Способ осуществления увлечения электронов фононами

Способ осуществления увлечения электронов фононами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к электронике конденсированных материалов, к способам осуществления и применения термоэлектрического эффекта увлечения электронов (дырок) фононами при температурах Дебая фононов в твердотельных материалах и структурах между электродами. Оно может быть использовано в микроэлектронике, радиотехнике и электротехнике в качестве принципа действия твердотельных электронных и оптоэлектронных приборов с пониженным уровнем собственных шумов без охлаждения. Изобретение реализует новый физический механизм увлечения электронов фононами при дебаевых температурах фононов в твердотельных материалах и структурах между электродами. Оно основано на использовании собственных (Inherent, I-) колебаний и волн, источником которых являются электронно-колебательные центры (ЭКЦ), а именно на взаимодействии I-колебаний и волн с электронами, дырками и кристаллическими фононами в полупроводниковых материалах и структурах.

Теоретические основы современной твердотельной электроники включают общеизвестное адиабатическое приближение Борна-Оппенгеймера [1], обычно используемое при решении уравнения Шредингера для кристалла. В этом приближении исключают возможность обмена энергией между электронами и ядрами атомов в кристаллах. Очевидно, что адиабатический принцип Борна-Оппенгеймера ограничивает круг доступных для исследования и применения физических процессов в материалах. Действительно, П.Дирак впервые показал [2], что данный принцип, вообще говоря, не выполняется, а дальнейшие исследования [3] упрочили понимание ограниченности адиабатического подхода к проблеме твердых тел вообще и к твердотельной электронике в частности. В связи с этим существующую, доминирующую в науке и технике твердотельную (полупроводниковую) электронику можно обоснованно называть адиабатической электроникой. Эта электроника не дает ответа на многие вопросы о природе кристаллов и физических явлениях в них, например, таких как сверхпроводимость, гиперпроводимость, сверхтеплопроводность, что, в частности, связано с использованием адиабатического подхода и ограничивает применение кристаллов.

С другой стороны, заявленное изобретение основано на использовании принципиальной возможности обмена энергией между электронами и ядрами атомов в материалах. Такая электроника лежит за пределами адиабатического принципа (адиабатического приближения). Ее можно обоснованно называть неадиабатической твердотельной электроникой. К этой неадиабатической электронике относится заявленное изобретение и некоторые уже известные технические решения, в которых нарушения адиабатического принципа обеспечивают ЭКЦ. Эти центры в кристаллах создают канал обмена энергией между электронами и ядрами атомов, а технические решения, использующие такой энергетический обмен, представляют собой принципиально новую неадиабатическую твердотельную электронику.

Уровень техники.

Эффект увлечения электронов фононами может проявляться при наличии градиента температуры в материале в виде дополнительного вклада в термоэдс (в эффект Зеебека). Он отличается от известного диффузионного (дрейфового) механизма тем, что увлечение электронов фононами возникает благодаря связи электронов с потоком фононов, благодаря увлечению электронов потоком фононов.

Открытое в 1821 году явление дифференциальной термоэдс (эффект Зеебека) наблюдается при наличии градиента температуры в материалах и характеризуется коэффициентом термоэдс α=dE/dT, где Е - термоэдс и Т - температура. Это явление связывали с диффузией подвижных носителей зарядов, концентрации и подвижности которых определяют величину этой диффузионной (дрейфовой) термоэдс E_d. Коэффициент диффузионной (дрейфовой) термоэдс (α_d) в невырожденных полупроводниковых материалах выражается следующей формулой:

где

n и p - концентрации, μ_n и μ_p - дрейфовые подвижности электронов и дырок, k - постоянная Больцмана, е - элементарный заряд, r - параметр рассеяния, F_n и F_p - квазиуровни Ферми электронов и дырок в невырожденном материале [4, 5].

Величина α равна потоку энтропии, приходящемуся на единичный электрический ток в термоэлектрической цепи [6].

Было установлено экспериментально, что термоэдс в монокристаллах германия увеличивается при понижении температуры от 200 К до 15 К [6-9], значительно превышает вычисленную с помощью формул (1, 2) величину и для ее описания необходимо привлечь дополнительный физический эффект [10], который получил название эффекта увлечения электронов фононами (УЭФ или Phonon drag).

