Электронный транспорт в бикристаллических переходах и гибридных гетероструктурах из купратных сверхпроводников

Кислинский, Юлий Вячеславович

Электронный транспорт в бикристаллических переходах и гибридных гетероструктурах из купратных сверхпроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Кислинский, Юлий Вячеславович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Электронный транспорт в бикристаллических переходах и гибридных гетероструктурах из купратных сверхпроводников»

Автореферат диссертации на тему "Электронный транспорт в бикристаллических переходах и гибридных гетероструктурах из купратных сверхпроводников"

005012793

На правах рукописи

Кислинский Юлий Вячеславович

ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В БИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДАХ И ГИБРИДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ ИЗ КУПРАТНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Специальность 01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата ф из ико - мате м ати чес к и х наук

2 9 [.^р 2012

МОСКВА-2012

005012793

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельншсова Российской академии наук (ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН), Москва

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник, Овсянников Геннадий Александрович

Официальные оппоненты: Губанков Владимир Николаевич,

доктор физико - математических наук, профессор;

Мицен Кирилл Владимирович

кандидат физико - математических наук, старший научный сотрудник.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук.

апреля 2012 г., в —^на заседании

диссертационного совета Д 002.231.03 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

Автореферат разослан « » марта 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Ведущая организация:

Защита состоится ■/3

В. Н. Корниенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, объект и предмет исследования. В последнее время большое внимание уделяется процессам протекания сверхпроводящего и квазичастичного тока в тонкопленочных структурах на основе купратных сверхпроводников (КС), которые обладают с1х2.у2 - симметрией сверхпроводящей волновой функции ф-сверхпроводники). В отличии от металлических сверхпроводников с Б-симметричным изотропным параметром порядка (Э- сверхпроводников), в О-сверхпроводпике параметр порядка меняет знак при изменении на 90° направления импульса квазичастиц в аЬ-плоскости кристаллической решетки. В результате, у контактов между О- и 8-, а также между Б- и О-сверхпроводниками, зависимость сверхпроводящего тока от разности фаз ф между волновыми функциями параметра порядка (ТФЗ) может отличаться от - синусоидальной. Сложный химический состав КС и их высокая чувствительность к содержанию кислорода влияют на физические свойства контактов сверхпроводников вблизи границы раздела. В КС наблюдается высокая температура сверхпроводящего перехода (Тс) и амплитуда параметра порядка А существенно выше, чем у обычных (металлических) сверхпроводников, так у УВа2Си307-8 (УВСО) она достигает Д~30-н40 мэВ при температуре Т=4.2 К. Однако, соответственного увеличения характерного напряжения переходов Ус^сйи (1с - критический ток, - нормальное сопротивление), у Б-сверхпроводников - не наблюдается, тогда как у 8-сверхпроводников напряжение Ус~Д. Величина Ус определяет сигнальные и шумовые характеристики перехода. У наиболее воспроизводимых переходов в эпитаксиальных пленках УВСО на бикристаллических подложках Ус<1 мВ при 1=11 К. Поэтому исследование зависимостей 1с и Им от углов разориентации бикристаллических переходов и детектирование ими субмм. излучения представляет значительный интерес.

Структуры с магнито-активными прослойками вызывают большой интерес в настоящее время. Известны КС гетероструктуры с прослойкой из

несверхпроводящего купрата РгВа2Сиз07 (РВСО), который является диэлектриком с прыжковой проводимостью при стехиометрическом составе [1]. При других концентрациях кислорода РВСО может быть металлом и сверхпроводником. В работе исследовались гибридные гетестроструктуры, состоящие из КС и ЫЬ. Нами использовалась прослойка из Са^г^СиОг (СБСО), который при низких температурах является квазидвумерным гейзенберговским антиферромагнетиком (АИ - прослойка). Удельное сопротивление у С5СО выше, чем у РВСО, в сверхпроводящее состояние СБСО переходит в редких случаях, например, при синтезе под высоким давлением [2].

Объект исследования - механизм транспорта носителей тока в джозефсоновских переходах, имеющих 1 или 2 электрода - из купратного сверхпроводника.

Предмет исследования - три типа контактов, в которых исследуется эффект Джозефсона на постоянном токе или при СВЧ воздействии:

- симметричные бикристалические переходы в эпитаксиальных пленках УВСО, -гибридные оксидные меза-гетероструктуры ЫЬ/Аи/УВа2Сиз07 на наклонных пленках УВСО ^-гетероструктуры),

- гибридные оксидные меза-гетероструктуры ЫЬ/Аи/СаьхЗГхСиОг/УВагСизО? с антиферромагнитной прослойкой Са1.х8гхСи02 (а-гетероструктуры).

Цель и задачи исследования

Цель работы - определение физических механизмов транспорта носителей тока в джозефсоновских контактах из купратных сверхпроводников, являвшихся предметами исследования. Задачами работы являлись:

- разработка СВЧ методики измерения ток-фазовой зависимости для джозефсоновских переходов с несинусоидальной ТФЗ и ненулевой емкостью;

- определение ток-фазовых зависимостей гетероструктур на наклонных пленках УВСО и гетероструктур с АР-прослойками по данной СВЧ методике;

- определение модели транспорта носителей тока в симметричных бикристаллических переходах, нахождение границ применимости этой модели;

- экспериментальное определение условий проявления аномально большого

эффекта близости на границах сверхпроводящий/антиферромагнитный купрат;

- экспериментальное исследование механизма подавления критического тока, которое вызвано изменением спинового состояния купратной прослойки.

Положения, выносимые на защиту

1. Для УВСО переходов на бикристаллических подложках с симметричными

углами разориентации б в аЬ-плоскости установлено, что с ростом 9 от 8° до 45° характерные сопротивления границ Г<мА возрастали на 1 порядок, а плотности тока .¡с и характерные напряжения 1с11м - убывали на 2 порядка и на 1 порядок -соответственно. Зависимости от 9 объясняются моделью туннелирования электронов через локализованные состояния в бикристаллической границе.

2. Разработана СВЧ методика определения ТФЗ джозефсоновских переходов по изменению целых и дробных ступеней Шапиро от мощности внешнего сигнала, которая применима при высокой частоте сигнала и произвольной емкости перехода.

3. В а-гетероструктурах с прослойками Са^^СиСЬ наблюдался сверхпроводящий ток, плотность которого убывала с ростом толщины прослойки по экспоненте с масштабом 7-И0 нм. Наблюдалась отрицательная вторая гармоника ТФЗ, измереная СВЧ методикой в а-гетероструктурах.

4. Периоды магнитополевых зависимостей критического тока у гетероструктур с АР-прослойкой на порядок меньше, чем у 1-гетероструктур без нее, что объясняется моделью сверхпроводник - антиферромагнетик - сверхпроводник.

Научная новизна диссертации

1. Экспериментально полученные зависимости электрофизических параметров бикристаллических переходов от угла разориентации подложки подтверждают модель электронного транспорта в них: сверхпроводник -диэлектрик с локализованными уровнями резонансного туннелирования нормальных носителей, - сверхпроводник [3]. Оценен радиус локализации нормальных носителей а на локализованных состояниях в межзеренных границах, на основании модели неупругого туннелирования носителей тока [4].

2. Обнаружена отрицательная вторая гармоника ТФЗ в 1-гетероструктурах, в которых имеется электронный транспорт вдоль базовой плоскости КС; она

обусловлена Асимметрией параметра порядка в пленках УВСО.

В гетероструктурах с антиферромагнитной прослойкой наблюдалась отрицательная вторая гармоника ТФЗ, величиной от -4 % до - 25 %.

