетическим барьером, который удерживает ВЗП в фиксированном положении в кристаллической решетке, предотвращая ее движение и, как следствие, протекание электрического тока, пока не будет приложено электрическое поле, превышающее пороговое значение. Предполагается, что взаимодействие акустических волн с ВЗП проявится в циклическом растяжении и сжатии кристаллической решётки, что напрямую будет воздействовать на структуру ВЗП, поскольку поле и энергия пиннинга ВЗП чувствительны к деформации. Акустическая волна создаёт не только механическое воздействие, но и бегущее электрическое поле, распространяющееся синхронно с деформацией. Это поле взаимодействует с заряженными возбуждениями в двумерном материале и может изменять фазу и скорость ВЗП, усиливая или ослабляя эффект механической модуляции. Сочетание этих двух вкладов — деформационного и электрического — делает воздействие особенно сильным: деформация изменяет локальную энергию пиннинга, а электрическое поле создаёт дополнительную силу, стремящуюся сместить ВЗП.
Ожидаемым проявлением взаимодействия является подавление порогового электрического поля на вольтамперной характеристике, необходимое для начала скольжения ВЗП. Под действием акустической волны пиннинг ослабевает, и ВЗП может переходить в динамический режим при меньших напряжениях. Вторым ключевым эффектом является появление ступенек Шапиро на ВАХ, возникающих при синхронизации собственной динамики волны зарядовой плотности с внешним периодическим возбуждением, задаваемым частотой акустической волны.
В распоряжении исполнителей проекта имеются кристаллы квазиодномерных проводников TaS3, NbS3 и (TaSe4)2I. Соединение TaS3, отличается от прочих квазиодномерных проводников наиболее выраженной связью динамики ВЗП с деформацией решетки. Синхронизация ВЗП в TaS3 оптимальна на частотах от 1 до 10 МГц. Для исследования влияния акустических волн на динамику ВЗП был выбран образец, длина которого была порядка длины антисимметричной волны A0 на частоте 1,131 МГц и составила 742 мкм. Вискер размещался на поверхности подложки между ВШП так, что его главная ось была параллельна направлению распространения волны. При отработке методики измерения транспортных свойств образца при температуре 120°К были обнаружены особенности на ВАХ при подаче напряжений на ВШП на частоте 1,131 МГц. Воздействие акустических волн приводит к подавлению порогового поля и возникновению ступенек Шапиро. При подаче ВЧ поля непосредственно на образец также возникают ступеньки Шапиро, причем, — при тех же токах ВЗП.
С практической точки зрения, результат открывает широкие возможности исследования воздействия механических колебаний в пьезоэлектрических материалах на динамику ВЗП.
