Эффект Джозефсона на искусственных межзеренных границах в пленках Y1Ba2 Cu3 O x тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

^ РОССИЙСКАЯ АКЛДЕШЯ МУК

ИНСТИТУТ КРИСТАЛЛОГРАФИИ им. А.В.ШУБНИКОВА

На правах рукописи УДК 538.945

ЦАЯЕНЧУК Александр Янкелевич

ЭФФЕКТ ДГОЗЕФСОНА НА ИСКУССТВЕННЫХ МЕЖЗЕРЕННЫХ ГРАНИЦАХ В ПЛЕНКАХ У1Ва2Си-;0_

Специальность: 0I-.04.Q7 - "Физика твердого тела"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1993 г.

Работа выполнена в Институте крастадлогрефеи им. А.В.Шубштова РАН

Научные руководители:

кандидат физихо-ыагбйатнтаскпг наук Е.А.Стецанцов доктор фйзико-натематаческзх наук В.И.Алшец

Официальные оппонента:

доктор фвзико-иатематичвских. наук Н.В.Заваршдшй доктор физико-иатвматичагоап: паук ©.А.Чудвовский

Ведущая организация: Институт физики твердого тела РАН

Зшцита состоится *й* <1Ш/д/Ш 1993 г. в ¿г, часов на заседании стациализярованЕаго совета при ИК РАН по адресу: г. Москва, Ленинский пр., 59.

С диссертацией когно ознакомиться в библиотеке ИК РАН Автореферат разослан "_* ._ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-мвтеыатичэ ских неук.

В.Ы.Каневский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. С момента предсказания в 1965 г. и по сзЗ день э®окт Дпззефсона остается одним из санях красивых явлэниа фззпки твердого тела. Эффект состоят в всзмояности протекают сверхпроводящего тока ноаду двумя сверхпроводника®*, разделенными достаточно тонкой несвэрхпроводаей прослойкой (диэлектрической, s-1-s, металлической, s-N-s или полупроводниковой, s-so-s). При этом плотность бездассшативгого тока ограничена кргтатасксш в8личшой 0о, кеяьшой, чем у nmzzz с&брХПрОВОДНЕКОВ, и являщэ&ся тярнктсрнотикоЗ данного перехода (стецконарныа вф£»к?). Прл превышении критического тока на костисто Еозг^ясват падение напрягеппя V, и он начинает излучать электромагнитные волны о чвстотой 2eV/h (шстоццонарпнй аффект).

Открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости (1986г.) еще 6ольев укрепило интерес к этому явления и кок' к мощному инструменту изучения природа ВТСП, и кшс к основа для будущих активных элементов для электроники. С того времена появилось мнопостао работ, в которых списана свойства различных искусственных ВТСП дкозефсоновских переходов. К тому зэ шяснилось, что природа сама создала деязефсоновскив барьера в ВТСП материалах в вадэ естественных йвззвренннз: грзшц (ШГ). К сожалению, т агате переходы otíiraio далеки от идеаяьннх и к тему ез пх свойства плохо воспроизводимы. Более перспективным типом ВТСП даозефсоновсккх переходов представляются парохода на искусственных межзеренкшс границах в ВТСП пленках. В частности, такие граница образуется при эпигаксиальнсн росто пленки па бикристаллпческоа годяояко (см., шшркмор, обзоряув стать» Чзудхври [1], в которой содержатся ссылки на дряпетаяьяыа работы). Этот способ очень удойэн для исследований, так как позволяет, в принципе, создавать единичные плоскиэ M3F с заданной разориентацией. Однако ранее не удавалось добиться однородности КЕТ в пленке, что, по-видимому, было обусловлено несовершенством методик создания бикрясталлическшс подложек.

Около десяти груш в мире, включая наиу, работает ннно над созданием и изучением свойств таких переходов. К настоящему времени исследованы многие вветнэ закономерности проявления аффекта Дкозефсона на границах, в результате чего начинает вырисовываться общая картава транспортных сеойств," проясняется

срзродв образования слабых связой на {¿¡ЗГ. Определенный прогресс достигнут в создании некоторых устройств, пспольэуиют!: такие дзозбфсоыовскпе перехода, и в первую очередь сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВВДов).

Цель работы. Проведение данной работы преследовало следущие

дали:

- отработать юэтодеки создания искусственных. даозефсановетшх переходов в ВТСП пленках на Оикрастелличэских нодаопсах и исследования кх транспортных свойств;

- изучить заковокоршст проявлений йффокта д-эдзефсона на таких переходах и спязвть их со структурой шкзерегшнх границ;

- использовать получешув в ходэ исследования информация о свойствах пароходов для создания конкретного устройства -сверхпроводящего квантового интерферометра (СКЩЦа) и оптидизащш его параметров.

Научная шнгш работа, В результате проведанных исследований впзрша топутены следуют® результата.

3. Отработана мэидасв создания дазэфооневгазк переходов на искусственных иркаорэиша границах в пленках У^а^с^О^, которая шзвожлз добиться высокой степени однородности даоаэфаоЕСПСКОго барьера и шыфчигь качественно ноенэ результаты.