В 1945 г. Л.Гуревич впервые теоретически предсказал существование такого дополнительного к диффузионной термоэдс нового термоэлектрического эффекта (E_ф), вызванного увлечением электронов потоком фононов в металлах [11] и отметил возможность его существования в полупроводниках. Г.Пикус в 1951 г. вывел формулу для коэффициента УЭФ в полупроводниках:

где m^* - эффективная масса электрона и ν - скорость звука в материале, τ_ф и τ_e - время релаксации фононов и электронов (сломанные скобки здесь обозначают усредненные величины), но пришел к выводу о якобы несущественной величине данного эффекта. Вывод формулы (3) можно найти в [4, 12]. Таким образом, термоэдс в материале является суммой диффузионной термоэдс и эффекта УЭФ: Е=Е_d+E_ф, а коэффициент термоэдс α=α_d+α_ф.

Аналогичная теория, учитывающая взаимодействие между фононами и электронами в материале, была успешно применена к анализу экспериментальной термоэдс в легированном Ge [13, 14]. Оказалось, что вклад эффекта увлечения электронов фононами в термоэдс представляет собой полосу, в которой E_ф достигает максимума, расположенного между 15 К и 30 К. Эта полоса может быть предсказана по данным о теплопроводности материала [14], но сама теплопроводность почти не зависит от увлечения электронов фононами [11]. Именно данная полоса получила интерпретацию как эффект увлечения электронов фононами (УЭФ), вызванный потоком только тех фононов, которые связаны с электронами. Соответствующее формуле (3) уменьшение УЭФ при повышении температуры выше 30 К дало основание полагать, что УЭФ существует только при низких температурах [15]. Однако, термоэдс в связках углеродных нанотрубок в диапазоне от 4.2 К до 300 К, измеренная в лаборатории Нобелевского лауреата Р.Е.Смолли, предположительно была объяснена именно эффектом УЭФ [16], что возможно при сильной электрон-фононной связи.

Эффективную связь электронов с фононами могут обеспечить введенные в материал электронно-колебательные центры (ЭКЦ). Электронные переходы внутри ЭКЦ или переходы извне на энергетические уровни ЭКЦ сопряжены с участием значительного числа фононов, а равновесные положения и частоты колебаний ЭКЦ зависят от их электронного состояния и могут изменяться при электронно-колебательных переходах. Именно поэтому такие центры и электронные переходы получили название электронно-колебательных центров и электронно-колебательных переходов соответственно. Мерой связи электронов с фононами на ЭКЦ является константа электрон-фононной связи S, имеющая смысл среднего числа участвующих в электронно-колебательном переходе фононов. Для ЭКЦ она может достигать 150, а экспериментальные значения S в некоторых образцах превышают 22 [17-19], хотя при отсутствии ЭКЦ величина S<<1 [20].

Вероятность электронно-колебательного перехода зависит от числа (p) поглощаемых или испускаемых фононов [17-19]. Если важны фононы одной частоты, то спектры переходов состоят из дискретных линий, соответствующих участию р=0, 1, 2, ... фононов, а энергии соседних линий различаются на энергию фонона. Наибольшая вероятность переходов соответствует p≅S, из-за чего возникает (стоксово) смещение максимума спектра на S энергий фонона относительно энергии бесфононного перехода (соответствующего р=0) на один из энергетических уровней собственных колебаний ЭКЦ. Если в электронно-колебательном переходе кроме фононов одной частоты участвуют более 3% фононов других частот, то линии спектра уширяются. Если же в электронно-колебательных переходах участвуют фононы различных типов и частот, то спектр превращается в сплошную полосу, расположенную между энергиями α-, β-, γ-типов собственных (Inherent, I-) колебаний, представляющих собой упругие колебания ядер атомов (α-тип), ядер совместно с K-электронами (β-тип) или ядер атомов совместно с K- и L-электронами (γ-тип) относительно остальной части электронной оболочки или, что одно и то же, относительно центра масс кристалла [21-23]. Собственные колебания в атомах основного вещества возможны при наличии ЭКЦ. При этом обеспечивается сильное электрон-фононное взаимодействие в материале.