3. Экспериментально показано, что плотность сверхпроводящего тока в а-гетероструктурах аномально велика при толщинах АР-прослойки с!м= 12+50 нм. Характерная длина экспоненциального затухания сверхпроводящих корреляций составляла 7+10 нм, что указывает на наличие аномально большого эффекта близости на границе КС со слоистым купратным антиферромагнетиком.

4. Обнаружено, что а-гетероструктуры с АР- прослойкой Сао^ГовСиОг обладают существенно большей чувствительностью к магнитному полю, чем N гетероструктуры без прослойки. Магнитополевые зависимости критического тока у гетероструктур с прослойкой определяются отклонением намагниченности антиферромагнитных слоев от идеального антиферромагнитного упорядочения под действием внешнего поля [5].

Практическая ценность работы

1. Исследования зависимости характерного напряжения бикристаллических переходов от прозрачности границы 1 /Ям А позволяют выбирать разориентации подложек так, чтобы сопротивления и критические токи переходов были оптимальны для применений.

2. Методика измерения ток - фазового соотношения по зависимостям целых ступеней Шапиро и первой дробной ступени от СВЧ мощности позволяет получать модуль и знак величины второй гармоники ток - фазовой зависимости. Она применима для переходов Джозефсона с произвольной емкостью и с плотностями сверхпроводящего тока, превосходящими 1 А/см2. При доле второй гармоники, превышающей половину первой, возможно использование гетероструктур для создания «тихих» фазовых кубитов.

3. Обнаруженная магнитополевая зависимость тока 1с для а-гетероструктур позволяет использование их, как магнито - чувствительных элементов и элементов магнитной памяти.

4. В прослойках Сас^Го 5С11О1 оценены радиус локализации носителей а~5±2

нм и плотность состояний на уровне Ферми g~1018 эВ''см'3. Радиусы а в CSCO -велики, как в РгВа?СиэС>7; величины g - малы, как в аморфном Si. CSCO, имея достоинства обоих барьерных материалов, перспективен для приложений.

Апробация работы. Результаты докладывались на: 33-ем «Совещании по физике низких температур», Екатеринбург, (2003); The 5-th, 6-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves Millimeter and Submillimeter Waves, Харьков, 2004, 2007 гг.; Euro-Asian Symposium Magnetism on a Nanoscale, Казань, 2007 г.; «Нанофизика и наноэлектроника», Н. Новгород, 2006, 2007, 2008 гг.; «Фундаментальные проблемы ВТСП», Звенигород, 2006, 2008 гг.; на XVI - XVII Симпозиумах "Nanostructures: physics and technology" в 2008, 2009 гг, - самим автором. Результаты вошли в труды конференций: [А7], [All]; European conference on Appl. Supercond., Brussels, Belgium, 2007 г.; 12 International Supercond. Electronics conference, Fukuoka, Japan 2009 r.

Результаты диссертации отражены в 22 печатных работах, из них 20 статей в журналах и 2 публикации сборниках конференций. Все 22 работы напечатаны изданиях, которые входят в Перечень, определенный ВАК РФ.

Достоверность результатов. Подтверждена большим количеством исследованных образцов, для ряда графиков - около 30. Результаты экспериментов соответствуют теоретическим моделям. Публикации по теме диссертации вызвали интерес научной общественности: индекс цитирования статей [A3, А12, А15, А18] - равен 7 и более.

Личный вклад автора. В работах [Al - А5], [А10], [All] по бикристаллическим переходам автор изготавливал образцы и проводил электрические измерения. В соавторстве с др. В.Т. Liu (Institute of Physics Chinese Acad, of Sei.) обнаружено изменение сопротивления канала из YBCO под действием электрического поля, [A3]. Экспериментально обнаружено соотношение между скоростями нарастания RnA и - уменьшения je с ростом разориентации для симметричных переходов на бикристаллах Zr02+Y203, [A4].

В работах [А6] - [А9], [А12], [А13], [А16], [А20] по t-гетероструктурам автор проводил электрические измерения и участвовал в написании статей. Образцы

были изготовлены Ф.В. Комиссинским. Автором обнаружена вторая гармоника в ТФЗ t-гетероструктур [А9]. Для [А14] автор получил экспериментальные данные, проводил сравнение с теоретическими формулами, полученными В.К. Корневым и Т.Ю. Карминской.

В работах [А15], [А18 - 19], [А21 - 22], по а-гетероструктурам с прослойкой, диссертант обнаружил вторую гармонику ТФЗ, [А18]. Экспериментально обнаружил «гигантские» магнитоосцилляции критического тока, [А15], [А19]. Образцы были изготовлены A.B. Шадриным.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Диссертация содержит 57 рисунков, 6 таблиц и список цитированной литературы из 153 статей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснован выбор темы диссертации и описана ее структура.

Глава 1 - представляет собой обзор литературы. Описываются свойства КС на примере УВагСизО?^ и моделей переходов из КС: бикристаллических контактов и гибридных структур между D- и S-сверхпроводниками. Обсуждаются переходы с несинусоидальными ТФЗ и их возможное применение для создания «тихих» кубитов. Указаны цели работы.

В Главе 2 описываются методы электрических измерений, использованые в диссертации. Описаны измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) и тока шума измерительной системы Приведены измерения зависимостей критического тока от индукции магнитного поля 1с(В), где В=ц0Н, ро=4л-10"7 Г/м, Н - напряженность магнитного поля. Зависимости получены путем записи ВАХ при различных значениях В и определения тока 1с - для каждой ВАХ.

В главе дана методика вычисления доли второй гармоники q=Ic2/Ici в ток -фазовой зависимости вида: Is=Icisincp+Ic2sin(2(p). ТФЗ вычисляется из зависимостей высот дробных ступеней Шапиро Ii« при напряжении Vi/2=hfe/(4e), и целых ступеней (1„, п=1,2...) при V„=nhfc/2e - от тока внешнего

сигнала а=1мЛс частотой В работах [А12], [А14] получены 2 формулы для перехода со второй гармоникой и с емкостью: по первой - вычисляются зависимости 1„(а), по второй - зависимость ¡¡^(а)- Формулы получены в модели резистивно - шунтированного (ИЗ;) перехода в высокочастотном (ВЧ) пределе, который выполняется при условиях: ш»1 или со2(Зс»1, где ш=Ь£/(2е1сКм) - нормированная частота, Рс=4яе1сК.ы2С/Ь - параметр МакКамбера.

Рис. 1. Определение гармоники ТФЗ. (а) При ш=1.6 данные измерений 1с показаны кругами, высоты первых ступеней II - треугольники, дробных ступеней 1щ - ромбы; сплошная -расчет для 1с, пунктирная - для Ь. (Ь) При ш=1.6: ромбы - высоты 1|/2, сплошная ,-г расчет. При ш=2.2: квадраты - высоты ступеней 1ш , пунктирная - расчет. Величина ц= -0.14, [А12].

Сравнением высот целых ступеней с расчетом по первой формуле находится модуль я, (рис. 1а). Модуль и знак я - получены аппроксимацией зависимостей 11/2(а) второй формулой по единственному параметру я, для разных частот ы, (рис. 1Ь). Точность методики определяется обнаружением дробной ступени, максимум высоты которой: 11/2= 1.161С2 при со» 1. При измерении Я<| минимальное обнаружимое отношение ^гЛр^О.З/ЫбиО.гЗ. Ранее в работе [6], метод измерения В АХ давал минимальный обнаружимый ток 1С2/1ра I •

Известно, что измерения детекторного отклика на СВЧ сигнал при малых мощностях сигнала Р слабо возмущают процессы в переходе. Наблюдались «основной» отклик при напряжении У\=\\У2ъ и «дробный» отклик при \\п-Зависимость переменного напряжения отклика перехода Г) от постоянного

смещения V показана на рис. 2. В ВЧ пределе форма т)(У) рассчитана в работах [А14, А16]. Доля гармоники считалась по приближенной формуле:

\Ч 1*0-5 • ^/2^1/(^1/2) (1)

Здесь г)ь г| 1/2 —аМПЛИТуДЫ основного и дробного откликов, R-dl, Rdl/2 ~~ дифференциальные сопротивления автономной В АХ при V| и V1/2 [А20].