г. Проведаю свогашягевсжое исследование сш-кьярнчинх и гасишэтрнчвк^ ШЕзореЕных границ наклона в пленках Х^Ьа^Ои.^^, иотороэ подтвердило, что такие граница образует слабые связи дая протекания 'сверхпроводящего тока. Свойства границ отделяется углом разараептац;ш аерап, причем критический ток ».'вазеракной гршгщн вкешшкцишшю у?.зньиЕегея с увеличением угла.

3. Ваянлвя низкотемпературный (6 К) максимум на температурной ввшоимостг хркпгюского тока шкааиетричаой мажзераниай границы с утлом разориентвцик 6=45°. Обнаружено такгэ, что в электрическом пале ПАРАЛлеладом оси с пленки возрастает критический ток такой границы. Показано, что такое поведение, в принципе, может быть объяснено полупроводниковыми свойствами приграничной области. Вздвинута гипотеза о том, что слабая связь образуется в результате обеднения кислородом окрестности мекзерэшгай граница.

4. Исследованы единичные («'31' в пленках УВаСиО, локально легированные калезам. Обнаружен аффект их старения, состоящий в

трзнсфорлацин слабой связи, обладаний джозэфсошвскЕкя свойствами, в шсокосглшй переход, в которой наблзэдгется одночастичное элэктротгоэ туяшляроват®. Иа этой стадии зволвдзп? перехода выявлена аномалия туннельной провддтаостя, связанная с сильным структурным разупорядочешем в барьере.

Практическая значимость рас!отн:

1. Выявлен оптимальный угол разориентацип в кожгэреппоа границе (0=32°) для создания СКЗЯДов. Изготовлены устройства с воспроизводимым параметрами, работащнэ при азотной тешяретурз. По своим рабочим хараеториспгеа«, з числа по уровню шумов, сет превосходят известные аналоги.

2. Полученные в исследовании: данные, в частности, о зависимости критического тока границ от утла рапориентецки верен, позволяют описать свойства гранулированных. ВТСП планок как эффективной даозефооновской среда, определяют ршжи их применения в сильноточных устройствах и указывает пути улучшения их параметров.

3. fía шдаэтрячной границе с углем разворота репвтек 9=9° получено значение характеристического напряжения 1^=0,9 мВ при 77 К, что открывает перспективы щшшнэния таких переходов в СВЧ устройствах, рзботащкх па частотах до 0,4 ТГц.

4. На искусственной "ЙГ с 6=45° в пленка VBaCuQ создано шганарное трэхэлоктродгое устройство, позволящэе регулировать критический сверхпроводника ток через слабую связь изменением' напряяения на изолированном затворе. Наблюдавшийся эффект повышения критического тона на границах с углом рвзоривнтацйи 8=45° во внешнем электрическом поле мозгат Сыть использован для создания ВТСП джозефсоновских транзисторов.

5. Обнаруженный эффект старения легированных М2Г важен для технологии изготовления сильноточных ВТСП проводов.

Апробация работы. Научные результаты, составляйте содержание., диссертации, докладывались и обсуадались на следущих конференциях.

Конференции по физике конденсированного состояния, Студсвик, Швеция, 1990 г.; Третьей международной конференции по сверхпроводниковой электронике, Глазго, Шотландия, 1991 г.; Конференции "Устройства на сверхпроводникоЕЫХ и квантовых эффектах и их применения", Берлин, ФРГ, 1991 г.; Третьей

мввддтродной конференции по материала:.! и механизмам высокотемпературной сверхпроводимости, Каказава, Япония, 1991 г.; Конфэренции то высокотемпературной сверхпроводимости, Стокгольм -Турку, Швеция^шляндая, 1991 г.; Симпозиуме по сверхпроводшости Объединенной международной научной конференции, НиОорг, Дания, 1993; Конференции "Передний край электронной микроскопии в иагериоловедениг", СКлевд, США, 1992; Международной конференции ш сверхпровсдажсти, Пекин, КНР, 1992; Конференции-по прикладной сверхпроводимости,.' Чикаго, США, 1992; Научной конференции сотрудников Института кристаллографии АН СССР, 1991 г. '(премия пл. Н.В.Еелойа); семинарах ЖАК, ФЕИ, ИФГГ и Технологического университета Чалкерса, Гетеборг, Швеция.

Публикации. По тема диссертации выполнено 9 печатных работ, отражающих основное содержание исследования.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит кз Еведэния, семи глав и' заключения. Диссертация содоркит 123 страницы мвзшношкщого текста, 34 рисунка, I таблицу и список литературы, вклвчащкй 156 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введзшш обосновывается актуальность выбранной теш, определяется предает исследований и приводится краягий обзор содержания диссертационной работы.

■Пэтаая глава представляет собой обзор литературы, в котором рассматривается современное состояеш теории изучаемых явлений, анализируются результата предшествующих экспериментальных исследований.

В первом разделе глзва приводятся некоторые данные о структуре и особенность: физических свойств высокотемпературных сверхпроводников, оСсувдввтся метода и материалы, применяемые для синтеза ВТСП.пленок.