Введение ЭКЦ в материалы оказывает значительное влияние на их физические свойства благодаря сильной электрон-фононной связи. Например, связанная с ЭКЦ фотопроводимость является отрицательной. В присутствии ЭКЦ подвижные электроны и дырки локализуются на центрах, их дрейфовые подвижности и описываемая формулами (1, 2) диффузионная термоэдс уменьшаются или практически становятся нулевыми, а эффект УЭФ, обусловленный электронно-колебательными переходами между ЭКЦ, получает возможность доминировать.

Теория [17-19] описывает как излучательные, так и важные для УЭФ безызлучательные электронно-колебательные переходы (происходящие без участия фононов), вызванные упругими колебаниями кристалла с частотой ω. Эта теория применима и для переходов между ЭКЦ, поскольку в каждом материале центры подобны друг другу и неразличимы. Скорость безызлучательных переходов центра υ(ω) из состояния а в состояние b достигает максимума на частоте , где ω_j - частота фононов типа j, участвующих в переходе, и согласно [11] выражается следующей формулой:

где υ_m - максимальное значение υ(ω),

(q_ja-q_jb) - изменение равновесных координат центра, - среднее значение колебательного (квантового) числа. Вблизи максимума функции (4) величина (ω-ω_m) мала, степенной ряд в показателе экспоненты сходится быстро и можно ограничиться первым квадратичным членом ряда.

П.Дебай в 1912 г. ввел в рассмотрение температуры где - постоянная Планка, ω_l - максимальная частота колебаний кристалла, индекс l обозначает тип колебаний. По этому правилу стали вводить температуры Дебая для акустических (А), оптических (О), продольных (L) и поперечных (Т) колебаний кристаллических решеток и для квантов таких колебаний - фононов [4, 5]. Температуры Дебая удобны для описания взаимодействия фононов с локальными (примесными) центрами и мы воспользуемся этими температурами. Определив по правилу Дебая температуру материала , температуру материала при максимальной скорости переходов , а также температуру , полагая, что величина эффекта УЭФ пропорциональна скорости переходов υ(ω) и учитывая только первый член ряда в показателе экспоненты в (4), то можно записать температурную зависимость коэффициента α_ф в виде функции Гаусса:

где const - независящая от температуры величина. Функция α_ф(Т) достигает максимума при температуре T_m и симметрична относительно Т_m. Если учесть два первых члена ряда в (4), то α_ф(T) может стать асимметричной. Функцию (5) мы использовали для аппроксимации полос эффекта УЭФ в температурных зависимостях термоэдс экспериментальных образцов материалов и структур.

Для изучения температурных зависимостей термоэдс мы использовали образцы различных материалов и структур толщиной около 200 мкм и площадью 14×8 мм², содержащие ЭКЦ с S>1. Значения S были определены из анализа электронно-колебательных ИК-спектров поглощения, отражения или фотопроводимости образцов. ЭКЦ вводили в исследуемые материалы различными способами. Так, образцы Si, InSb, InAs и слои таких материалов толщиной от 2 до 60 мкм с концентрациями электронов проводимости от 6·10¹² см^-3 до 1,68·10¹⁵ см^-3 на подложках из полуизолирующего GaAs облучали потоком электронов ˜10¹⁸ см^-2 с энергией 1 мэВ. По данным вольт-фарадных измерений концентрация ЭКЦ в различных образцах была в пределах от 10¹⁴ см^-3 до 10¹⁶ см^-3. Образцы становились частично компенсированными после облучения их быстрыми электронами, что объясняется введением в материалы ЭКЦ, которые были образованы преимущественно примесными атомами кислорода. Образцы GaP с концентрацией примесей алюминия или серы около 10¹⁵ см^-3 подвергали термообработке для активации ЭКЦ, которые были образованы этими примесными атомами. Были также исследованы высокоориентированные монокристаллы пиролитического графита, эпитаксиальные слои кремния толщиной 0,4 мкм на сапфировых подложках, а также углеродные нанотрубные пленки толщиной примерно 0,1 мкм с поверхностным сопротивлением около 10³ Ом/□ на подложках из кварца, флюорита и иттрий алюминиевого граната (YAIG), изготовленные распылением графита электронным пучком в вакууме. Согласно данным о спектрах ИК-отражения и энергиях активации удельного сопротивления ЭКЦ в графите и углеродных нанотрубных пленках были образованы атомами углерода [21-23].

