Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. – Сумський державний університет. Суми, 2008.
У дисертації наведені результати дослідження спін – поляризованого електронного транспорту в періодичних магнітних мультишарах та сандвічах, а також кінетичних ефектів у двошарових (ДП) та багатошарових (БП) плівках з моно - та полікристалічною структурою. Передбачено, що вплив шорсткостей інтерфейсів та меж зерен на амплітуду ефекту гігантського магнітоопору визначається конфігурацією центрів, які асиметрично розсіюють електрони, а величину та зміну знака (інверсію) зазначеного ефекту можна визначити за отриманими модельними формулами. Отримання загальних виразів для транспортних коефіцієнтів (провідності, температурного коефіцієнта опору, коефіцієнтів тензочутливості, опору тощо) у ДП та БП, дозволило не лише отримати для них лінеаризовані співвідношення, які пройшли перевірку при обробці даних експериментальних досліджень, а й обґрунтувати їх немонотонну розмірну залежність, яка обумовлена конкуренцією інтерфейсного, зерномежового та об’ємного розсіяння електронів. Наявність ортогонального до інтерфейсів зовнішнього магнітного поля у ДП та БП призводить до немонотонної розмірності залежності опору в області слабкого магнітного поля. Зі збільшенням поля опір зазначених провідників осцилює з його зміною. Взаємна дифузія металів змінює транспортні характеристики провідників, за зміною яких можна вивчити процес об’ємної та зерномежової дифузії, та визначити коефіцієнти об’ємної та зерномежової дифузії за отриманими модельними формулами. Дослідження осциляційного акустоелектронного ефекту в одно – та багатошарових плівках показало, що в області слабкої просторової дисперсії коефіцієнт згасання звукової енергії немонотонним чином залежить від товщини шарів, яка має зазначену вище природу, а в області сильної просторової дисперсії коефіцієнт згасання осцилює зі зміною довжини хвилі.
Проведені у дисертаційній роботі дослідження дали можливість здійснити подальший розвиток наукового напрямку “Кінетичні явища у багатошарових магнітних та немагнітних плівкових системах”. У результаті були сформульовані такі узагальнюючі висновки:
1. Уперше з використанням квазікласичного наближення для феромагнітного металу Мотта побудована загальна (при довільних значеннях параметрів задачі, які входять до кінцевого результату розрахунків) теорія гігантського магніторезистивного ефекту для магнітних багатошарових плівок і сандвічів та встановлені такі закономірності:
вплив шорсткостей меж провідників на амплітуду ефекту визначається конфігурацією центрів, що асиметрично розсіюють електрони з різною поляризацією спіну;
у випадку, коли ефект гігантського магнітоопору (ГМО) обумовлений асиметрією інтерфейсного спін – залежного розсіяння (СЗР) носіїв заряду, а зазначені вище центри розміщені в інтерфейсах зразків, збільшення ймовірності дзеркального розсіяння електронів на межах поділу шарів металу призводить до зменшення ефекту внаслідок зменшення ймовірності проходження електронів у сусідні шари металу і відповідно до зменшення магнітної взаємодії між магнітними шарами;
при будь - якій іншій конфігурації центрів, що розсіюють електрони, їх дзеркальне відбиття призводить до збільшення рівня ефекту внаслідок збереження електроном своєї “пам’яті” про свій спін, і він залишається ефективним;
зміна знака ГМО можлива лише для несиметричних зразків з асиметричним СЗР носіїв заряду в об’ємі шарів металу та на їх інтерфейсах з проходженням у сусідні шари металу;
урахування залежності параметрів дзеркальності від кута падіння електрона на межі зразка не приводить до висновку про оптимальні шорсткості, при яких ефект максимальний, оскільки його величина монотонно зменшується зі зростанням шорсткості інтерфейсів та виходить на насичення;
2. Уперше побудовано теорію гігантського магнітоопору у багатошарових плівках з полікристалічною структурою та показано, що:
у випадку, коли ефект ГМО обумовлений асиметрією СЗР електронів на інтерфейсах зразка, розсіяння носіїв заряду на межах зерен призводить до зменшення амплітуди ефекту внаслідок втрати “пам’яті” електрона про свій спін (носій заряду стає неефективним);
якщо ж домінуючим механізмом СЗР електронів є їх розсіяння в об’ємі магнітних шарів, то у випадку, коли шари мають крупнозернисту структуру, розсіяння носіїв заряду на МЗ призводить до зменшення рівня ефекту, в той самий час як для зразків з дрібнозернистою структурою ГМО буде обумовлений асиметричним розсіянням електронів на міжкристалітних межах, і амплітуда ефекту буде збільшуватися.