Во втором разделе кратко рассмотрены основные продставления теории стационарного и нестационарного эффектов Дкозефсона, необходимые для корректной интерпретации экспериментальных данных. Особое внимание в разделе уделено квантовым интерференционным эффектам в одиночных дшзефсоновских контактах и СКВМДах. Обсуждены особенности проявления этих эффектов в ВТСП.

Третий раздел содержит обзор результатов, полученных па даозефсонопскик элементах различных типов. Отпячено, что оснокглэ закономерности проявлетгия эффекта Дпоззфсопз из ВТСП совпадает о известными та экспериментов с НТСП. структура,га. Теорэтическоз описание и практические применения большинства из этих переходов наталкивается на большой разброс экспэрженталыягх данных об их свойствах, вызванный несовершенством исслодувмых структур. Ситуация' осложняется п прянципиадьЕкма трудностями в интерпретации экспериментальных данных, связанными с особенностями свойств ВТСП. Тр.* например, теория предсказывает подавление пвраметра порядка дазгэ . на идеальной границе ВТСП-диэлектрик, связанное с кэлой достой когерентности. Из-за этого вблизи т в 3-1-3 контактах возникает такая ге как в переходах Б-и-э .типа зависимость з0 <х (1-т/то)*- шеста привычной линейной.

Четвертый раздел посвятцоп описания способа твердофазного сращивания кристаллов (ТФС) [2] (Стеяалцсв Е.А., 1982), позволяющего • создавать очень соворазгаза» бикрястоллы с произвольной разориантацЕэй, которыэ могут быть использованы в качестве подложек для ВТСП пленок."

Обзорнуп главу завершает разделы, в которых рззпафоввна осноаныа полонешгя лртобзора, обоснован • гыйор объектов исследования и сформулирована постановка задачи.

Вторая глава посвящена описапиз использовавшихся, экспериментальных нэгодик. '-Банристгшш создавались твордофазжм сращиванием двух монокристаллов стайллазировзяного иттрием окекдэ циркония Zv0o, развернула друг относительно друга на угол 9 вокруг оси [001]. Из бикристаллов шразались' годлекки с рабочей поверхностью (001) площадью 5x5 ми2, толщиной 0,5 мм (рис. 1а). Методом импульсного лазерного осаадония выргщтаалвсь плата УВаСиО толщиной 250-300 им. Структуре пленки исследовалась с помощью рентгеновской дифрактометрли, растровой злектронной микроскопии (РЭМ), сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), просвечивающей электронной микроскопии ■ (ЮМ), романовской спектрометрии.

Для исследования электрических свойств с помощью фотолитографии и аргонного травления на пленке создавалось несколько микромостиков шириной <1=4 гад, причем некоторые из них

располагались вдали от бщсристалличгэской граница, а другие пересекали ее (рис.16). Возможность независимо измерять характеристики шутризервыного и мекзеренного транспорта является осяозополагавдш пунктом методики. Изучались вольт-амперные характеристики (ВАХ) и динамическое сопротивление как функция напряжения в зависимости от температуря, электрического и магнитного полай. Все измерения проводились чэтырехзондовым методом с использованием техники синхронного детектирования.

Третья глава посвящена обсуждению структуры пленок на бикристаялкчаских подаошах. Рентгеновскал дафрактометрия (6-28 и ф— сканирование) показала, что гигаиха растет эпитаксиально на каадой из мошкристаллячвсккх частей подлокки, причем [001 ЗузаСид 3 [001]уз2 и Ню]тааСи0 | Иоо]те2. Содорязние кислорода х в пленке У^а^си^о^ по данным рвмановской спектрометрии (положение пика на 500 см-1) близко к ?. В РЭМ поверхность пленки выглядит довольно гладкой, однако на ней видны частицы размером порядка 200 нм, равномерно, распределенные с плотностью I чзстаца/мкм*'. Нз изображении, полученном в СТМ, параду с. частицами различимы винтовые дислокации. На микрофотографиях с разрешением порядка I нм, полученных в ЮМ, выявляется двойниковая структура с

границами, параллельными (110) или (НО), и средним расстоянием между неми около 10 нм.

Рис. I. Мехзеренная гранит в подложке (а) и 6 пленке (О). Б1,34 и 22,35 - мшра&остши вля изучения бнутризерешаго и лехаереююго транспорта, сошветстЗенно; 33 - СКВИД

Судя по картинам электронной дифракции, а также по ориентации двойниковых границ на Сикристаллической границе пленка меняет ориентацию на угол 8, равный углу разорионтации границы

ТФС в подложке. Тагам образом, пленка наследует из бикристаллической подложки искусственную межзоренную границу. Структура искусственной МЗГ выявляется на микрофотографиях с разрешением 3 а . Толщина нарушенной области вокруг' МЗГ не превышает 10 д.

