Способ определения времени релаксации неравновесных возбуждений

)5 Н О ПИСАН АВТОРСКОМ БРЕТЕНИ ДЕТЕЛЬСТ(ИК такта й ква созд сност асют ссиэ ту тем нными параезис;8-11,Фот 73,е то микр овьсекон 3 7 "950.(54)ЛАКСА РЕМЕНИ РЕЗБУЖДЕНИИ СОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ(57) Иэобретени ния. Физических методом спектро ния - обеспечен ления времени р гетичных возбу и времени релак ческих (дебаевс " упрощение спосо вайо на явлении акасается и адиоэлектронной,счислительной технния - обеспечениеделения времени р едовакия в методомвозбуждео для изу- процесоваиии сх для создания приборовмерительной и вЦель изобретвозможности опрлаксации высокодений в проводкисации вьссокоэнер с икио ич ова ергетически эб -у есныхссленяемь ах и вре сени рслакетнческих (дебаев-. ГООудАРстВенный нОмитетпО изОБРетениям и ОТИРытиямПРИ ГКНТ СССР(7) Физико-технический инких температур АН УССР(56) Аксененко М,Д, и др.торы. И.: "Сов, радио", 1919-26.Кулик И,О. Неравновесньдостояния в металлическихтактах. ФНТ, 1985, т.П н,9 свойств материалов скопии. Цель изобрете" ие воэможности опредеелаксации высокоэнерждений, в проводниках сации высокоэнергетиких) фоконов, а также ба. Изобретение осночастотной зависимосИзобретение касаетс фйзкческих свойств мат,спектроскопии квазичас кий и может бить испол чекия кинетики неравно сов в проводниках приясс 15 ы ти проводимости мсскроко обусловленном релаксаци тиц. В исследуемой сред энергетическую неравной образования МК с опреде метрами и приложением постоянного напряжения определенной величины Ча . Для опрсделения времени перехода в равнонесное состояние воздействуют эондируюсцим сигналом амплитудойЧ (Ч путем облучения электромагнитным полем, частоту. 1 которого измеряют в диапазоне определяемой частоты релаксации измеряемого процесса. Измеряют отклик контакта н виде сигналапропорционального второй производной вольт-амперной характеристики (ВАХ), на зондирующее излучение н Функции частоты Г этого излученияс(2), и апJроксимируют частотную зависимость функцией с(Г,Е Р), кон" кретный вид которой определяется фи-зической природой измеряемого процесса, а за время релаксации принимают величину 2 Р=1/ГР, где Г - значение частоты, при которой достигается наилучшая айпроксимация. 4 э.п.ф-лы, 6 ил.ских) фононов, а, также упрощение способа.На фиг.1 представлега схема устройства для осуществления способа, на фиг 2 - нормированные зависимости5 сигнала детектирования Ц от напряжения смещения Ч на микроконтакте (МК) при разных частотах Е зондирую" щего сигнала для образца из меди; на Фиг,3 - частотная зависимость сигнала отклика ядля образца из меди; на фиг.4 - частотная зависимость сиг" нала откликадля образца из золоРта;на Фиг.5 иллюстрируется граФический метод определения частоты релаксации Е фононов по экспериментальной часРтотной зависимости отклика МК для образца из меди, на фиг,б - то же,для образца из золота. 20Устройство содержит образец 1, источник 2 постоянного тока смещения, источник излучения 3, устройство 4 регистрации отклика МК, гелиевый криостат 5. Кривые 6-10 соответствуют 25 различным частотам возбужцдющегоГэлектромагнитного излучения, Кривые 11, 2 соответствуют наилучшей аппроксимации функцией (Е,Е ) измеренной частотной зависимости сигнала откли-. ка (Е) МК. Кривые 13-16 аппроксимируют измеренную зависимость (Е) Функции (Е,Е) при Е =210 Э Гц, 1 О 10 Гц и Е =0,3 10 Гц и 2 .109 Гц соответственно.П р и м е р 1. Образец 1 в виде МК двух массивнцх электродов включают по четырехпроводной схеме в измерительное устройство В токовой цепи(левая ветвь на фиг.1) размещен ис. точник 2 постоянного тока смещения, создающий напряжение. смещения на МК.