Рис. 2. Зависимость отклика - г| от напряжения, для а- гетероструктуры с прослойкой СаозБго.зСиОг, с!м=20 нм. fe=l 19.5 ТТц. Точки - ti(V), линия - ВАХ перехода, горизонтальная стрелка указывает - ширину отклика, вертикальная - перепад Г) i - На вставке перепады дробного отклика т||д - ромбы, их зависимость от мощности - штриховая линия; T|i - треугольники, зависимость от мощности - сплошная линия, [А22].

В главе 3 описываются бикристаллические переходы с разворотами базовой

плоскости YBCO вокруг оси с. Даны результаты для переходов на подложках

Zr02+Y203 с симметричными углами разориентации 0=2а, где а - угол между

a-осью половины подложки и ее плоскостью сращивания.

Описана технология изготовления переходов на бикристаллических

подложках. При эпитаксиальном напылении YBCO, на бикристаллической

границе образуется межзеренная граница в YBCO с той же разориентацией б,

что и у подложки. Для создания микромостиков, пересекающих межзеренную

границу YBCO в пленках средней толщины ty=200-r300 нм, использовалось

травление ионами бислоя Au/YBCO. Вторым ионным травлением удалялся

слой Аи с микромостика [А4]. Удаление Аи с микромостиков из пленок тонких

пленок YBCO с ty^SO нм происходило в растворе 12+К1+Н20, [А2].

V,nV

По модели резонансного туннелирования нормальных носителей через локализованные состояния в границе и прямого туннелирования куперовских пар, зависимости от толщины диэлектрика с1 записываются в виде: 11мА~ехр(Ы)/п3пь _)С~п3ехр(-2кос1). Здесь п5 - плотность состояний в сверхпроводящем УВСО, пи - плотность локализованных состояний в границе; к0=(8я2тсЕь/Ь2),/2 - масштаб экспонент, ше - масса носителя, Еь - высота барьера, [3]. Экспериментальные зависимости на рис. 3 приближены экспонентами: 1^А~ехр(ак0), ]с~ехр(-а;9). Масштабы экспонент отличались вдвое: а;=(0.12+0.14)±0.02, ак=(0.058+0.061)±0.014 град'1, в согласии с теорией работы [3]. Зависимости от угла разориентации строились для 20 - 35 переходов, с углами 0=8°+45°, при 7 разных температурах в диапазоне 4+50 К.

100

G/A, цП1ст'2 Рис. 4. Зависимость характерного напряжения от проводимости G/A=1/(RnA). Сплошная линия аппроксимация Vc~(RNA)ra Т=4.2 К, [A4].

20 30 40

9, degree

Рис. 3. Зависимости нормальных сопротивлений RnA (треугольники) и плотностей токов критических токов jc (круги) от 6. Штриховая и сплошная линии - экспоненциальные зависимости от 8 для jc и RnA - соответственно. Т=50 К, [А4].

Из модели следует: Ус~(пз2пь)"7(Н.нАНп52пО''-а/А. Экспериментальная зависимость Ус от нормальной проводимости показана на рис. 4. Характерные напряжения аппроксимировались как: Ус=с-(11ыА)т для переходов с 6=18+45°. Получены параметры: с=0.077±0.015 мВмкОмсм2 и ш=-0.98±0.2, что соответствует модели резонансного туннелирования из работы [3].

Далее рассматриваются причины отклонений от указанной модели при 9=8° и 9>36°. При измерении нормальной проводимости переходов с 0=45° обнаружено ее увеличение с ростом температуры: 0(Т)=01+02(Т-Т2)М, с параметрами М=0.6-г1.6, Т2=45 К. Вклад в2 соответствует модели неупругого туннелирования через N=2 локализованных состояния, по которой С(Т)=01+02Т4/3 [4]. Толщина диэлектрика <1 находилась из емкости перехода С~Рс/(1сКы2), как плоского конденсатора: С=ее0А/с1, а Рс - по формуле Заппе [7]:

рс = [2 - (я- 2)(/д//с)] • [/д//сг2, £ = . £е2Ь Р)

Здесь ¡¡^ - ток возврата гистерезисной ВАХ. Для 5 переходов с 0=45° величина С/А=18±4 фФ/мкм , с1/е=0.49±0. 11 нм. Согласно [8], проницаемость в границе е»5, откуда с!=2.5±0.5 нм. В работе [4] указано: с1/(Ы+1)3<а<с1/Ы3, откуда оценка радиуса локализаци нормальных носителей в границе: о»2.5/23=0.3 нм.

Измерения высот 3 первых ступеней, 1„(Р), на частоте £«12 ГГц на переходах с 8=8° дали нулевые минимумы. Следовательно, их ТФЗ - была синусоидальна. В переходах с 6=8° толщина диэлектрика с!~0.5 нм<2я, модель резонансного туннелирования - неприменима и соотношение - не выполняется.

В главе описываются детекторные характеристики УВСО переходов на подложках А120з с разориентацией 0=12°+12°. Получена зависимость ширины основного отклика 251" от температуры перехода. Полуширина отклика для 118.1 перехода, при уширении тепловыми флуктуациями, дана в монографии [9]:

= МГц (3)

Величины 251' возрастали линейно с температурой по модели, но были в ~1.5 раза больше, чем следует из формулы (3). Отклик бикристаллических переходов на положках А120з на сигнал с £«500 ГГц наблюдался при азотных

температурах вплоть до нормированной частоты ш=40 при Т=82 К.

Глава 4 посвящена гибридным оксидным меза-гетероструктурам Nb/Au/YBCO на наклонных пленках YBCO с направлением [1,1,20] перпендикулярным подложке (далее t-гетероструктуры). На поверхности наклонных пленок есть два вида граней, перпендикулярных направлениям [001] и [110]. Ток, протекающий вдоль [110] YBCO, оказывает большое влияние на параметры t-гетероструктур, в этом направлении величины RnA - на интерфейсе Au/YBCO ниже, чем в направлении [001] YBCO. Разрез t-гетероструктуры показан ниже, на рис. 7. В гл. 4 рассматриваются t-гетероструктуры без прослойки между Аи и YBCO. Переходы t- и а-гетероструктур изготавливались в виде квадратов со стороной L=10-í-50 мкм2.

Сначала описываются свойства t-гетероструктур на постоянном токе. Для них получены средние величины: jc=7.5±2.5 А/см2, RNA=(8.8±3.7)-Ю"6 Ом-см2, характерного напряжения Vc=60±15 мкВ, рс=4.4±1.3, и отношение d/e»0.35±0.2 нм. При е=5 определена толщина барьера сЫ+2 нм, аналогично работе [7].

Прозрачность границы t-гетероструктуре (D) вычислена в модели двух металлов с разными Ферми импульсами, разделенных барьером, [10]. Расчет дает величину Dwl.9-10"4. В предположениях D«1 и тонкого барьера d<¡^ по формулам, полученным в статье [11], вычислено напряжение первой гармоники ТФЗ Vci=IciRn~400 мкВ и второй гармоники Vc2=Ic2Rn®0. 1 мкВ. Расчетные значения Va по порядку величины близки к полученным в эксперименте. Измеренные значения VC2~10 мкВ - на 2 порядка больше теоретических, что возможно, вызвано протеканием компоненты IC2S¡n(2cp) через связанные андреевские состояния при транспорте через грани (110) YBCO. На наличие этих состояний в окрестности энергии Ферми Ef YBCO указывает пик дифференциальной проводимости GD при ±6 мВ, рис. 5. При V>6 мВ проводимость нарастает с напряжением, наблюдается недостаток тока; эти особенности ВАХ характерны для туннельных переходов [12]. В целом, t-гетероструктуры можно описать моделью туннельного перехода между S- и D-сверхпроводниками с потенциальным барьером на границе Au/YBCO.