3. Уперше з використанням модифікованої моделі Маядаса - Шацкеса побудована загальна теорія кінетичних ефектів, яка дозволила лінеаризувати точні співвідношення, які пройшли експериментальну перевірку, та встановити такі загальні закономірності:
у разі виконання нерівностей , де - транспортний коефіцієнт (провідність, температурний коефіцієнт опору, коефіцієнт тензочутливості тощо) у му шарі металу, - відношення провідностей у сусідніх шарах металу, величина коефіцієнтів монотонно збільшується (зменшуються) зі зростанням товщини шарів;
у випадку, коли та , на розмірній залежності коефіцієнтів виникає мінімум (максимум), який обумовлений конкуренцією об’ємного, інтерфейсного та зерномежового розсіяння носіїв заряду;
якщо основним механізмом релаксації носіїв заряду є їх розсіяння на межах зерен, температурний коефіцієнт опору може набувати від’ємного значення;
обробка даних експериментальних досліджень провідності, температурного коефіцієнта опору тощо зразків за допомогою отриманих лінеаризованих співвідношень показала, що розрахункові та експериментальні значення задовільно узгоджуються з точністю до 20%.
4. Уперше запропоновано теорію осциляційного гальваномагнітного ефекту в багатошарових плівках та здійснено подальший розвиток уявлень про зазначений ефект у двошарових плівках. Було встановлено:
що в області слабкого магнітного поля, коли його вплив на балістичний рух носіїв заряду незначний, і при досконалих зовнішніх межах та інтерфейсах опір монотонно змінюється зі зміною товщини плівок. Наявність шорсткостей меж та інтерфейсів викликає конкуренцію об’ємного та інтерфейсного розсіяння носіїв заряду, що приводить до немонотонної розмірної залежності опору зазначених зразків;
в області сильного поля, коли електрони рухаються по гвинтових траєкторіях, внаслідок втрати кореляції між падаючим та відбитим (або носієм заряду, що пройшов у сусідній шар металу) опір осцилює зі зміною поля, а амплітуда осциляцій визначається величиною шорсткостей меж, інтерфейсів і дефектністю структури шарів.
5. Уперше розглянуто вплив взаємної дифузії металів на провідність багатошарових моно - та полікристалічних плівок та здійснено подальше його вивчення на кінетичні характеристики в одно - та двошарових плівках. З отриманих простих модельних виразів випливає, що:
при невеликому часі відпалювання, за зміною, зокрема провідності у результаті відпалу, можна розрахувати коефіцієнти об’ємної та зерномежової дифузії;
при збільшенні часу відпалювання глибина проникнення атомів домішок в об’єм плівки визначається її товщиною, і визначення зазначених коефіцієнтів зводиться до знаходження мінімального часу відпалу такого, що при подальшому відпалюванні транспортні характеристики провідника не змінюються;
при подальшому відпалюванні розподіл атомів домішок стає практично однорідним за товщиною, що дозволяє знайти зв’язок між коефіцієнтом об’ємної дифузії та ефективною довжиною вільного пробігу, а також зв’язок між коефіцієнтом зерномежової дифузії та ефективним зерномежовим параметром, що дозволяє також визначити зазначені коефіцієнти дифузії.