Граница с несимметричной разориентацией 45° в пленке отклоняется от прямолинейной границы в подложке с амплитудой порядка 15 нм и периодом около 200 нм. Этот период соответствует размеру субзеран в пленках Увоо. о:г возникает, по-видимому, при срястаплл близко ориентированных островков. Рзстугцие островки могут и пересекать плоскость границы. Возникающее при этом ориентационное соотношение [Ю0]увс0 || [юо]-увсо. как известно, наблюдалось в полукристаллических пленках. Вероятно, в случае бикристаллов с иными углами разориектацют взаимодействие с подложкой запрещает растущим островкам пересекать плоскость границы подложки, и образующаяся в пленке граница строго следует прямой линии.

В четвертой глдеэ изложены особенности электрических свойств межзеренвых границ с разными углагуш разориентоцпи. Вдали от бикристалшгееской границы основные параметры пленки такош: температура перехода в сверхпроводящее состояние Т0Ш=0)=-В7-89К при ширине перехода дг0«зк. При повышении температуры от тс до комнатной сопротивление линейно возрастает и отношение К(300К)/Й(Ю0К) = 2,7-2,9. СВЧ сопротивление из(21,5ГГц;4,2К) » 0,37мк0м, а плотность критического тока о'0=(2-5)хЮбА/ст2 при Т=77К. На основании этих данных, а такие результатов исследования структуры (глава 3) можно сделать вывод, что участки пленки, не пересекаодие границу бикристалша, ке содержат естественных слабых связей.

Поведение искусственных межзервшшх границ зависит от угла разориентации 9.

ВАХ малоугловых границ (9<15°) похожи на ВАХ монокристаллических пленок, хотя величина критического тока 1с и заметно нижа (рис.2а). При токах больше критического наблюдается переход в резистивное состояние, причем динамическое сопротивление ет/си неуклонно возрастает при увеличении тока. Главное отличие от областей плети, не содержащих границ, проявляется на ВАХ малоугловых границ при облучении их СВЧ

излучением частотой I. В это:« случае на ВАХ появляются отчетливые ступени тока (ступали Шапиро) при напряжениях, кротких Ь£/2е, пзблвдаеше вплоть до третьего норядка при Т--77К, что является свидетельством нестационарного Е$фзкта Дкоззфсона. Максимальный сзэрхток при 7=0 уменьшается при увеличении СВЧ косности, однако ого не удается подавить до нулл.

Роеистзвейе участок

3£Х .больиэугловцх грашщ бхнвок к 110е9дэяшв, олгсц-гаэкоцу шдэльв passcTirana вуширсвакнсго горзхода с учетом терпче екас флукту-ЕЦЕЙ (рис.26). Их критической тек значительно ниже I наяоуглошх гравзд, а

4000

3000

2000

1000

Напрйжение[мО]

келетша нормального сопро-гавлания Р^, определяемая по постоянному значения да-екййчэсного соггроксымшш, составляет несколько десяти: Огл. СВЧ ойпученкзм гак-го добиться колкого «c4q3-Еоаения вертикального учас-йш при ну лево!,5 напряжении. Прз 77 К насшщается но бота трех ступеней Шапиро. s ш еэ наЗлэадали наел- J сэяня зависимости яркгачас- g кого тока №Г при больших углах разоркеятецик зэр'он, оОнврукенкого в ранних работах Димоса с соавт. [31-Тщательные измерения показали , что з0(6) приблизительно экспоненциально спа- Foc. дает с увеличением 6 (pic. (а) 3). Этот результат находит границ под воздействиел подтверждение в более шзд- СВЧ излучения.

400 г

зсо

200

100 г

0.16

Напряжение[мВ]

2. ail лсиоугловой и йолъшеугловой (б)

0.2

них работах Гросса £4] и ставит под сомнение интерпретации джозефсоновских свойств МЗГ на основе дислокационной модели [33.

Пятая глава посвящена макроскопическим квантовал интерференционным оффоктам, наблюдавшимся в слабых магнитных полях на одиночных и двойных параллельных мостиках, горэсйкаюйрх ЮГ.

При фиксированных токах смещения 1с;!«1,51 падение' напряжения 7 на квягзерекной ' границе зависело от величава

магнитного поля я . В больна угловых границ*!!

Т=77 К

-е- - ------•------------- - г-------— -•'К-»

наблюдалось затухашгя по мере увеличения магнитного поля осциллирующая зависимость "У(н) с посколькияи Ооксвилп максимумами, аналогичная картинам фраунгофэровснсй дифракции в оптике (рис.46). По данным измерения?!! можно сделать вывод о высокой степени . однородности искусство иной меззерошюй границы. Они никогда но наблюдались ранее, по-видимому, из-за навозмокност-г правде создания однородного перехода в ВТСП пленке. Следует отметить, что на наших 45°-грзницах наблюдалась картина, соответствующая сильно неоднородной граница, а в малоугловнх границах (9<£0°) можно было наблюдать лишь центральный минимум.

ю'

С

1

1 о5 |

1 О'

10'

,3 I

, 1 , 1 о

-Д.. 20

Т=7Т К

30

л "

40

50

Угон разориентации,6

РШЗ. 3. Зависгиосшъ притока ста угла е

Две слабые связи, включенные параллельно в сверхпроводящую цепь, образуют СКВВД. Ксслэдоватсшэ нами СКВЭДы состояли из микромостиков шириной а=4 ккм, которые образуют заглгоутый контур, охватывающий площадь 5=50x5 мкм2.