Температурные зависимости термоэдс измеряли традиционным способом. Схема включения образца показана на вставке фиг.1, слева. Выпрямляющие контакты к образцам создавали с помощью электродов 1 и 2, которые наносили на поверхность материала термическим распылением золота или алюминия в вакууме. В обоих случаях получали совпадающие результаты измерений. Исследуемые образцы мы помещали в вакуумный криостат или в термостат с атмосферой азота при нормальном давлении. Между электродами образца создавали разность температур . Температуры измеряли с помощью термопар медь-константан с точностью 0,2 К. Температуру образца T=(T₂+T₁)/2 изменяли монотонно в течение 2-3 часов в криостате от 15 К, а в термостате - от 77 К до сотен градусов по шкале Кельвина. Величину термоэдс (Е) измеряли между контактами 1 и 2 с точностью 1 мкВ. Зависимость α(Т) измеряли "по точкам", вычисляя значение коэффициента термоэдс (УЭФ) при разных температурах образца, заменяя дифференциалы dE и dT конечными приращениями этих величин: α(T)=dE/dT=Е/(Т₂-Т₁). Зависимость α(Т) вблизи ее экстремумов аппроксимировали функцией (5).

На фиг.1 представлена типичная температурная зависимость термоэдс в содержащих ЭКЦ монокристаллах кремния, имеющая сравнительно узкие полосы со сложными контурами. Было замечено, что экстремумы полос В, С и D расположены при температурах Дебая акустических и оптических фононов, определенных из данных о фононах кремния [24]. Учитывая этот факт и полярности полос, полосы В и С были объяснены эффектом увлечения электронов акустическими, а полоса D - эффектом увлечения дырок оптическими фононами [25, 26].

Типичные температурные зависимости термоэдс в монокристаллах InAs представлены на фиг.2, а в GaP - на вставке фиг.2, слева, и содержат ряд полос [27]. Температуры в максимумах полос в GaP и полос G, Н, I, К в InAs совпадают с температурами Дебая различных фононов. В отдельных образцах InAs наблюдается слабая полоса вблизи температуры 424 К, совпадающей с суммой дебаевых температур двух LA фононов. В образцах InSb кроме полос при дебаевых температурах различных LA и LO фононов имеются полосы при температурах 134 К и 430 К, которые равны суммам температур Дебая двух фононов (2ТА и 2ТО).

Полоса А в Si (см. фиг.1), имеющая максимум вблизи 55 К, а также полоса F в InAs (см. фиг.2) с максимумом при 45 К более всего соответствуют интерпретации как эффект УЭФ. Однако, в этих бездефектных материалах нет фононов с такими температурами Дебая. Такие фононы могут возникнуть в результате введения ЭКЦ в материалы. Действительно, дисперсионные ветви акустических фононов под влиянием собственных колебаний ядер атомов в материале существенно изменяются [21, 25]. Для одномерной модели кристалла эти изменения качественно показаны на вставке фиг.2, справа. Коэффициент δ описывает взаимодействие между акустическими (А) и собственными (I) колебаниями. При δ<0 возникает высокая плотность фононных состояний с малыми значениями волнового вектора, а дебаевы температуры этих фононов могут достигать нескольких десятков градусов. Такие низкочастотные фононы, видимо, способны создавать наблюдаемые на опыте низкотемпературные полосы УЭФ (например, полосы А и F).

На фиг.3 приведена характерная температурная зависимость термоэдс монокристалла графита, измеренная вдоль нормали к атомным плоскостям графитового "паркета". Она содержит полосы с максимумами при температурах Дебая LO фононов и, по-видимому, при температуре Дебая двух (LO+LO) фононов, энергии которых определенны из дисперсионных ветвей фононов графита [28].