Для измерения тока и напряжения смеще- . ния в цепь включены амперметр и вольт-метр постоянного тока, Для подачи зондирующего сигнала на МК использу" ют источникизлучения 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 С(Й,А), где 1- длина свободного. пробега квазичастиц, Я - энергетическая длина рассеяния электрона в проводнике, Й - диаметр МК, изготавливают непосрегс венио в криостате 5., В жидком гелии с помощью специального устройства приводят 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 Ч =Е,/г 1, где Ем максимальная энергия квазнчастиц;заряд электрона. Зтим самым обеспе" чивается образование системы неравновесных квазичастиц.Одновременно от источника 3 на МК подают зондирующий сигнал в виде непрерывного электромагнитного излучения, частоту Е которого изменяют в диапазоне определяемой частоты релахсации Е, Падающее на контакт. излучение частотой Е наводит в проводнике высокочастотный ток, который создает переменную во временидобавкуЕнапряжения Чсоз(Г.) где Ч - ампли 2 Гтуда возбужденного сигнала напряжения, к напряжению смещения Ч и, следовательно, осциллирующую с частотойЕ. добавку к неравновесной функции распределения электронов. Причем амплитуда зондирующего сигнала. электромагнитного напряжения такова, чтоЧоВ результате неуиругого рассеяния электронов возникают переменные во времени дополнительные вклады в процессы как генерации квазичастиц, так и поглощения их, Переменная составляющая в числе неравновесных квазичас- тиц, рождаемых электронами, задается амплитудой Ч переменного напряжения и в диапазоне от низких частот .до 10 Гц,(оценка для Фононов) не завиМЭснт от частоты Е иэ-за быстрой релаксации электронной подсистемы (время релаксации электронной подсистемы10 ф с), Поэтому изменение чис-.ла генерируемых квазичастиц происходит в такт с изменением напряжения. Следовательно, степень нелинейности вольт-.амперной характеристики (ВАХ) обусловленная процессом генерации, изменяется при облучении.Изйенение числа реабсорбнруемых квазичастиц, обусловленное добавкой5 1581138 переиенного напряжения на МК, зависит не только от амплитудь: Ч, но и от частоты Е. Амплитуда переменно. о вклада в общее число поглощаемых квазичастиц зависит от соотношения между частотой Г изменения неравновесной функции распределения электронов (задаваемой напряжением на контакте) и частотой релаксации йР (1 О -1 О " Гц для фононов) неравновесных квазичастиц и уменьшается, когда частота Г начинает превышать частоту релаксации Г . Непрерывный сигнал электромагнитного излучения малой амплитуды и перестраиваеиой частоты Тявляется эффективнь: средством зондирования при исследовании релаксации системы неравновесных квазичастиц в,области МК,е 2 ОПри воздействии на МК зондирующим излучением измеряют отклик 1 на него в виде сигнала, пропорционального второй производно вольт-аиперной характеристики МК при смещении ЧЯ/1 25 где- максимальная энергия квази- частицы, 1 - заряд электрона, и при изменении частоты Г получают частот%ную зависимость отклика 1 И) если частота Г больше частоты релаксации 30 квазичастнц, но существенчо меньше частоты релаксации электронов. Экспериментально найденная зависимость 1(Г) характеризует процесс релаксации системы неравновесных квазичастиц с некоторой собственной частотой релаксации ГР т.е. 1(Г)1(Г)ГР где значение Г неизвестно и подлеРжит определению. Значение Г можно найти, если известна, например, из теории зависимость (ГГР). Отклик контакта на зондирующее излучение регистрируют устройством 4 (см. фиг;1) в виде сигналапро- порционального второй производной ВАХ, в функции частоты Г этого изл,- чения 1 И). По частотной зависимости (%) определяют частоту релакса" цИи квазичастиц используя аппрокси" мацию зависимостью ИГ ). Явный вид этого выражения рассчйтывают теоретически для конкретной модели процесса релаксации квазичастиц. Например, на фиг.З и 4 точками пред. ставлены экспериментальные значения 3, отражающие зависимость 1 И), и аппроксимация этой зависимости Функ" ций, 1(Г;Г) при разных значениях .Ю 6Для определения частотной завис- мости (Г) используют способ, обеспечивающий необходимую точность, достаточно простой и доступньй. Поскольку частота релаксации квазичас"тиц может находиться в широком час.