Origin of mechanical and dielectric losses from two-level systems in amorphous silicon

材料科学 介电损耗 电介质 无定形固体 凝聚态物理 悬空债券 损耗系数 复合材料 光电子学 结晶学 物理 化学
作者
M. Molina-Ruiz,Yaniv Rosen,H. C. Jacks,M. R. Abernathy,Thomas Metcalf,Xiao Liu,Jonathan Dubois,F. Hellman
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (3) 被引量:5
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.035601
摘要

Amorphous silicon contains tunneling two-level systems, which are the dominant energy loss mechanisms for amorphous solids at low temperatures. These two-level systems affect both mechanical and electromagnetic oscillators and are believed to produce thermal and electromagnetic noise and energy loss. However, it is unclear whether the two-level systems that dominate mechanical and dielectric losses are the same; the former relies on phonon-TLS coupling, with an elastic field coupling constant, $\gamma$, while the latter depends on a TLS dipole moment, $p_0$, which couples to the electromagnetic field. Mechanical and dielectric loss measurements as well as structural characterization were performed on amorphous silicon thin films grown by electron beam deposition with a range of growth parameters. Samples grown at 425 $^{\circ}$C show a large reduction of mechanical loss (34 times) and a far smaller reduction of dielectric loss (2.3 times) compared to those grown at room temperature. Additionally, mechanical loss shows lower loss per unit volume for thicker films, while dielectric loss shows lower loss per unit volume for thinner films. Analysis of these results indicate that mechanical loss correlates with atomic density, while dielectric loss correlates with dangling bond density, suggesting a different origin for these two energy dissipation processes in amorphous silicon.
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