Зависимости 1с(В) у Ьгетероструктур отличаются от - фраунгоферовых тем, что имеют прогиб вниз в пределах главного пика. Это прогиб возникает в расчетах, если контакт содержит фасетки, являющиеся ср-переходами, [А 13]. Зависимости 1С(В) 1-гетероструктур содержат два периода, один из которых равен кванту магнитного потока Ф0, а другой - Фо/2. Наличие двух периодов объясняется моделью, в которой Ьгетероструктура является параллельной цепью из двух видов фасеток: со значительной второй гармоникой ТФЗ такой, что я<-0.5, - ф-переходов, и с малой гармоникой: М<0.5 - 0-переходов.

-30 -20 -10 , 0 10 20

V, mV

Рис. 5. ВАХ t-гетероструктуры в слабом магнитаом поле, пунктир - прямая I=V/Rn, Т=4.2 К. Точки - зависимость проводимости Gd(V). На вставке - ВАХ той же t-гетероструктуры при Н=0. [А15].

Рис. 6. Зависимости полуширин основного отклика 5Г) (треугольники) и дробного -5^/2 (ромбы) от соотвественно Ил2^ и И^/г2/!^ -. Прямая - расчет

В главе описываются измерения ТФЗ t-гетероструктур по СВЧ методике. Расчет полуширины отклика - ôf по формуле (3) при Т=4.2 К показан на рис. 6 -линией. Экспериментальные величины 6fi, 6fj/2 и близки к минимуму, который определяется для 5fj термическими флуктуациями на RSJ переходе. Вторая гармоника ТФЗ обнаруживалась на всех гетероструктурах, за исключением переходов с малыми токами мкА, когда дробные ступени не наблюдались из-за флуктуаций, [А9]. Измерения проводились и по ступеням Шапиро [А12], и по детекторным откликам [А20]. Получены величины q=-0.R -0.2.

Глава 5 посвящена . гибридным оксидным гетероструктурам с антиферромагнитной прослойкой Cai.xSrxCuCh (далее а-гетероструктуры).

Параметры элементарной ячейки с симметрией 4/тшт у СаСи02 составляют а=Ь=0.385 нм, они близки к параметрам поверхности подложки ЫсЮаОз (110): 0.385 и 0.386 нм, а также к параметру УВСО: а=0.386 нм. Поэтому пленки СЭСО росли - эпитаксиально и на ЫсЮаОз, и на УВСО. С8СО - прыжковый проводник с переменной длиной прыжка, с зависимостью проводимости вида: а(Т) = сг0 ■ ехр [~(Т0/Т)1/% где T0=24/(nkga3) - экспериментальная константа, а - радиус локализации носителей тока, g - плотность состояний на уровне Ферми. Для состава Сао^ГолСиОг нами измерены константы Т0~(0.4^3)-10б К, из них получены величины gя3~0.02^0.2 Эв"1. Удельное сопротивление р(4.2)>104 Ом-см - получено экстраполяцией данных ЩТ) к Т=4.2 К.

Разрез и схема электрических измерений а-гетероструктуры приведены на рис. 7а. При температурах ниже ТС№И8.5 К пленки УВСО и ЫЬ под контактами были - сверхпроводящими, измерения ВАХ - четырехточечными.

Рис. 7. Разрез гетероструктуры с прослойкой (а) и ее фотография (б). На верхней половине фотографии находятся слои Аи/С8СО/УВСО, на нижней -слои Аи/ЫЬ. Темное поле -диэлектрик 5Ю2, изолирующий торцы гетероструктуры от верхнего электрода.

В главе 5 рассказывается об эффекте близости в а-гетероструктурах. Зависимости от толщины С8СО представлялись экспонентами: ЯыА=Ацехр(с1м/а^), )с=А)ехр(^м/а]), с параметрами: Ац, ак и А], а,, на рис.8. Различие экспериментальных параметров: а] =8.7 нм и 0^=8.5 нм меньше, чем их погрешность: 7.8<ая<9.4, 7.75а;<10. Учитывая интервалы значений: 0.13<АЯ<0.26 мкОм см2 и 310<А^815 А/см2, получим интервал УС=АЯА;=

=40+210 мкВ, в котором лежит большинство величин Ус а-гетероструктур. Зависимость Ус от толщины прослойки не обнаружена для с!м=12+50 нм

10 20 30 dM' nm

10J

5 ,

. ю

k i ' 1 1 ■ 1 1 1 г 1 1 ' \ ■■ (Ь) ;

* ».X

Г 2 Î Ч 1

: О '1.1.1.) Ч о . 1 , ч :

10 20 30 40 dM. nm

Рис. 8. (а) - зависимости сопротивлений и (Ь) - плотностей тока^ от - с!м при 4.2 К. Данные для а-гетероструктур черные символы: с Ь=10 мкм - кресты, 20 мкм - круги, 30 мкм - треугольники, 40 мкм - ромбы, 50 мкм - пятиугольники; для 1-гетероструктур - светлые символы. Аппроксимации - сплошные линии, доверительные интервалы - пунктир, [А22].

20 30

d,„ nm

Рис. 9. Зависимость отношений сУе от с!м-Даннные для состава х=0.5 - ромбы, х=0.15 - круги. Сплошная линия -аппроксимация по черным ромбам, штрих-пунктир - ее погрешность. Пунктир -интервал величин с!/е полученный для N гетероструктур.

Отношения d/e вычислены для а-гетероструктур по гистерезису ВАХ, данные показаны на рис. 9. По формуле (2) расчитаны параметры Рс®0.9+3 и удельные емкости С/А-1+90 фФ/мкм2. Методом наименьших квадратов для этих данных получено: d0/e= (0.35 ± 0.05)[dM - (22+4)], нм.

По нашей модели над интерфейсом CSCO/YBCO находится слой

металлического CSCO с толщиной cIn, он не дает вклада в емкость С/А~е/сЬ. В

прослойках Ca0.5Sr0 5CUO2 толщина d.M~20 нм, при составе Cao.ssSro.isCuOj d^-45

нм. Над металлическим CSCO лежит диэлектрическая часть прослойки

толщиной do~ciM-dN. В случае dM<dn отношения do/s а-гетероструктур близки к

do/£~0.35±0.2 нм, полученному для t-гетероструктур в главе 4. В этом случае,

отсутствуют вклады в проводимость: G(V)~V4'3 и G(T)~T4''3, поэтому неупругое туннелирование - не наблюдается. Для таких а-гетероструктур предложена модель S/I/AF/S с диэлектрическим барьером на интерфейсе Au/CSCO и многослойной антиферромагнитной прослойкой. Соседние плоскости (111) CSCO имеют противоположную намагниченность (антиферромагнетик G-типа), по данным работы [13]. В модели предполагается, что AF- прослойка состоит из металлических ферромагнитных слоев, обменное поле лежит в плоскости прослойки, имеет противоположную ориентацию в соседних слоях и обменную энергию Н„<Ер. Для такой прослойки теоретически получен дальнодействующий эффект близости в работе [14]. Параметры прослоек CSCO: í^af~ 10 нм - длина когерентности и Нех^+З мВ - обменная энергия, рассчитаны по зависимости jc(dM) в работе [А22].

