Влияние коллективных эффектов и нелинейного колебательно-электронного взаимодействия на изменение твердости кремния в магнитном поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ВЛИЯНИЕ КОЛЛЕКТИВНЫХ ЭФФЕКТОВ И НЕЛИНЕЙНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНО-ЭЛЕКТРОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТВЕРДОСТИ КРЕМНИЯ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

© Н.Е. Корниенко, В.А. Макара, Л.П. Стебленко, А.Н. Курилюк, Д.В. Калиниченко

Киевский национальный университет, Киев, Украина, e-mail: [email protected]

Ключевые слова: нелинейные волновые и колебательно-электронные взаимодействия; магнитное поле; микротвердость.

Изменение микротвердости кремния при воздействии магнитного поля (МП) и СВЧ излучения объясняется нелинейным взаимодействием колебательных мод с генерацией высоковозбужденных колебаний и их сильным влиянием на электронную подсистему и химические связи. Обсуждаются различные факторы влияния МП на спиновые подсистемы.

Существование эффектов дальнодействия [1] при действии на кристаллический кремний малоинтенсивного светового излучения, ионов и электронов указывает на важность в этих явлениях коллективных свойств веществ. Изменения свойств конденсированных сред при действии слабых физических полей, в т. ч. магнитного поля (МП), характеризуются необычно большими временами —103—106 с, которые существенно превышают известные времена отклика и релаксации атомных и электронных подсистем. Уменьшение или повышение на 20 % микротвердости Н, а также значительное изменение скоростей образования и движения дефектов свидетельствуют о существенном изменении электронных состояний. В отличие от предыдущих работ мы связываем наблюдаемые эффекты с чувствительностью электронной подсистемы кристаллов к поведению спинов ядер и электронов в возбужденных колебательных состояниях. Последние генерируются в результате резонансных нелинейных взаимодействий термически возбужденных колебательных мод. Высшие колебательные состояния приближаются к электронным состояниям и стимулируют их трансформацию. Для сред со значительной долей примесей, выраженной внутренней наноструктурой, включая дефектную и дислокационную, нелинейные восприимчивости существенно повышаются. Это связано с возрастанием ангармонизма колебаний околопо-верхностных и межграничных атомов и особенностями электронных состояний этих областей.

Необходимость пространственного накопления таких нелинейных процессов естественным образом объясняет большие времена воздействия слабых полей, а также длительную релаксацию наблюдаемых изменений. Это открывает новое направление изучения принципиально новых свойств конденсированных сред, для которых характерны коллективно-нелинейные свойства колебательных возбуждений и сильные колебательноэлектронные взаимодействия.

Мы изучили воздействие постоянных и переменных МП с величиной индукции В = 0,03; 0,2 и 0,4 Тл и от-

носительно слабого СВЧ излучения 38^53,0 ГГц (X = = 6^8 мм) мощностью до 10 мВт на монокристаллы кремния с различным содержанием примесей. Время СВЧ облучения и действия переменного МП (50 Гц) изменялось от 1 мин до 2 ч, а постоянного МП - до 300 суток.

Проведено сравнение уменьшения микротвердости Н(ґ) при действии постоянного МП и микроволнового излучения. Существенно, что для установления значений Н, на 20-25 % меньших начального значения Но, время СВЧ воздействия составляет ~102 мин, а для постоянного МП - около 10 суток. При одинаковых конечных результатах это подтверждает важность кооперативного характера протекающих процессов, который усиливается при когерентном внешнем воздействии. В случае МП наблюдаемые изменения можно ап-роксимировать функцией Но-АН[1-ехр(-1/т)], где АН = = (0,2- 0,25)Н0 и ' т = 3,45 105 с, а при СВЧ воздействии лучшее приближение дает двухэкспоненциальная зависимость с характерными временами т1 = 1,63 102 с и т2 = = 2,95-103 с (т12 < т). Релаксационные процессы при прекращении воздействия происходят более медленно при более длительном полевом воздействии. Отметим, что, несмотря на значительные отличия в длительности воздействия СВЧ и МП, релаксация наибольших изменений Н происходит почти одинаково с характерным временем т ~ 3-106 с, что согласуется с развиваемой концепцией. Волновые механизмы развития процессов могут приводить к усилению изменений после окончания воздействия, а также немонотонным изменениям Н во времени. Наблюдалось также удлинение трещин ~13 %, что связано с затруднением движения дислокаций. Повышенная нелинейность среды при действии МП объясняет и усиление диффузии примесей в области дислокаций и поверхности. При этом уменьшение Н соответствует повышению эффективной температуры и размягчению структуры кристалла.