O.Ol

O.OOS

о X

-0.02

-0.04

_ 1 ' ' 1 ' 1 1 1'1 i' 1t ' ' '. —— nopexoa .

nftpexofi ß СКВИДа •

f :

' : : : . i < i., i i . i

-0,3 -0.2 -0.1 .0 0.1 0.2 0.3 -60 -40 -20 0 20 40 60

Магнитное поле [П Магнитное поло СП

Рис. 4. Зависилосш напряжения на слайих с вялят ога мхгнишога поля параллельного оси о при. пасшсяююл тане сявщ/гкия Icjl=1,5Ic: -iozKuimtoe поле прониксшт в котур СКВИДа (а) и в слабые связи (О)

Наиболее сильный эффект наблюдался на 32°~СКВДДах. При 77К критический ток СКВДЦа составлял 40 мкА, а нормальное сопротивление около I Ом, что определяло характеристическое напряжение 40 мкВ. В малых шлях наблюдалась близкая к синусоидальной зависимость ?(не) и практически постоянная амплитуда осцилляпий около 12 мкВ (рис.4а). Параметр гистерезиса

о

на превышал 1,8x10 при г=77 К. При увеличении амплитуды Енаашаго магнитного поля огибающая напряионий постепенно изменялась и, наконец, с&л: начинала осциллировать с большим периодом к зетухатаэй не ш.*® кдаястудой. Вся картина повторяла шведэнав квздого из гврехедов СКВИДа в мвгштном поле (рис.46).

•йакбрвниз спактрб яунвз такого ОКВДДв црг различных температурах показе та, что 1/t ссст№лтп.ая шума ииевт минимум хцш 85 к (s^i ,5x1 о-5 С9|/Тц ар;: 10 Гц). Oha возрастает кгк при шшявашвг тошэратург из-за флуктуацяй кзкптскэгс тока в слабых связях, так и в шггервапэ 85£«<89К, вероятно. вследствие движения потока в пленке.

Приведенные дашшэ СЕИдетольствуыт, что созданный наш СКВИД на 32-градусной нестамэтричной искусственной граница являлся лучшим на момент опубликования из известных нам по литературе ВТСП интерферометров.

Сравнивая периоды осцилляций СКВИДя так/Ф и одиночной слабой связи гтснаА^/Фд можно определить ллдоновскуго глубину А.^ проникновения гшикткого шля в пленку параллельно а.-&, которая оказывается разной 230 ил при 77 К. Глубина проникновения поля в

дкозефсоновасий переход зависит от его критического тока:

/ [ 1 бтсеЯ^з о I. С учетом известной зависимости критического тока от угла разориеятациж границ (рис.3) мокно сделать выеод, что при заданной ширине микрошстнков (4 шм) в болыпеугловыа грошщы (в>15°) внэшэе магнитное поле проникает однородно (узкие перехода), а в малоугловке - в виде даозефсоновскпх вихрей (широкие перехода).

В дзетой главе рассматриваются результаты, получении» па межзеренпых границах с 8=45°. Подчеркнем, что из-за интенсивного двойниковаяия в плоскости ей пленки этот угол разоряентацип

Т[К]

■Рис. 5, Иеяонстонжзя завг&шастъ крхтчеокого тана от талявракуры для ЫЗГ а разориеитацией 45°. Эксперижетепсиъные Сонные сраениваххлеи о тъораей Б-Ба-Б перехода.

явл.чется мзкепмашви. Как уяэ говорилось вше, в отличие от переходов на МЗГ с друп?/.: большими углами разориентации эти грзняш являются сильно неоднородными. Моделирование распределения тока в пзреходе по зависимости 10(Н ) показало, что ток сосредоточен в узких областях перехода, каналах, стрпнея порядка 150-200 км, которые разделены пяохопроЕодящимй участками шириной примерно 800 ни, причем сами каналы имеют разную величину критического тока. Эти данные находятся в хорошем соответствии с результатами Латропа с соавт. 151-

На гакисимости кряггетеского тока от температура паблвдался

максимум при ТМ=6К, абсолютно воспроизводимый даже после отогревании образца до комнатной температуры (рис.5). Немонотонная температурная зависимость критического тока наблвдалась ранее Лин с соавт. в керамике [6] и Кузнецовым с соавт. в бикристаллах [71 В&РЦ „^Ех^ (ТсмЮК). Такая зависимость Шла теоретически предсказана ИцкоЕичем и Шехтером 18] для переходов Б-Бо-Б, где Бе - полупроводник близкий к вырождению. Шда$ицировав эту .теорию для "грязного предела", нам удалось точно аппроксимировать экспериментальные данные во всем диапазоне температур от 1,5 к до г . Существенно, что подгонка проводилась по единственному параметру, причем входящему в выражение для линейно. В рамках этой модели могло оценить

толщину полупроводниковой прослойки, которая оквзываэтся равной 10 1г,;. Воз"оглой причиной возникновения такой прослойки является настехЕометрля приграничной области. Недавно Цу с соавт. [9] методов локальной спектроскопии энергетических потерь электронов удалось выявить обедненнув кислородом прослойку точно такой гашрщ вокруг ыекзврэнных границ в ВТСП поликристаллах.