тотном диапазоне (10 -10 Гц) в каУ 7честве источника излучения с нерестраиваемой частотой 3 используют набор генераторов сигналов (трнодньхклистронных и т.д.). Откликомконтакта на зондирующий сигнал выбираютсигнал видеолетектирования Б,)(Ч ),измеряемый модуляционным способом.Данный способ используется для повышения чувствительности, посколькууровень высокочастотной мощности зон=.дирующего сигнала устанавлнгаетсямалым, чтобы не размывать измеряемыйспектр. В данном случае используютизмерение вьпрямленпого сигнала потому, что способ измерения амплитудывторой гармоники модулирующего сиг"нала на высоких частотах неприемлемнз-за уэкополосности приемников. Оп"ределенис частотной зависимости осуществляют следующим образом. С помощью двухкоординатного автоматического потейциоиетра регистрируйт семейство зависимостей,выпрямленного напряжения Б,) от постоянного напряже"- ния смещения Ч на контакте Б(Ч) приразных частотах Г зондирующего сигнала. Полученные кривые нориируют наодинаковую интенсивность сигнала Пв той области смещений Ч, где сигналБ не зависи- от частоты (см. фиг;2).Необходимость такой нормировки обусловлена зависимостью от частоты коэффициентов согласования импедансовгенератора, линии передачи высокойчастоты и МК. Иэ-эа этого на. разныхчастотах амплитуда зондирующего на пряжения Ч на контакте будет разная,что вызовет.и соответствующие изиенения сигнала отклика, По каждой изнормированных зависимостей Б (Ч) на 5ходят значение нормированного сигна .ла О(Ч) представляющего откликконтакта.при соответствующей частоте Й зондирующего сигнала Ч, Найденные значения 1,представляют гра"фиком частотной зависимости 1 И)например фиг,З, где значения 1 показаны точками.Определение. времени релаксации вы-,сокоэнергетйческих (дебаевских) фо- ф ионов осуществляют следующим образом.Создают контакт, удовлетворяющий условию 1 ( Й с Л (где 1 - упругаяФдлина рассеяния фонона 1, испольяуя ,описанную выше технику получения контактов, При этом спектр злектронФононного взаимодействия (ЭФВ)в МК, представленный на фиг.2, Имеет пики, обусловленные генерацией поперечных ТЛ- и продольныхЬА-фононов, и Фон, вследствие реабсорбции неравновесных фононов; Нормировку зависимостей Ц(Ч), полученных при разных частотах Г зондирующего излучения, осуществляют по максимуму сигналасоответствующего ТА-пику. Этот максимум хорошо выражен при различных уровнях Фона (в отличие от ЬА-пика) и интенсивность его Не зависит от частоты в диапазоне частот релаксации фононов. Значение величиныу измеряют при Ч=Я /Ч, для Фононов Я = Я, где Я 1 в край спектра плотности состояний (дебаевская энергия). Совокупность значений Р 1(,у показаннаЯ на фиг.З 25 точками, представляет экспериментальную зависимость (1). Для определения частоты релаксации.дебаевских Фононов экспериментальную завиаимость р,(Г) аппроксимируют теоретической 30 у(Г,Р)ся Е 1+И/Р)3, представленной кривой 11.Другйм вариантом способа определения частоты релаксации высокоэнер-,. гетичных Фононов, по частотной зави симости отклика. контакта на зондирую" щий сигнал является графический спо-соб. Он состоит в следующем. По граФику экспериментальной зависимости у 1 И) (см. Фиг.5) определяют значение 401величины у = -а(НЧ)-и(ВЧЦ, где . значения у 1 (НЧ), у(В 1) измеряют в области низких и высоких частот, в которой Функция 1(Г) слабо зависит 45 от частоты. По тому же графику определяют частоту Й, соответствующую .найденному значению 1 , Эту частоту прйнимают за частоту релаксации Г Воэможность определения частоты релаксацйи графическим способом следует из вида зависимости у 1(Г,Г ) для Фононови совпадения результатов определения частот релаксации предлагаемыми вариантами для различных проводников. Достоинство графического способа в его простоте.