В резонансных условиях высокие коэффициенты нелинейного преобразования возбуждений могут на-

блюдаться при умеренных интенсивностях волн и даже при термическом возбуждении [2, 3]. Необходимые условия фазовых синхронизмов легко реализуются в результате резких изменений дисперсии вещества в области резонансов [3]. Нелинейное возбуждение высших колебательных состояний индуцирует сильное колебательно-электронное взаимодействие и перестройку электронных состояний. Изменение электронных состояний кремния подтверждается наблюдением индуцированных электронных полос в запрещенной зоне и изменением параметра решетки Да/а — 10-5, определяемой по рентгеновской дифракции. Рост в МП (т = 2,85-105 с) коррелирует с уменьшением Н и возрастанием коэффициента затухания СВЧ излучения а (—25 %).

В рассматриваемых изменениях структуры кремния влияние МП проявляется в различных энергетических областях: 1) в предельно низкочастотной области в результате зеемановского расщепления спиновых состояний, что может изменять общую фононную динамику; 2) в колебательной области частот наличие МП приводит к изменению симметрии среды и активности нелинейностей более низкого порядка; 3) наиболее сильное влияние МП в высокочастотной области, близкой к электронным уровням. Здесь проявляется колебательная неустойчивость кристаллов и повышенная чувствительность их структуры к спиновым эффектам. Здесь можно выделить несколько механизмов: 1) ориентация ядер 29Б1 в МП в неравновесном возбужденном колебательном состоянии неизбежно ведет к перестройке электронных состояний; 2) взаимодействие приложенного МП с магнитными моментами приводит к заметному усилению триплет-синглетной спи-

новой конверсии, которая различается для изотопов 28Б1 и 29Бц 3) различия скоростей диффузии в основном и возбужденном состояниях и другие факторы могут приводить к пространственной неоднородности поверхности кремния, что подтверждается данными ЭПР. Таким образом, существование неравновесного колебательного возбуждения и его сильное влияние на электронно-спиновую подсистему объясняет радикальное влияние магнитных полей на свойства конденсированных сред.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тетельбаум Д.И., Пантелеев В.А., Гуткин М.В. // Письма в ЖЭТФ. 1999. Т. 70. Вып. 6. С. 381-385.

2. Корниенко Н.Е. // Квантовая электроника. М., 1985. Т. 12. № 8.

С. 1595-1601.

3. Корниенко Н.Е., Гречко Л.Г., Задорожный В.И., Федорченко А.М. // Оптика и спектроскопия. 1983. Т. 55. № 2. С. 209-211.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Korniyenko M.Ye., Makara V.A., Steblenko L.P., Kuri-lyuk A.M., Kalinichenko D.V. The influence of collective effects and nonlinear vibration-electronic interaction on silicon hardness change in the magnetic field.

The silicon microhardness change at influence of a magnetic field (MF) and super-high-frequency (SHF) radiation is caused by nonlinear interaction of vibration modes with generation high excited vibration and their strong influence on an electronic subsystem and chemical bonds. Various factors of MF influence on spin subsystems are discussed.

Key words: nonlinear wave and vibration-electronic interactions; a magnetic field; microhardness.