Благодаря низкой ютщентрации носителей заряда (слабому экранированию) внешае электрическое поле кокет проникать в тойота пленки ВТСП. Дополнительного ослабления экранирования можно добиться, используя слабые связи с шнызей, чем у объема, концентрацией носителей. К тому же, если эта слабая связь является даозефсоновским контактом, шетю получить принципиально новый тип устройства - даозэфсоновский ВТСП транзистор. ш исследовали ату возможность, используя в качестве слабой связи искусственную мэкзеранную границу. Для этого на поверхности пленки над границей с 0=45° был создан изолированный электрод -затвор (аморфный ВгТ3.03 толщиной 300 нм - сэреОро). Приложение к нему положительного напряжения У„=8В приводило к увеличению критического тока на 70%. Заметим однако, что основное увеличение 10, порядка 40л, происходило при относительно малых у2<0,5 В. Крнтток незначительно уменьшился (Ь%) при подаче отрицательного напряжения на затвор В. Все изменения происходили при малых

смещениях перехода С''с_к) - На ВАХ практически не било изменений при напряжениях сток-исток, близких к ХдНд- Ток утечки был много меньше величины обсуждаемого эффекта. Этот факт, а таюие то, что наибольший эффект наблюдался при относительно малых позволяет

сделать вывод о полевом характере эффекта.

Элентрячосяоэ гола ш охпз:пзсет зп.'этного влияния ш свойства границ с другая! угла?,я разорпентацпя, а теге-э сктатричной границ«.

По крайней гзре, по трем пунктам поведение созданных трехэлэктродгшх устройств отличается от полевого гффэкта в очень тонких пленках ЕТСП: яаблэдалэсь увеличение, а не уменькэлзв 10 прл полргзггольпс^л нояряюшт на затворе; всэ .тананзния па В-Г*' локалг!зовпл в области калых смэяеяий капала , в то

зрета как в таз*аж пленках электрическое пола свежеет МХ кзя целое; е;Хшст прояяляофя пра пашх та, иэсгютрл на то, что а нггрм случбэ гзоляторзн сязггт аморЗяый титанот стронция с дтг? лектрачгс^сй яронкцаемостьо с, собственно кекьсва, чем у кристзлличв ского.

Предзолозягально, вффект основан на модулировелки нолсгз концентрация носителей а полупроводниковой слабой связи.

В седьмой глвг?е описаны свойства пленок на бшфшзтаялачэскпс подгоясах, границы которых • содержат пригаси. В шмеюя, шращепнух па подложках без разорионтации, но содэртак^п: прссхойку гвлэза толщиной около 50 нм, а татае в образцах с кегзврвншкя граница?.® с прослойкой инертного материала, плэткен, той не тоящйш, не были обнаружены слабые связи как-лпйо связанные с этпми прослойками, н их свойства нэ изменялись о течением времени.

Поведение обрезцов с легированными вэлезои 22 п 45°-грашщаш шало сощрпэвнэ другой характер. Па них наблэдадся старения, ЗЕвишчпптдйся в постепенной трансформация .т.с^ейсоповсяоа слебо! связз в васокоомвна переход, в которой возыомга лхш» одеочос-лгшоэ туппэлировашэ.

Сразу после изготовления 22°-оброзцов ВАХ соответствовала модели- рэзнстпвпо аунт-фовашого даозефсоновсжого перехода. При токах значительно вайе критического дннамичвскоо сопротивление с1У/с11 выходило на постоянное значение 1^=200 См, нормальное сопротивление перехода. Из периода зависимости критического тока от внешнего магнитного ноля была оценена эффективная сирина перехода, которая оказывалась равной 15 нм. Плотность крнтического тока и удельное нормальное сопротивление совпадав™ с параметрами чистых границ. Таким образом, мы имеем узкий чистый

канал в трехмикронном мостика.

Переходы, созданные на 45° границах с Ре, вели себя в целом аналогично. Интересно, что в магнитном поле выявлялись неоднородности, характерные и для чистых МЗГ с тем же углом разориентации, но ширина каналов была значительно меньшей. Зависимость кригтока от температуры, однако, была монотонной и внешнее электрическое поле не влияло на его величину, откуда кожно сделать вывод о том, что диффузия велеза в первую очередь подавила именно "полупроводниковые каналы".

В результате термоцшслирования меаду температурами жидкого гелия и комнатной переход еще сузился. Июле нескольких циклов изменения температуры микромостик перестал проявлять свойства джозефсоновского перехода.

ВАХ, отрзаащая эту стадию эволюции перехода, представлена на рис.6. Вблизи начала координат заметна область повышенного сопротивления Н0- На данной зависимости не обнаруживаются щелевые особенности, хотя и наблюдается пик сопротивления и в интервале напряжений примерно ±5 мВ при низких температурах в отличие от более высоких температур (Т>30 К), где зависимости К(У) довольно плавные. При больших смещениях перехода как отрицательная, так и положительная ветви ВАХ выходят на линейные асимптоты, пересакаидие ось напряжений в точках Ус=±13 мВ.