Далее приведены примеры конкрет" ного выполнения способа для случая определения времени релаксаций дебаевских фононов в различных проводниках.П р и м е:р 2. Определение времени релаксации фононов в меди.Для получения МК электродам придают форму иглы и плоскости (заостренная проволочка Ф О, 1 мм и торец проволочки ф 1 мм). Электроды обрабатывают.электрохимически в раэбав" ленной ортофосфорной кислоте, монтируют в держатели и приводят в соприкосновение в криостате 5 (см. Фиг,1)в жидком гелии по способу прижимаили сдвига до образования МК.Получаемые контакты подвергают тесту по виду спектра ЭФВ в МК и отбирают для измерения тот контакт, спектр которого имеет слектральные 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) 10Гц. Через контакт 1 (см. Фиг.1) от источника 2 пропускают плавно возрастающий ток, создавая медленно изменяющееся напряжение смещения Ч в интервале 0-70 мВ, и регистрируют устройством 4 отклик . на зондирующий сигнал Б(Ч) при разных его частотах. На Фиг.2 показано полученное таким образом семейство. зависимостей У (Ч), нормированных в максимуме.ТА-пика. Кривые 6-9 лежат в порядке возрастания частоты от 10 до 101 Гц. Для этих кривых определяют нормированныг значения отклика =Н (Ч,) при Ч =35 мВ, которые представляют графиком (см. Фиг.З).Экспериментальные точки аппроксимируют функцией р И ЕР)= 1+(Е/Е ) варьируя Гр. Наилучшая аппроксимация достигается при Г =5 10 З Гц, ей соРответствует сплошная линия на фиг,З, кривая 11, Эту частоту принимают за частоту релаксации фононов в меди. Для иллюстрации пунктиром нанесены кривые при близких значениях й =2 10 Гц (кривая 13) и 10 10 Гц (кривая 15), За время релаксации Фононов р в меди принимают время г =0,2 10П р и м е р 3, Графическое определение времейи релаксации в меди.По совокупности экспериментальных значений , полученных по способу, а158 сигнал дЬтектируют, в качестве отклика и при,определении частоты зависимости:1(И используют продетектированный зондирующий сигнал 11 (Ч) .при напряжении смещения 1 при этом0 регистрируют семейство Ц(Ч) зависи" мостей продетектированного зондирующего сигнала Б , от напряжения смещения Ч при разных частотах Г зондирующего сигнала, зависимости 0 (Ч) нормируют на одинаковую интенсивйость сигнала Ов той области смещений Ч, где сигнал 11 не зависит от.частоты, на каждодой иэ,нормнрованных зависимостей находят значение величины нормирован кого продетектированного зондирующего сигнала при напряжении смещения Ч , представляющее нормированный сигнал отклика, полученные при разных частотах зйачения яопределяют . частотную зависимость 19)4. Способ по. пп.1,3, о т л и ч аю Щ и й с я тем, что, с целью обес- печенйя возможности определений времени релаксации высокоэнергетических (дебаевских) Фононов, .создают микро- контакт, диаметр которого удовлетворяет условию 1д (Л, где 1- ул 1138 12ругая длина рассеяния фононов, прнопределении часто гной зависимости(Г) нормировку зависимости Ц (Ч)осуществляют по максимуму продетектированного зондирующего сигнала, соответствующему максимуму плотностисостояний поперечных Фононов, значения величины я измеряют при Ч щЕвГ10 щ - где Е - край спектра плотности состояний фононов, полученную экспериментальную зависимость 1(Ц аппроксимируют кривой (,Г 1,) 1 +15 (Ор) 7.5, Способ по п.4, о т л н ч а ющ и й с я тем, что, с целью упрощения, частоту релаксации неравновесныхфононов определяют на графике экспе 20. риментальной эависимостА 1(Е) какчастоту, при которой выполняется ус-,ловие равенства сигнала отклика величине г = - (НЧ)-(ВЧ) , ПРИ 1г х25чем значения (НЧ), (ВЧ) изме"ряют в области низких и высоких частот, где функция И) слабо Зависитот частоты,,с н Корректор СЛев тор Е ов Ю ее э ю Ю 4 Ю Заказ 2444 ," Тираж 380 : . ПолисноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыгияи при113035, Москва, Ж, Раушскай наб., д. 4/5 НТ СССР гарина,01 тепьский комбинат "Патеит", г. Ужгородул. звапственно-изд оставител ехред М, Хо И.Петровичнич