Рассматривались а-гетероструктуры с прослойками Ca0 5Sr05CuO2 с толщинами dM>dN, для которых характерны отсутствие сверхтока или большие отношения do/e»0.35 нм. Транспорт носителей соответствовал прыжковой проводимости при T>Tvrh, или наблюдались вклады в проводимость 02«Л;43 и GjooT473 (см. главу 3). Радиус локализации носителей а оценивался аппроксимациией прыжковых ВАХ по параметру a/d0 методами работы [15]; получена оценка я=3.1+3.5 нм. Из зависимости: G2~d''exp[-2do/(3a)] коэффициентов G2 при вкладах G2 ooV4/3 и G2 гоТ4'3 от толщины d0 получены оценки: а=5.0^5.б нм по G2(V), а=5.7+6.6 нм по G2(T), методом из работы [16].

Из этих данных средняя оценка радиуса локализации носителей в Ca0.5Sr0.5CuO2: а=5±2 нм. Из величин То=(0.7Ч)- Юб К - для а-гетероструктур, получен порядок плотности состояний на уровне Ef: g«(0.2+5)-10'8 эВ"'см'3.

Даны экспериментальные результаты исследования мангнитополевых зависимостей критического тока а-гетероструктур 1с(В). Обнаружено, что период осцилляции критического тока в этих зависимостях - В0 у гетероструктур с прослойкой CaosSiosCuOi на порядок меньше, чем у t-гетероструктур (см. рис. 10). Период этих осцилляций уменьшался с ростом толщины слоя Cao5SrosCu02. Форма зависимости 1с(В) объясняется моделью

джозефсоновского перехода со слоистой антиферромагнитной прослойкой, в которой магнитнополевая зависимость критического тока определяется спиновым состоянием прослойки, как теоретически предсказано в работе [5].

100

i-а.

Рис. 10. Зависимость периодов Во в гетероструктурах. Периоды для а-гетероструктур с с1м=50 нм - квадраты, для (Зм=20 нм - треугольники и расчет Во кресты, для - Ьгетерострукгур - круги. Сплошная - линейная аппроксимация для дня Ыетероструктур. Светлые символы -Во - в перпендикулярном поле, черные - в -параллельном, [А19].

0.0 -0,1

-0.2 -0.3

Рис. И Вторая гармоника ТФЗ у а-гетероструктур в зависимости от йм-Квадраты - значения я, измереннные по ступеням, треугольники - по откликам. Открытые символы - данные для а-гетероструктур с прослойками С8СО х=0.15, черные - с х=0.5. Данные для одного перехода, но при разных частотах Ге, указаны номером образца.

10 20 30 40 50

Ь, щл

N 269.1=10°

й N271.1x10

- N 274. [.»10 ■

N274.1=20»

■

■ N273.1-10

А . I .... I . Г 1 1 1 . Г 1 1 . 1

20 30 40 50

ПП1

Ширины основного и дробного детекторного откликов определяются отношением Я//Як по формуле (3), которая получена в монографии [9] для уширения линии генерации перехода термическими флуктуациями. Как показано ранее, величины вычисленные по ступеням Шапиро, близки к значениям, полученным по формуле (1) из измерений откликов. Для а-гетероструктуры с <1м=20 нм по измерению откликов, показанному на рис. 2, получен ^|=0.27, а из измерений ступеней получены величины ц=-0.23 и -0.25 для частот £=119.5 и £=105 ГГц (рис. И). В а-гетероструктурах наблюдалась вторая гармоника ток-фазовой зависимости величиной от -4 до -25 % от первой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Для симметричных УВа2Сиз07 бикристаллических переходов с разориентацией осей в базовой плоскости на подложках ЪгО2+12 % У20з, установлено, что характерные сопротивления границ ЯыА экспоненциально увеличивались с ростом угла разориентации 0. Плотности сверхпроводящего тока экспоненциально снижались с ростом угла б - вдвое быстрее. При углах 0>3б° наблюдался рост нормальной проводимости с повышением температуры, что соответствует неупругому туннелированию через локализованные состояния. Оценен радиус локализации носителей а«0.3 нм.

2. Разработана СВЧ методика измерения соотношения между джозефсоновским током и разностью фаз параметров порядка на переходе, которая основана на измерении динамических свойств переходов под действием внешнего СВЧ сигнала. Модуль и знак второй гармоники ток-фазовой зависимости вычисляются из совокупности графиков высот целых и дробных ступеней Шапиро от мощности облучения. Вторая гармоника ток-фазовой зависимости может определяться из детекторного отклика перехода путем сравнения двух особенностей: дробного отклика при напряжении дробной ступени Шапиро с -основным откликом при напряжении первой ступени.

3. Исследованы транспортные характеристики гибридных оксидных меза-гетероструктур МЬ/Аи/УВа2Сиз07 на наклонных пленках УВСО, в которых значительный вклад в проводимость гетероструктуры дает перенос тока вдоль базовой плоскости купрата. Магнитополевые зависимости критического тока соответствуют модели, по которой наклонные гетероструктуры состоят из субмикроных фасеток двух видов: 0- и ф-переходов. По СВЧ методике у наклонных гетероструктур измерена отрицательная вторая гармоника ток-фазовой зависимости, величиной -10-^-20 % от первой.

4. В гибридных оксидных меза-гетероструктурах ЫЬ/Аи/Са^Зг^СиОг/ /УВа2Сиз07 с антиферромагнитными прослойками Са1.х5гхСи02 толщиной от 12 до 50 нм наблюдался сверхпроводящий ток, с плотностью 1н-500 А/см2.

Получена длина затухания сверхпроводящего параметра порядка в прослойках: 7-ИО нм. Показано, что причиной эффекта Джозефсона в гетероструктурах с прослойкой является аномально большой эффект близости в слоистом антиферромагнетике. У гетероструктур с прослойкой наблюдалась вторая гармоника ток-фазовой зависимости величиной от -4 до -25 % от первой. 5. Обнаружено, что период осцилляций критического тока от магнитного поля у гетероструктур с прослойкой Cao.sSro5Cu02 на порядок меньше, чем у гетероструктур без прослойки. Период осцилляций критического тока, который уменьшается с ростом толщины слоя Cao 5S10.5CUO2, а также форма зависимости критического тока, объясняются моделью джозефсоновского перехода со слоистой антиферромагнитной прослойкой, в которой магнитополевая зависимость критического тока определяется спиновым состоянием прослойки.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Al. S.A. Zhgoon, G.D. Lobov, Yu.V. Kislinskii, A.R. Kuzhakhmetov, E.A. Stepantsov// Phase locking up to 2.5 THz in grain-boundary Josephson junctions at 77 K. Applied Superconductivity 3, pp. 615-619 (1995).

A2. Yu.V. Kislinskii, Zhao Bai-ru, Wu Pei-jun, Peng Xhi-qiang, Cheng Ying-fei, Yang Tao, Chen Lie, Sun Ji-jun, Xu Bo, Wu Fei, Zhou Yue-liang, Li Lin, Zhao Zhong-ziang// УВа2Сиз07 Bicrystal Josephson Junctions and dc SQUIDs. Chinese Phys. Lett. 13, pp. 390-393 (1996).

A3. B.T. Liu, Z. Hao, Y.F. Chen, B. Xu, H. Chen, F. Wu, and B.R. Zhao, Yu. Kislinskii and E. Stepantsov// Investigation on Ag/Pb(Zro;3Tio47)03YBa2Cu307 three-terminal system with small gate area. Applied Phys. Lett 74, pp. 2044 - 2046 (1999).

A4. Ю.В. Кислинский, E.A. Степанцов, З.Г. Иванов, Т. Клаесон//

Симметричные ВТСП бикристаллические переходы: зависимость

электрофизических свойств от угла разориентации. ФТТ 43, стр. 581-586 (2001).

А5. Y.V. Kislinskii. K.Y. Constantinian, I.V. Borisenko, G.A. Ovsyannikov, P.