1.5 ю'

.4

1.0 10

,•5

5.0 1 0"6

О

,2-5.0 10 е -1.0 10'5

-1.5 10"5

-2.0 10"5

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1

Напряжение [В]

Рис. 6. ВАХ и заЗисихастъ дгталичеакого сопротивления от напряжения для легированной хелезол ЫЗГ с 0=22°.

Характерно, что в парохода?, с углом разориентации 6=45°, где еффэкт старения протекал значительно медленнее, а сопротивлешю било значительно выше, порядка 200 кОи, мы не наблюдали насыщения зависимости Н(7), и сопротиплоипе оставалось линейной функцией напряггегагя по крайней мэре до 1,5 В. Предположительно, разница в скорости старения переходов связана с тем, что в отличие от 22-градусш.к 45-градусше границы не точно соЕпадаит с границей в годлойке, а езбивзвтся вокруг нов. Диффузия примесей из граница в годловкв, таким образом, сосредоточена главным образом я окростнсста дискретных точек.

При укеньавнии температуры от комнаткой до ? электродов RQ возрастало очень мало, в пределах 1%. Магнитное поле напряженностью до 1000 Э не оказывает заметного воздействия на свойства перехода.

Процесс старения на заканчивался на этой стадии и далоо развивался очень быстро: сопротивление перехода резко возрастало до десятков Мом,. и наблюдение туннельного тока- становилось невозиошшм.

Но етнсрсфотографяях, полученных в сканирующем электронном микроскопе в регшш обратного рассеяния, выявляется область вокруг границы шириной около 3 г ¿км, декорированная частицами правильной прямоугольной формы. Частицы имели длину около I мкм и ширину 0,2 таи - отношение типичное для а-ориентированннх частиц в TffibCuO.

•йсследовались токке пленки, выращенные на подложках, в которая окрестность границы шириной 250 нм была умышленно разупорядочена. В переходах, созданных в таких плешах, не наблвдался эффект старения, но проявлялись те ке аномалии туннельного' тока.

Полученные результаты позволяют - сделать вывод, что наблюдаемые аномалии связаны именно с разупорядочашем в барьера и в его окрестности. В диссертации обсуждаются возможные теоретические модели для объяснения наблюдаемых эффектов: кулоновская блокада, туше дарование на локальные центры, туннелированив с переворотом спина.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

1. Отработана методика создания деозефсокозскпх переходов на Есхусственшх кэЕзорвнншс границах- в пленках Y1Ba2Cu3o7_e, санученвых An situ импульсным лазерным осаздешшгл на СаЗфзсталлЕческгас подложках, созданных твердофазным сраздаанием крзсталяов VSZ, которая позволила добиться высокой степени однородности даозофсоновского барьера.

2. Выраженная на бикрясталлнческой подлоге пленка наследует ез нее кзкзерэннув границу, сохраняя ев разоршнтацшэ. Грашща в еезнко оказывается весьма однородной. Еа структурная толцзна не правшшет 10 л.

3. Доказано, что транспортные свойства искусственных кэЕзереншх границ определяются углом разориентации зерен, причем критический ток кзЕзерзнной. границы экспоненциальна уменьшается с увзлзченкем угла.

4. Обнаружен и исследован низкотемпературный максимум (ТЫ=£К) на температурной зависимости критического тока кесиикотричной иэязерэкной границы с углом разореентацЕи 9=45°. Оказалось такав, что во шепнем электрическом шла параллельном оси с пленки возрастает критический ток такой границы. Результаты исследований дают основания предположить, что приграничная область обладает полупроводниковыми свойствам, вероятной пгшиной которых является обеднение кислороден.

5. Сконструирована плапарное трехалектродное устройство, основанное на искусственной мэгзорэшюС границе с 0=45° в пленке УБаСиО, позволяющее регулировать критический сверхпроводящий ток через слабую связь изменением напряжения на изолированном затворе. Впервые в даюзефсоновском устройстве на ВТСП удалось получить увеличение ¿0 электрическим полем. Предположительно эффект основан на модулировании голам концентрации носителей в полупроводниковой слабой связи.

6. Выявлен оптимальный угол разориентации в макзеренной границе (0=32°) для создания СКВВДов. Изготовлены устройства с воспроизводимым: параметрами, работащие при азотной температуре. По своим рабочим характеристикам, в том числа уровню пумов, они превосходят известные аналоги.

7. Впервые исследованы единичные МЗГ в пленках YBaCuO, локально легированные келэзом. Обнаружен эффект старения,

состоящий в трансформации слабо® связи, сбладащзй даозефсоповскиш свойствами, в шсокоомный переход, в котором наблюдается одночастачноэ туниэлпровапие. На втой стадии эволгцил перехода выявлена аномальная туннельная проводимость, связанная с сильным разупорядоченпем в барьере.