6. Уперше проаналізований осциляційний акустоелектронний ефект в одно - та багатошарових плівках та показано, що величина деформаційного коефіцієнта поглинання визначається ступенем шорсткостей меж та інтерфейсів, а саме:
при дзеркальному відбитті електронів межами зразків не змінюється ефективне число електронів, які взаємодіють зі звуковою хвилею, і вони не руйнують синхронності руху електронів, які поглинають енергію на усій довжині вільного пробігу, внаслідок чого коефіцієнт поглинання зростає ;
зі збільшенням ступеня шорсткості меж зменшується відносне число ефективних електронів, що призводить до зменшення коефіцієнта згасання, а у дво - та багатошарових плівках внаслідок дифузного розсіяння електронів на інтерфейсах коефіцієнт поглинання енергії немонотонно залежить від товщини шарів;
у випадку, коли звукова хвиля поширюється по нормалі до інтерфейсів зразків, в області сильної просторової дисперсії коефіцієнт поглинання осцилює зі зміною довжини хвилі, внаслідок того, що його величина залежить від кількості областей стиснення та розтягнення кристалічної гратки, що укладаються на товщині шару металу;
аналіз акустичного аналога ефекту гігантського магнітоопору показав, що зазначений ефект обумовлений асиметрією спін – залежного розсіяння електронів у об’ємі шарів металу та на їх інтерфейсах і має ті самі розмірні залежності, що і ефект гігантського магнітоопору.
Shkurdoda Yu.A., Dekhtyaruk L.V., Loboda V.B. The effect of giant magnetoresistance in structure // Functional materials. –2008. – V.15, №1. – Р.38–45.
Дехтярук Л.В. Ефект гігантського магнетоопору в магнетних сандвічах //Металлофиз. новейшие технол. – 2008. – Т.30, №2. – С.219–234.
Дехтярук Л.В., Проценко І.Ю. Осциляційний гальваномагнетний ефект у тонких шарах металу за наявности дифундуючого шару домішок // Журнал фізичних досліджень. – 2007. –Т.11, №4. – С.415–420.
Influence of diffusion impurities on the electrical conductivity of single – crystal and polycrystalline metal films / A. M. Chornous, L. V. Dekhtyaruk, T.P. Govorun, A.O. Stepanenko // Металлофиз. новейшие технол. – 2007. – Т.29, №2. – Р.249–266.
Дехтярук Л.В. Осцилляционный гальваномагнитный эффект в двухслойных металлических пленках // Изв. ВУЗ. Физика.– 2007.– Т.50, №7. – С.26 – 33.
Dekhtyaruk L.V. The oscillatory galvanomagnetic size-effect in multilayered structures // Central Europ. J. Phys. – 2007. –V.5, №1. – P.91–102.
Дехтярук Л.В. Акустоелектронний розмірний ефект у металевих мультишарах // Металлофиз. новейшие технол. –2007.–Т.29, №1.–С.7–19.
Dekhtyaruk L.V. Influence of interdiffusion on the electrical conductivity of multilayered metal films // Central Europ. J. Phys.–2006.–V.4, № 1. – P.73–86.
Conductivity and temperature coefficient of resistance of multilayered polycrystalline films / A. Chornous, L. Dekhtyaruk, M. Marszalek, I. Protcenko // Cryst. Res. Technol. – 2006. – V.41, №4. – P.388–399.
Dekhtyaruk L.V., Pazukha I.M., Protcenko I.Yu. Procedure for estimating the contribution of interface scattering of electrons to the specific resistance and the temperature coefficient of resistance of films // Ukr. J. Phys. – 2006. – V.51, №7. – P.728–732.
Дехтярук Л.В. Вплив дифундуючого шару домішок на осциляційну залежність коефіцієнта поглинання звукової енергії у тонких шарах металу //Фізика і хімія твердого тіла. – 2006. – Т.7, №3. – С.450–456.