Yagubov// Submillemeter wave signal detection by bicrystal YBCO Josephson

junctions at liquid nitrogen temperatures. Physica С 372-376, pp. 436 - 439 (2002). A6. Ф. В. Комиссинский, Г.А. Овсяников, Ю.В. Кислинский, И.М. Котелянский, З.Г. Иванов// Андреевские состояния и эффект Джозефсона в сверхпроводниковых гетероструктурах в тонких пленках УВа2СизОх. ЖЭТФ 122, стр. 1247- 1259(2002).

А7. G.A. Ovsyannikov, P.V. Komissinskii, Е. ll'ichev, Y.V. Kislinskii. and Z.G. Ivanov// Josephson effect in Nb/Au/YBCO heterojunctions. IEEE Trans, on Appl. Supercond. 13, pp. 881 - 884 (2003). Рецензируемая публикация в трудах конференции, входит в Перечень ВАК.

А8. G.A. Ovsyannikov, P.V. Komissinskii, Y.V. Kislinskii. Z.G. Ivanov// Superconducting current-phase relation and Andreev bound states in Nb/Au/ YBa2Cu3Ox Josephson Heterojunctions. Modern Phys. Lett. В 17, pp. 569 - 578 (2003).

A9. F.V. Komissinski, K.I. Constantinian, Y.V. Kislinskii. G.A. Ovsyannikov// Electron transport in metal oxide superconducting heterojunctions. Low Temp. Phys. 30, pp. 795 - 809 (2004).

A10. Г.А Овсянников, К.И Константинян, И.В. Борисенко, Ю.В, Кислинский, А.А. Ахумян, Н.Г. Погосян, Т.В. Захарян// Сигнальные и шумовые характеристики детекторов субмм. волн на джозефсоновских бикристаллических переходах из металлокосидных сверхпроводников. Радиотехника 8,.стр. 117-122 (2005).

All. G.A. Ovsyannikov, I.V. Borisenko, K.Y. Constantinian, Y.V. Kislinskii. A. A. Hakhoumian, N.G. Pogosuan, T. Zakaryan, N.F. Pedersen, J. Mygind, N. Uzunoglu, E. Karagianni// Bandwidth and Noise of Submillimeter Wave Cuprate Bicrystal Josephson Junction Detectors. IEEE Trans, on Appl. Supercond. 15, pp. 533-536 (2005). Рецензируемая публикация в трудах конференции, входит в Перечень ВАК.

А12. Ю.В. Кислинский. Ф.В. Комиссинский, К.И. Константинян, Г.А.

Овсянников, Т.Ю. Карминская, В.К. Корнев// Сверхпроводящий ток гибридных

переходов металлооксидных сверхпроводников: размерная и частотная

зависимости. ЖЭТФ 128, стр. 575 - 585 (2005).

А13. И.В. Борисенко, Ю.В. Кислинский, Ф.В. Комиссинский, К.И. Константинян, Г.А. Овсянников, Т.Ю.Карминская, В.К. Корнев, И.И. Соловьев. «Гибридные Nb/Au/YBaCuO гетероструктуры из металлооксидных сверхпроводников»// Поверхность, Рентгеновские, Синхротронные и нейтронные исследования 2, стр. 48-54 (2006).

А14. V.K. Kornev, T.Y. Karminskaya, Y.V. Kislinskii, P.V. Komissinski, K.Y. Constantinian, G.A. Ovsyannikov// Dynamics of underdamped Josephson junctions with non-sinusoidal current-phase relation. Physica С 435, pp. 27-30 (2006). A15. Г.А. Овсянников, И.В. Борисенко, Ф.В. Комиссинский, Ю.В. Кислинский. А.В. Зайцев// Аномальный эффект близости в сверхпроводниковых оксидных структурах с антиферромагнитной прослойкой. Письма в ЖЭТФ 84, стр. 320324 (2006).

А16. Г.А. Овсянников, К.И. Константинян, Ю.В. Кислинский. Ф.В. Комиссинский, И.В. Борисенко, Т.Ю. Карминская, В.К. Корнев// Микроволновые динамические параметры джозефсоновских структур с нетривиальной ток-фазовой зависимостью. Радиотехника и электроника, 51, N9, стр. 1-9 (2006).

А17. G.A. Ovsyannikov, V.V. Demidov, Y.V. Kislinski, P.V. Komissinski, D. Winkler// "Conductivity and Antiferromagnetism of CaCu02 Thin Films Doped by Sr", Physica С 460-462, pp. 536-537 (2007).

A18. P. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, I.V. Borisenko, Y.V. Kislinskii. K.Y. Constantinian, A.V. Zaitsev, D. Winkler// Josephson Effect in Hybrid Oxide Heterostructures with an Antiferromagnetic Layer, Phys. Rev. Lett. 99, pp. 0170041-0170044 (2007).

A19. Ю.В. Кислинский. К.И. Константинян, Г.А. Овсянников, Ф.В.

Комиссинский, И.В. Борисенко, А.В. Шадрин// "Магнитозависящий

сверхпроводящий транспорт в оксидных гетероструктурах с

антиферромагнитной прослойкой", ЖЭТФ 133, стр. 914-920 (2008).

А20. P.V. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, K.Y. Constantinian, Y.V. Kislinski. I.V.

Borisenko, I.I. Soloviev V.K. Kornev, E. Goldobin, D. Winkler// High-frequency

dynamics of hybrid oxide Josephson heterostructures Physical Rev. В 78, pp.

024501-024515 (2008).

А21. Ю.В. Кислинский. Г.А. Овсянников, К.И. Константинян, А.В. Шадрин, Ф.В. Комиссинский, Н.В. Кленов, В.К. Корнев// Гибридные джозефсоновские контакты с d-волновой симметрией параметра порядка для элементов квантовых вычислительных систем. Радиотехника 6, стр. 10-15 (2009). А22. А.В. Зайцев, Г.А. Овсянников, К.И. Константинян. Ю.В. Кислинский. А.В. Шадрин, И.В. Борисенко, Ф.В. Комиссинский// Сверхпроводящий ток в гибридных структурах с антиферромагнитной прослойкой. ЖЭТФ 137, стр. 380-389 (2010).

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Faley, M.I., U. Рорре, C.L. Jia, et а]., 1997// ШЕЕ Trans, on Appl. Super. 7, 2514.

2. Hiroi Z„ Azuma M., Takano M., Takeda Y. 1993//Physica С 208 ,286.

3.Halbritter, J., 1993// Physical Rev. В 48, 9735.

4. Глазман, Л.И., K.A. Матвеев, 1988// ЖЭТФ 94, 332.

5. L.P. Gorkov, V.Z. Kresin, 2004// Physics reports 400, 149 (2004).

6. Kleiner, R„ A.S. Katz, A.G. Sun, et al., 1996// Physical Rev. Lett. 76, 2161.

7. Zappe, H.H., 1973//Journal of Appl. Phys. 44, 1371.

8. Winkler, D., Y. M. Zhang, et al., 1994// Physical Rev. Lett. 72, 1260.

9. Likharev, K.K., 1986// Dynamics of josephson junctions and circuits. New York.

10. Komissinski, P.V., E. Il'ichev, G.A. Ovsyannikov, et al., 2002//Physica С 368, 271.

11. Komissinski, P.V., E. Il'ichev, G.A. Ovsyannikov, et al., 2002// Europhysics Lett. 57, 585.

12. Blonder, G.E., M. Tinkham, T.M. Klapwijk, 1982// Rev. В 25, 4515.

13. Vaknin D., Caignol E., Davis P.K. et al, 1989//Phys. Rev. B39, 9122 .

14. Зайцев А.В, 2009//Письма в ЖЭТФ, 90, 521.