Основные результаты диссертации опубликованы в слвдупцих работах :

1. B.A.Stepantsov, A.Ya.TzalenotiuIt. On thR Possibility or TTR^e сt Crya uailins GorrpoBitss in Investigations of High -Superconductivity.// Pliysioa Scripta, 1991, v44, p102.

2. Z.G.Ivsnov, Р.А.ШЛввоп, D.Winkler, С.Бгогвпоп, T.Clason, E.A.StepantBov, A.Ya.Pzal en chulr. YBCO BC-SQUIDs On Y-Zr02 Bicrystals.// Springer Proceedings in РЬув1сз, v.64: Superconducting Devices and their Applications, p142, 1992.

3. Z.G.Ivanov, P.A.HillBon, D.Winkler, G.BrorsBon, Т.С1аевоп, E.A.StepantBov, A.Ya.Tzalenchuk. Properties of Artificial Grain Boundary Weak Links Grown on Y-ZrQg Biorystals.// Superoond. Soi. Technol., 1991, v4, p439.

4. Z.G. Ivanov, P.A.NilbBon, D.V?inkler, J.A.Alaroo, T.ClaeBon, E.A.Stepanteov, A.Ya.Tzalenchuk. Weak Links and do-SQUIDs on Artificial lion-Synraetrio Grain Boundaries in УЕг^Си^О^д.// Appl. Phys. Lett., 1991, v59, рзозо.

5. H.R.Olsson, R.H.Koch, Z.G.Ivanov, P.A. HilBBon, S.Claenon, 2.A. Stepantsov, A.Ya.Tzalenohuk. Low 1/f noise in YBaCuO SQUIDb on bioryBtal (Y)Zr02 substrates.// Appl. Phys. Lett., 1992, 761, pSc1.

6. P.A.KLlBson, Z.G.Ivanov, D.Winker, H.K.Olsson, G.BrorBEon, T.Claeson, 2.A.Stepantsov, A.Ya.Tzalenchuk. Properties of YBCO Junctions and SQUIDs on YSZ Biorystals.// Physia C., (1991), v.185-189, p2597.

7. J.A.Alaroo, K.OlSBOri, Z.G.Ivanov, D.Winkler, E.A.StepantBov, A.Ya.Tzalenohuk. Hiorostruoture of the [001J Tilt Artfioial Grain Boundaries in YBaCuO Grown on 45° (Y)Zr02 BioryetalB.// UltramioroBOopy, 1993, в печати.

8. Z.G.Ivanov, T.Claeson, R.I.SheMiter, D.Winkler, E.A.Stepantsov, A.Ya.Tzalenchuk. Grain Boundaries in YBCO Films -A Seraioonduotor?// Proo. of the Joint Nordio Spring iieeting'92,

П1во Nat. Lab., 1992, p193.

9. Z.G.Ivanov, E.A.StepantBov, A.Ta.Tzalenohuk, R.I.Shekhter, Е.СХаевоп. Field Effect Transistor Based on a Bi-CryBtal Grain Boundary Josephson Junction.// IEEE Proo.Appl.Superoond., 1993, в печати.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Chaudhari P. -Critical Currents, Grain Boundaries and SQDIDs in the High Temperature Cuprate Superconductors// Physioa С, v.185, p.292 (1991)

2. Степанцев E.A. Способ срадавания кристаллов. A.c. Я Ш6Г00 1982// БИ, т.36, с.77, (1984)

3- DiisoB О., Chaudhari P., Kannhart J. Superconducting Transport-Properties of Grain-Boundaries in УВа^Си^0?

BioivstaIi3//PhyB.ReT., v.B 41, p.4038 (1990)

4. Gross K. Grain Boundary Josephson Junctions in the High ! ¿asperature Superoonduotors// in "Interfaces in Superconducting Systems", S.L.Shinde and B.Rutaan, ейв., Springer Verlag, Hew York, 1992

5. Lathrop D.E., Boeokly B.H., RuBsek S.E., Buhiraan R.A. Transport Properties of High-Angle Grain Boundary Weak links in yBagCOjOy Thin Films// Appl.Phys.Lett.", v.58, p.1095 (1991)

6. Lin Т. H., Shao X. Y., Wu К. К., Hor D. H., Jin X.C., Chu C. W., Evans N., Bayusiok E. The Observation of a Re-Entrant Superconduoting Resistive Transition in Granular BaPb0>75BiQ Superconductor// Phys. Rev. v.B 29, p.1493 (1934)

7. А.В.Кузнецов, Е.А.Протасов, В.Н.Степанкгн. О природа Ддозефсововского туннельного контакта в Сикристаллах BaPb^^Bi^// ®ГТ, Т.28, C.IB85 (1988)

8. Itskovioh I. P. Shekhter R.I. Steady-State Josephson Effect in Superconductor - Semiconductor - Superconductor Junotions// Sov. J. Low Temp. Phys., v.7, p.418 (1931)

9. Zhu У., Wang S.L., Suenaga H. Grain Boundary Studies by the Ooinsidenoe Site Lattice tiodel and Eleotron Energy Loss Spectroscopy of the Oxygen K-Edge in YB&2CUjOj_q// Phil .Mag., A (1993), в шчата.