Дехтярук Л.В., Проценко И.Е. Эффект тензочувствительности в металлических мультислоях // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2006. – Т.4, №3. – С.695–705.
Дехтярук Л.В., Проценко І.Ю. Термоелектричні ефекти у багатошарових полікристалічних структурах // Фізика і хімія твердого тіла. – 2005. – Т.6, №4. – С.576–582.
Conductivity and the temperature coefficient of resistance of two - layer polycrystalline films / L. V. Dekhtyaruk, S. I. Protcenko, A. M. Chornous, I. O. Shpetnyi // Ukr. J. Phys. – 2004. – V.49, № 6. – P.587–597.
Ефект тензочутливості у тонких металевих полікристалічних плівках /Л.В. Дехтярук, Є. О. Забіла, С.І. Проценко, А.М. Чорноус // Металлофиз. новейшие технол. – 2004. – Т.26, № 10. – С.1333–1345.
Розмірні ефекти в термічному коефіцієнті опору та коефіцієнті розсіювання електронів на межі зерен у тонких металевих плівках / О.А. Білоус, Л.В. Дехтярук, С.І. Проценко, А.М. Чорноус // Вісник СумДУ. Серія: Фізика, математика, механіка. – 2001. – №3 (24) – 4 (25). – С.67–73.
Дехтярук Л.В., Колесніченко Ю.О. Провідність металевих мультишарів з полікристалічною структурою // Науковий вісник Чернівецького університету. Фізика. – 1998. – Вип.40. – С.100 – 104.
Температурный коэффициент сопротивления мультислоев с поликристаллической структурой / Л.В. Дехтярук, М. Маршалек, И. Е. Проценко, А.Н. Чорноус // Физ. инж. поверхн. – 2004. – Т.2, № 1-2. – С.60–68.
Dekhtyaruk L. V. The acoustical analog of the giant magnetoresistance effects in magnetic multilayered structures // Materials International сonference on nanoscience and technology. - Basel, Switzerand, 2006. – P.880.
Dekhtyaruk L. V., Protcenko I.Yu. Negative and positive effects of the giant magnetoresistance in magnetic sandwiches // Materials the 3rd International conference on materials science and condensed matter physics “MSCMP- 2006”. - Chisinau, Moldova, 2006. – P.78.
Ефект гігантського магнітоопору у магнітних сандвічах з полікристалічним спейсером / Л.В. Дехтярук, М. Маршалек, С.І. Проценко, І.В. Чешко, А.М. Чорноус // Матеріали Х Ювілейної Міжнародної конференції “Фізика і технологія тонких плівок”. – Івано – Франківськ: ПрУ, 2005. – Т.1. – С.246 – 247.
Dekhtyaruk L. V., Marszalek M., Protcenko I.Yu. Giant magnetoresistance effect in magnetic multilayer structures with polycrystalline spacer // Materials International conference “Functional materials”. – Crimea, 2005. – Р.85.
Дехтярук Л.В. Эффект гигантского магнитосопротивления в магнитных сандвичах // Материалы 6-й Международной конференции “Физические явления в твердых телах”. – Харьков: ХНУ, 2003. – С.84.
Колесніченко Ю.О., Дехтярук Л.В. Осциляційний акустоелектронний ефект у металевих бішарах // Матеріали VIII Міжнародної конференції з фізики і технології тонких плівок. – Івано-ранківськ: ПрУ, 2001. – C.132.
Влияние толщины на температурный коэффициент удельного сопротивления в пленках металлов / Е.А. Белоус, Л.В. Дехтярук, С.И. Проценко, А.Н. Чорноус // Материалы Третьего всероссийского семинара “Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении”. – Воронеж: ВГТИ, 2000. – С.87–88.
Колесниченко Ю.А., Дехтярук Л.В. Акустоэлектронный осцилляционный эффект в тонких слоях металла // Materials International conference MPSL ”99. – Sumy: SSU, 1999. – C.58.