15. Yoshida, J., Т. Nagano, Т. Hashimoto, 1996//. Physical Rev. В 53, 8623.

16. Xu, Y., D. Ephron, M.R. Beasley, 1995// Physical Rev. В 52, 2843.

Подписано в печать: 07.03.2012

Заказ № 6787 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wvvw.autoreferat.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Кислинский, Юлий Вячеславович, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ им. В.А. КОТЕЛЬНИКОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

КИСЛИНСКИЙ Юлий Вячеславович

Специальность 01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

61 12-1/760

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук

Г.А. Овсянников

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы.........................................................................9

1.1. Кристаллическая структура купратных сверхпроводников...........................9

1.2. Бикристаллические переходы: структура и физические модели.....................12

1.3. Многослойные джозефсоновские переходы из купратных сверхпроводников... 18

1.4. Переходы с нетривиальными ток-фазовыми зависимостями

сверхпроводящего тока............................................................................22

1.5. Метод измерения ток-фазовой зависимости.........................................................28

1.6. Магнитополевые зависимости критического тока в переходах из купратных сверхпроводников...................................................................................34

1.7. Локализованные состояния в купратных диэлектриках...............................41

1.8. Постановка задачи............................................................................ 50

Глава 2. Методика электрических измерений.................................................52

2.1 Измерения вольтамперных характеристик................................................52

2.2. Магнитополевые измерения.................................................................57

2.3. Методика определения ток-фазовой зависимости по ступеням Шапиро...........59

2.4. Измерения второй гармоники ток-фазовой зависимости по

детекторному отклику на воздействие электромагнитного излучения.......................64

Глава 3. Бикристаллические переходы из купратных сверхпроводников............70

3.1. Технология изготовления переходов на бикристаллических подложках..........70

3.2. Зависимости критических токов и нормальных сопротивлений от

углов разориентации................................................................................71

3.3. Приделы применимости модели............................................................77

3.4. Детектирование субммиллиметрового излучения......................................83

Глава 4. Гибридные оксидные меза-гетероструктуры на наклонных купратных пленках...................................................................................................................................88

4.1. Транспорт постоянного тока.................................................................88

4.2. Магнитополевые зависимости критического тока гибридных оксидных меза-гетероструктур на наклонных пленках...................................................95

4.3. Ток - фазовые зависимости гибридных оксидных меза-гетероструктур на наклонных пленках.................................................................................100

Глава 5. Гибридные оксидные меза-гетероструктуры с

антиферромагнитной прослойкой..............................................................105

5.1. Структура и сопротивление пленок Cai_xSrxCu02...................................................105

5.2. Эффект близости в сверхпроводящих гибридных оксидных

меза-гетероструктурах с тонкими антиферромагнитными прослойками...............109

5.3. Меза-гетероструктуры с толстыми антиферромагнитными прослойками.........117

5.4. «Гигантские» магнитоосцилляции критического тока в меза-гетероструктурах

с прослойкой Cao.sSi'o.sCuCh..................................................................... 122

5.5. Ток - фазовые зависимости меза-гетероструктур с прослойками Cai_xSrxCu02.. 125

Заключение. Основные результаты диссертации............................................130

Библиографический список литературы...................................................... 132

Основные публикации автора по теме диссертации........................................147

Приложение. Ослабление помех фильтрами низкой частоты...........................150

Предметный указатель..............................................................................155

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы, объект и предмет исследования. В последнее время большое внимание уделяется процессам протекания сверхпроводящего и квазичастичного тока в тонкопленочных структурах на основе купратных сверхпроводников (КС), которые обладают <3Х2.У2 - симметрией сверхпроводящей волновой функции (О- сверхпрово д н и к и). В отличии от металлических сверхпроводников с 8-симметричным изотропным параметром порядка (8- сверхпроводников), в Б-сверхпроводнике параметр порядка меняет знак при изменении на 90° направления импульса квазичастиц в аЬ-плоскости кристаллической решетки. В результате, у контактов между Б- и Б-, а также между Э- и Э-сверхпроводниками, зависимость сверхпроводящего тока от разности фаз ср между волновыми функциями параметра порядка (ТФЗ) может отличаться от - синусоидальной. Сложный химический состав КС и их высокая чувствительность к содержанию кислорода влияют на физические свойства контактов сверхпроводников вблизи границы раздела. В КС наблюдается высокая температура сверхпроводящего перехода (Тс) и амплитуда параметра порядка Д существенно выше, чем у обычных (металлических) сверхпроводников, так у УВа2Сиз07-5 (УВСО) она достигает Д-ЗО-М-О мэВ при температуре Т=4.2 К. Однако, соответственного увеличения характерного напряжения переходов Ус=1(Кк (1с -критический ток, Г^ч - нормальное сопротивление), у 1)-сверхпроводпиков - не наблюдается, тогда как у Б-сверхпроводников напряжение Ус~Д. Величина Ус определяет сигнальные и шумовые характеристики перехода. У наиболее воспроизводимых переходов в эпитаксиальных пленках УВСО на бикристаллических подложках Ус<1 мВ при Т=77 К. Поэтому исследование зависимостей 1с и Ян от углов разориентации бикристаллических переходов и детектирование ими субмм. излучения представляет значительный интерес.

Структуры с магнито-активными прослойками вызывают большой интерес в настоящее

время. Известны КС гетероструктуры с прослойкой из несверхпроводящего купрата РгВагСизОу (РВСО), который является диэлектриком с прыжковой проводимостью при стехиометрическом составе. При других концентрациях кислорода РВСО может быть металлом и сверхпроводником. В работе исследовались гибридные гетестроструктуры, состоящие из КС и ЫЬ. Нами использовалась прослойка из Са^ГхСиОг (СБСО), который при низких температурах является квазидвумерным гейзенберговским антиферромагнетиком (АБ - прослойка). Сопротивление у С8СО выше, чем у РВСО, в сверхпроводящее состояние СБСО переходит в редких случаях, например, при синтезе под высоким давлением.

- симметричные бикристалические переходы в эпитаксиальных пленках УВСО, -гибридные оксидные меза-гетероструктуры ЫЬ/Ли./УВа2Си307 на наклонных пленках УВСО (Ч-гетеро структуры),

гибридные оксидные меза-гетероструктуры ЫЬ/Аи/СаихБгхСиОг/УВагСизО? с антиферромагнитной прослойкой Са1_х8гхСи02 (а-гетероструктуры).

Цель и задачи исследования. Цель работы - определение физических механизмов транспорта носителей тока в джозефсоновских контактах из купратных сверхпроводников, являвшихся предметами исследования. Задачами работы являлись:

- экспериментальное определение условий проявления аномально большого эффекта близости на границах сверхпроводящий/антиферромагнитный купрат;

Публикации по теме диссертации вызвали интерес научной общественности: индекс цитирования статей [A3, А12, А15, А18] - равен 7 и более.

Личный вклад автора. В работах [А1 - А5], [А10], [All] по бикристаллическим переходам автор изготавливал образцы и проводил электрические измерения. В соавторстве с др. В.Т. Liu (Institute of Physics Chinese Acad, of Sci.) обнаружено изменение сопротивления канала из YBCO под действием электрического поля, [A3]. Экспериментально обнаружено соотношение между скоростями нарастания RnA и - уменьшения jc с ростом разориентации для симметричных переходов на бикристаллах ZrCb+Y203, [А4].

В работах [А6] - [А9], [А12], [А13], [А16], [А20] по t-гетероструктурам автор проводил электрические измерения и участвовал в написании статей. Автором обнаружена вторая

гармоника в ТФЗ в них [А9]. Образцы сделаны Ф.В. Комиссинским. В работе [А14] автор получил данные измерений, формулы были выведены В.К. Корневым и Т.Ю. Карминской.