В тонких эпитаксиальных слоях материалов на подложках также наблюдаются полосы термоэдс, однако они расположены при дебаевых температурах фононов подложки. Температуры максимумов полос М, N и О в слое InAs на GaAs подложке (см. фиг.4) не совпадают с дебаевыми температурами фононов в InAs, а расположены при дебаевых температурах LA, LO и ТО фононов в GaAs. На вставке фиг.4 приведена характерная температурная зависимость термоэдс в слое InSb на GaAs подложке. Эта зависимость имеет полосы с максимумами при температурах Дебая фононов в GaAs подложке или при температурах 383 К, 440 К, 486 К и 523 К, которые равны суммам дебаевых температур пар ТО, LO и LA фононов в GaAs или пар аналогичных фононов в InSb.

На фиг.5 и на вставке фиг.5 приведены типичные температурные зависимости термоэдс в слое кремния на сапфировой подложке и в углеродной нанотрубной пленке на кварцевой подложке, имеющие полосы УЭФ, максимумы которых лежат при температурах Дебая фононов подложек.

Узкие полосы УЭФ наблюдаются только в содержащих ЭКЦ материалах. Они расположены при температурах Дебая фононов, поэтому несомненно вызваны электронно-колебательными переходами между ЭКЦ и определенно представляют собой эффект УЭФ. Мы аппроксимировали контуры полос зависимостью (5), используя измеренные нами значения Т_m и подбирая величины θ и const.

Температура Т_m имеет смысл стоксова смещения максимума полосы УЭФ на температуру Дебая одного (р=1) или на сумму температур Дебая нескольких (p>1) фононов относительно бесфононного перехода (р=0, Т_m=0 К). Наиболее интенсивную полосу согласно теории нужно ожидать при температуре, совпадающей с суммой температур Дебая p≅S фононов. Однако в экспериментах наблюдаются температуры Т_m, равные дебаевым температурам одного (р=1) или суммам дебаевых температур пары фононов (р=2), хотя константа электрон-фононного взаимодействия на ЭКЦ в Si может достигать значений S≥5, в InSb - S≥3, в GaP - S≥4, в графите и углеродных нанотрубных пленках на подложках - S>10. Этот результат можно объяснить известным уменьшением величины S до значений близких к 1 за счет усиления взаимодействия между ЭКЦ при сближении центров друг с другом по мере увеличения их концентрации (выше 10¹⁶ см^-3). Такое уменьшение S объясняет отсутствие полос эффекта УЭФ с участием трех и более фононов (p>2) при высоких концентрациях ЭКЦ.

Температура θ является дисперсией функции Гаусса (5). Она имеет смысл полуширины полосы эффекта УЭФ на ее полувысоте и представляет особенности электронно-колебательных переходов в конкретном материале. Наиболее точная аппроксимация полос УЭФ функцией (5) достигается, если температура θ имеет одно определенное значение для всех полос УЭФ в материале. Так, значение θ=5,8 К было определено для полос УЭФ в Si. При этом выяснилось, что полоса С на фиг.1 является наложением трех гауссовых полос с температурами Т_m, соответствующими дебаевым температурам различных LA фононов. Каждая из полос В и D состоит из двух гауссовых полос с температурами Т_m, соответствующими дебаевым температурам ТА, LA и LO фононов. Полоса L в графите (см. фиг.3) состоит из трех гауссовых полос с температурами Т_m, расположенными при дебаевых температурах различных LO фононов со значением θ=5 К. Полосы в InAs и в InSb имеют полуширину θ=4 К, в графите θ=5 К.

В слоях InAs на GaAs подложках полосы УЭФ имеют характерное для InAs значение θ=4 К. Профиль полосы М в слое InAs (см. фиг.4) состоит из двух гауссовых кривых с θ=5 К. Каждая из полос N и О является суммой полос с θ=4 К и 25 К, θ=4 К и 20К. Наличие гауссовых компонент некоторых полос с температурами θ>10 К в узкозонных материалах, таких как графит, InAs и InSb, можно предположительно объяснить частичным вкладом диффузионной термоэдс. Температуры θ имеют характерные для каждого материала значения, приведеные в Таблице 1.

Таблица 1Значения температур θ в монокристаллах и монокристаллических слоях материалов на полуизолирующих или диэлектрических подложках
Монокристаллы
Материал	InAs	InSb	Si	Ge	GaP	Графит	CdHgTe
θ (K)	4,0	4,0	5,8	5,0	5,0	5,0	10,0
Слои материалов на подложках
Материал	InAs	InSb	Si	Углеродные нанотрубные пленки
Подложка	GaAs	GaAs	Сапфир	Кварц	Флюорит	YAlG
θ (K)	4,0	4,0	4,7	5,0	5,0	2,6

Из таблицы 1 видно, что температуры θ для монокристаллов совпадают с соответствующими температурами для слоев этих же материалов на подложках (за исключением субмикронных слоев Si на сапфире). Величины θ одинаковы для всех полос УЭФ в каждом материале [29] и отражают свойства внутрикристаллических процессов, которые не зависят от внешних условий. По-видимому, это - осциллирующие процессы обмена энергией между системами электронов и ядер атомов в кристалле, которые происходят даже в бездефектных материалах, что показано теоретически на примере монокристалла Si [30].

Таким образом, установлено, что в каждом содержащем ЭКЦ материале температурные зависимости термоэдс имеют узкие полосы УЭФ с гауссовым профилем и одинаковой шириной, расположенные при температурах Дебая фононов материала, а в слоях материала на подложке - при температурах Дебая фононов подложки. Эти полосы вызваны электронно-колебательными переходами между ЭКЦ и представляют собой эффект увлечения электронов фононами. Полученные результаты важны потому, что ранее эффект УЭФ наблюдали только при низких температурах в виде полосы с максимумом между 15 К и 39 К и только в монокристаллах германия. Новые данные об эффекте УЭФ в различных материалах при температурах Дебая фононов открывают возможности применения этого технического эффекта без охлаждения материалов.

Аналогами заявленного изобретения являются известные способы осуществления (создания) термоэдс. В аналогах изобретения обычно используют полупроводниковый или металлический твердотельный материал с электродами, образующими электрические невыпрямляющие контакты к материалу, создают между контактами разность температур не более 1 К ... 2 К, измеряют термоэдс, возникающую в материале между контактами [4, 5].

Известен также способ, раскрытый в работах [13,14], в котором используют полупроводниковый монокристалл Ge, размещают на его поверхности электроды, образующие невыпрямляющие контакты к материалу, создают между электродами разность температур величиной ≈1 К, нагревают материал от температуры ниже 30 К и измеряют температурную зависимость термоэдс, возникающей между электродами. Эта термоэдс в основном представляет собой эффект увлечения электронов фононами (при температурах не выше 70 К).

Аналоги изобретения не позволяют осуществить эффект увлечения электронов фононами при температурах выше 70 К и тем более при температурах Дебая фононов, которые обычно превышают 200 К, а в некоторых материалах они достигают 800 К ... 1000 К.

В качестве прототипа можно указать способ, раскрытый в публикации: В.А.Вдовенков, "Увлечение электронов фононами, обусловленное электронно-колебательными переходами в материалах", Известия ВУЗов, Материалы электронной техники, 2005, №1, с.65-70. В известном способе использованы образцы полупроводниковых материалов или слои таких материалов толщиной до 50 мкм на полуизолирующих или диэлектрических подложках с электродами. В образцы были введены электронно-колебательные центры (ЭКЦ). Между электродами образца создавали разность температур и измеряли термоэдс. Однако в известном способе не раскрыты все условия, необходимые для осуществления эффекта увлечения электронов фононами при околокомнатных и более высоких температурах (по существу, при дебаевых температурах кристаллических фононов).

Сущность изобретения.

Целью данного изобретения является создание способа осуществления технического эффекта увлечения электронов фононами при околокомнатных и более высоких температурах (по существу, при дебаевых температурах кристаллических фононов) в полупроводниковых твердотельных материалах и структурах между электродами, а также способов регулирования величины этого эффекта.

Такие способы могут быть пригодны для создания новых твердотельных электронных приборов с пониженным уровнем собственных шумов без охлаждения приборов.

Важной является и задача создания электрических контактов к материалу, не препятствующих существованию и измерению термоэдс и позволяющих пропускать через материал определенный ток или изменять электрический потенциал материала в приборах и устройствах.

Важной также является задача создания и регулирования разности температур в материале с помощью увлечения электронов фононами на основе использования межцентровых электронно-колебательных переходов.