В работах [Al5], [Al8 - 19], [А21 - 22], по а-гетероструктурам с прослойкой, диссертант обнаружил вторую гармонику ТФЗ, [Al 8]. Экспериментально обнаружил «гигантские» магнитоосцилляции критического тока совместно с К.И. Константиняном, объяснившим явление, [Al5], [А19]. Образцы были изготовлены A.B. Шадриным.

Глава 1 - обзор литературы. В § 1.1 описываются свойства купратных сверхпроводников на примере YBaiCuaOv-s. Параграфы 1.2 и 1.3 содержат описание физических моделей купратных переходов: бикристаллических и контактов между D- и S-сверхпроводниками. В § 1.4 обсуждаются переходы с несинусоидальными ток-фазовыми зависимостями и их возможное применения для создания «тихих» кубитов. В § 1.5 анализируются предшествовавшие работы, в которых исследовались ТФЗ переходов путем регистрации ступеней Шапиро. Литературные данные по магнитополевым зависимостям сверхпроводящего тока купратных переходов приведены в § 1.6. В § 1.7 приводятся методы определения параметров локализованных состояний по данным нормальной проводимости. Задачи диссертации указаны § 1.8.

В главе 2 описаны методики электрических измерений, использованных в диссертации. В § 2.1 описаны измерения вольтамперных характеристик джозефсоновских переходов и токового шума измерительной системы. В § 2.2 дана методика измерений критического тока в зависимости от магнитного поля. Методика вычисления второй гармоники ток - фазовой зависимости по семейству В АХ со ступенями Шапиро дана в § 2.3. Метод определения ТФЗ переходов по измерениям детекторного отклика приведен в § 2.4.

Глава 3 посвящена симметричным бикристаллическим переходам. В § 3.1 дана технология

изготовления. В § 3.2 - основной результат данной главы: плотности критических токов убывали с ростом угла разориентации вдвое быстрее, чем увеличивались нормальные сопротивления. Отклонения от него даны в § 3.3. В § 3.4 описано детектирование СВЧ с частотой -500 ГГц бикристаллическими переходами при температурах до 82 К.

В главе 4 описываются гибридные оксидные меза-гетероструктуры N Ь/ А и /У В а? С и з О 7 на наклонных пленках УВСО. В § 4.1 приведена модель транспорта носителей в наклонных гетероструктурах, основанная на результатах измерений на постоянном токе. В § 4.2 обсуждается наличие второй гармоники ТФЗ у наклонных гетероструктур на основе зависимостей критического тока от магнитного поля 1с(Н). В § 4.3 описаны измерения ток-фазовой зависимости наклонных гетероструктур по СВЧ методике, приведены ширины линий джозефсоновской генерации.

В главе 5 даны материалы по меза-гетероструктурам с антиферромагнитной прослойкой Мз/Аи/СЗСО/УВСО. Электрические свойства тонких пленок Са1.х8гхСи02 (СБСО) обсуждаются в § 5.1. Влияние толщины прослойки с!м на транспорт носителей в гетероструктурах, у которых с1м - невелики, описано в § 5.2. В § 5.3 описывается транспорт носителей тока при больших толщинах прослоек. Приведены результаты вычисления параметров: радиуса локализации носителей и плотности локализованных состояний на уровне Ферми для прослоек из Сао.зЗго.зСиОг. В § 5.4 обсуждается, почему чувствительность критического тока к магнитному полю у гетероструктур с АБ прослойкой на порядок выше, чем у гетероструктур без прослойки. В § 5.5 приведены величины второй гармоники ТФЗ, и ширины линий генерации данных гетероструктур.

Заключение содержит выводы из диссертации. Далее приведен библиографический список цитированной литературы. За ним следует список основных публикаций автора по теме диссертации. В приложении дано описание фильтров низкой частоты, которые применялись для подавления помех при измерении джозефсоновских переходов.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Кристаллическая структура купратных сверхпроводников

Сверхпроводимость с высокой критической температурой (Тс) была обнаружена впервые в соединении ЬахВа5-хСи505(з-8), и составила Тс=13 К [1]. Затем было синтезировано УВагСизСЬ-б (УВСО) с Тс=8(Н93 К [2]. Этот купратный сверхпроводник наиболее часто используется в сверхпроводниковой электронике. Структуры его фаз: тетрагональной (диэлектрической), и ромбической (сверхпроводящей) показаны на рисунке 1.1 из обзора [3].

Рисунок 1.1 Кристаллографическая структура УВагСизОу.з. Слева тетрагональная фаза УВазСизОб.' эллипсоидами 04 показаны атомы кислорода, штриховыми эллипсоидами 01 -вакансии кислорода. Справа ромбическая фаза УВагСизОу: эллипсоиды 01, 04 - атомы кислорода. Сверхпроводящие плоскости СиО показаны ломаными сплошными линиями [3].

Тетрагональная несверхпроводящая фаза имеет симметрию Р4/шшш - ось четвертого порядка вдоль с-направления, пять плоскостей симметрии: две - (100), (010) - параллельных

граням, две - параллельных диагоналям основания (110), (1,-1,0), и горизонтальную плоскость - (001). Параметры решетки этой фазы: а=Ь=0.386, с= 1.183 нм. У сверхпроводящей ромбической фазы УВагСизОу вид симметрии Рттт, - те же элементы симметрии, что Р/41шшп, за вычетом оси четвертого порядка и плоскостей: (110), (1,-1,0). Параметры решетки этой фазы: а=0.3859, Ь=0.392, с=1.1843 нм. Вакансии вдоль оси Ь заняты кислородом, возникают носители тока - дырки с концентрацией р=(3^6)-1021 см"'' [4], [5]. Ниже критической температуры Тс эти дырки образуют сверхпроводящий конденсат. Электрические свойства УВСО - анизотропны: длина когерентности в базовой аЬ-плоскости ^а=^ь=2.8 нм, длина вдоль с-направления ^с=0.56 нм; эффективные массы носителей в базовой аЬ-плоскости та=ть~(8-;-10) те, вдоль с-направления тс=(100^200) те, [5].

Кристаллы УВа2Сиз07-5 с концентрациями кислорода 0.7<8<0 исследовались в работе [6]. С уменьшением содержания кислорода удельное сопротивление на комнате р(300) повышается от 1 до 9 мОм см. При 5-0.3 наблюдались р(300)^3 мОм-см, Тс~60 К. Концентрация кислорода Обз была пограничной для перехода металл - диэлектрик. Зависимость сопротивления ЩТ) у кристаллов с 5=0.7 - диэлектрическая при Т>40 К, но при 35-^30 К наблюдается сверхпроводящий переход, температура Тс®30 К.

Сверхпроводимость в купратах р-типа возникает по причине образования в них II-центров, которые состоят из двух дырок, локализованнах на двух соседних атомах Си [7]. II-центры организуются в кластеры, проводимость которых при Т>Тс - металлическая. При температурах Т<Тс кластеры - сверхпроводящие. При концентрации Оьл5 кластеры имеют длину 5 ионов Си, под действием флуктуаций дырки на них заполняются электронами, металлическая проводимость в кластере - исчезает, УВСО является диэлектриком, [8]. При больших концентрациях кислорода кластеры — длиннее, и УВСО — сверхпроводник.

Тонкие пленки УВСО напыляются при температурах и давлениях, при которых возникает тетрагональная фаза. На диаграмме рис. 1.2 заштрихованная область условий напыления лежит вдоль линии: 1о§ю(р/а1:т)=8.744-13 674/Т, где Р — давление кислорода, Т — температура

подложки в К [9]. При отжиге в кислороде УВСО переходит в ромбическую фазу. Соотношения между основными параметрами напыления лазером приводятся в [10]. Связь между Р и расстоянием О - от мишени до подложки: Р02=3600 мТорр-см2 получена в [11].

TEMPLRATUSE t'O) leu <ecj нэп епо тоо вдо 4to