Согласно пункту 1 формулы изобретения с целью осуществления эффекта увлечения электронов фононами (УЭФ) в полупроводниковых материалах или в слоях таких материалов толщиной до 50 мкм на полуизолирующих или диэлектрических подложках на поверхности или в объеме материала размещают электроды, образующие выпрямляющие контакты с материалом, например контакты Шоттки, выбирают расстояние между электродами (D) значительно меньше глубины проникновения в материал электрического поля (L), (D<<L), вызванного контактной разностью потенциалов, минимальное расстояние между электродами D_MIN=20 мкм, максимальное расстояние между электродами D_MAX=300 мкм, до, после или во время размещения электродов или до, после или во время создания зазора шириной D между электродами в материал вводят электронно-колебательные центры (ЭКЦ) в концентрации (N) от 2·10¹² см^-3 до 3·10¹⁷ см^-3, доводят температуру материала до температуры Дебая фононов материала, а в слое материала на подложке ее доводят до температуры Дебая фононов подложки, между электродами создают разность температур ΔT=(T₂-T₁), такую, чтобы большая из температур T₁ и Т₂ не достигала температуры плавления электродов, материала или подложки, а меньшая из этих температур должна быть меньше Т_m-2θ, где θ - полуширина полосы температурной зависимости увлечения электронов фононами, измеряют термоэдс между электродами, которая в данных условиях представляет собой эффект увлечения электронов фононами (УЭФ) в материале между электродами.

Согласно пункту 2 формулы изобретения электронно-колебательные центры вводят только в обедненную область материала или в примыкающие к электродам части обедненной области материала между электродами.

Согласно пункту 3 формулы изобретения в способе по пп.1, 2 с целью определения температур Дебая и частот Дебая кристаллических фононов материала выбирают ΔТ<θ, измеряют температурную зависимость УЭФ, определяют температуры максимумов этой зависимости (Т_m) и приравнивают их температурам Дебая кристаллических фононов, а частоты Дебая кристаллических фононов материала вычисляют по формуле

Согласно пункту 4 формулы изобретения с целью регулирования величины УЭФ в способах по п.2 устанавливают разность температур электродов (T₂-T₁) менее θ, (T₂-T₁)<θ, изменяют температуру материала между электродами как минимум в пределах Т_m±3θ.

Согласно пункту 5 формулы изобретения в способах по п.2 с целью регулирования величины эффекта УЭФ материал или часть материала между электродами освещают в спектральной области поглощения ЭКЦ или материала или в спектральной области поглощения и ЭКЦ, и материала и изменяют плотность освещения (I) в пределах от I=0 до I=N_с/(ατ), где N_c - эффективное число электронных состояний в зоне проводимости, α - коэффициент оптического поглощения, τ - время жизни электронов в материале между электродами.

Согласно пункту 6 формулы изобретения в способах по п.2 с целью регулирования величины эффекта УЭФ, что используют дополнительный полевой электрод или несколько полевых электродов, образующих выпрямляющие контакты к материалу между электродами (р-n переходы, контакты металл-полупроводник или металл-диэлектрик-полупроводник), прикладывают постоянные напряжения смещения между материалом и различными полевыми электродами или между различными полевыми электродами, изменяют величины напряжений смещения и манипулируют полярностями напряжений смещения.

Согласно пункту 7 формулы изобретения с целью регулирования величины термоэдс в способе по п.2 между материалом и одним или несколькими дополнительными электродами или между дополнительными электродами прикладывают переменное электрическое напряжение с амплитудой менее полувысоты потенциального барьера для электрона в контакте, выраженной в Вольтах, и с частотой акустоэлектрического синхронизма f=V/2W, где V - скорость звука в материале и W - толщина пластины материала, или V - скорость звука в слое материала на подложке и W - толщина слоя на подложке, или V - скорость звука в подложке и W - общая толщина слоя и подложки, изменяют частоту переменного напряжения в пределах от f/2 до 2f или изменяют амплитуду переменного напряжения, или изменяют частоту и амплитуду переменного напряжения.

Согласно пункту 8 формулы изобретения в способах по п.2 с целью регулирования величины УЭФ и уменьшения внутренних шумов в материале между электродами создают поперечное по отношению к линиям тока магнитное поле, напряженность которого выбирают в пределах от 0 до ,

где m - эффективная масса носителя заряда (электрона) в материале, k - постоянная Больцмана, - постоянная Планка, р - номер электронно-колебательного уровня ЭКЦ, переходы на который используют для осуществления УЭФ (р=1, 2, 3, ..., S).

Согласно пункту 9 формулы изобретения в способе по п.8 изменяют величину или направление или величину и направление индукции магнитного поля.

Согласно пункту 10 формулы изобретения в способах по пп.1, 2, 4, 5, 6, 8 с целью уменьшения уровня внутренних шумов УЭФ и увеличения эффекта УЭФ в материале между электродами создают постоянное магнитное поле с напряженностью от 0 до 2 Тесла, направленное параллельно линиям тока в материале между электродами.

Согласно пункту 11 формулы изобретения в способе по пп.1, 2, 7 с целью регулирования величины УЭФ в материале создают переменное магнитное поле и изменяют его частоту в пределах от f/2 до 2f, где f - частота акустоэлектрического синхронизма, или изменяют направление его индукции, или изменяют и частоту, и направление индукции.

Согласно пункту 12 формулы изобретения в способах по любому из пп.1, 2, 5, 6, 7, 8, 9 с целью получения дополнительной к ΔT разности температур между электродами создают вдоль линий тока в материале между электродами разность концентраций электронно-колебательных центров (ΔN) или разность концентраций электрически активных электронно-колебательных центров, измеряют величину УЭФ, измеряют дополнительную к ΔТ разность температур.

Заявленное изобретение характеризуется совокупностью отличительных признаков, а именно введением в материал определенной концентрации ЭКЦ, использованием выпрямляющих контактов к материалу, выбором допустимых расстояний между электродами, образующими эти контакты с материалом, размещением электродов на материале или в его объеме, выбором рабочей температуры материала, равной температуре Дебая одного из типов фононов материала или подложки, выбором разности температур электродов, возможностью регулирования величины эффекта УЭФ вплоть до его устранения за счет освещения материала или части материала между электродами, а также за счет наложения магнитного поля определенной величины и ориентации и изменением величины его индукции, использованием дополнительных полевых электродов, образующих выпрямляющие контакты с материалом между электродами, и манипуляциями напряжениями смещения, подаваемыми на полевые электроды относительно материала, изменением температуры материала, приложением между материалом и электродами электрического напряжения с определенной амплитудой и частотой.

Таким образом, заявленный способ осуществления эффекта увлечения электронов фононами соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявленного способа осуществления эффекта увлечения электронов фононами с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники не выявило технических решений, обладающих указанной совокупностью отличительных признаков. Это позволяет сделать обоснованный вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

Действительно:

Заявленный способ позволяет осуществлять эффект увлечения электронов фононами в узких температурных интервалах вблизи температур Дебая фононов, которые в соответствии с общеизвестными данными о температурах Дебая различных типов фононов в различных материалах могут лежать в пределах от 200 К до (800...1000) К. Таким образом, эффект УЭФ может быть осуществлен в материалах вблизи комнатных и при более высоких температурах, что соответствует цели изобретения.

К п.1 формулы изобретения.

Толщину слоя на подложке согласно экспериментальным данным устанавливают не более 50 микрон. При большей толщине слоя материала наблюдается существенное уменьшение величины УЭФ, в основном за счет шунтирования прилежащего к границе с подложкой слоя материала остальной частью материала, лежащей за пределами этого приграничного слоя, которая оказывается пассивной в УЭФ. Это возможно, поскольку фононы подложки проникают в слой материала не далее, чем на несколько длин акустических волн, что соответствует ожидаемому из расчетов и наблюдаемому на опыте затуханию фононов подложки в слое материала. При толщинах слоя (≈50 мкм) наблюдается ослабление полосы УЭФ при температуре Дебая фононов подложки, а при увеличении толщины слоя (более 50 мкм) происходит возникновение и усиление полосы УЭФ при температуре Дебая фононов материала, а вклад фононов подложки в УЭФ становится несущественным при увеличении толщины слоя материала.

Контакты и расстояния между ними.

Важным является условие, касающееся конструкции электрических контактов к материалу и их положения относительно друг друга. В этом можно убедиться, рассмотрев физические процессы вблизи контактов. На фиг.6 представлена энергетическая зон