Исследование нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников методом ближнепольной СВЧ микроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

005012546

/

Пестов Евгений Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО СВЧ ОТКЛИКА СВЕРХПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ БЛИЖНЕПОЛЬНОЙ СВЧ МИКРОСКОПИИ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 2 Щр 2G72

Нижний Новгород — 2012

005012546

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Курин Владислав Викторович

Официальные оппоценты: доктор физико-математических наук,

Резник Александр Николаевич

доктор физико-математических наук, Овсянников Геннадий Александрович

Ведущая организация:

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

Защита состоится 22 марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики микроструктур Российской академии наук (607680, Нижегородская область, Кстовский район, д. Афонино, ул. Академическая, д.7).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики микроструктур Российской академии наук, Нижний Новгород.

Автореферат диссертации разослан 15 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.098.01 доктор физико-математических наук, профессор

К. П. Гайкович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

С момента открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) прошло более двадцати лет. Однако, несмотря на большое количество работ [1], посвященных изучению физических свойств ВТСП, остается много нерешенных проблем: механизм ВТСП, симметрия параметра порядка ВТСП, вихревые состояния в сверхпроводниках и т.д. Исследования нелинейных СВЧ свойств открывают широкие возможности для изучения фундаментальных свойств сверхпроводников. В частности, теоретически было показано, что возрастание нелинейности в области низких температур может свидетельствовать о ¿-симметрии параметра порядка ВТСП [2]. На основе измерений нелинейного отклика изучались вихревые состояния на фазовой диаграмме ВТСП [3]. Кроме этого, из температурной зависимости мощности сигнала на частоте третьей гармоники было определено время релаксации параметра порядка в низкотемпературном сверхпроводнике [4]. Таким образом, экспериментальное изучение нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников представляют интерес с точки зрения фундаментальной физики.

Для объяснения нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников было предложено большое количество моделей нелинейности: нелинейность, связанная с подавлением модуля параметра порядка сверхтоком [5]; с наличием джозефсоновских связей между гранулами в исследуемых образцах [б]; с движением вихрей в непараболическом потенциале пиннинга [7]; с тепловой нелинейностью [8] и др. Однако при температурах близких к Тс все величины критических токов, характеризующих различные механизмы нелинейности, стремятся к нулю, и многие механизмы могут давать вклад в полный отклик. Поэтому вопрос о том, как экспериментально выделить различные вклады в нелинейном СВЧ отклике сверхпроводника в области температур близких к Тс, остается до сих пор актуальным.

Экспериментальные исследования показали, что нелинейный СВЧ отклик сверхпроводников может определятся не только фундаментальными свойствами сверхпроводника, но и влиянием краев образца или дефектами структуры. Поэтому для исключения источников нелинейности технологического происхождения необходимо использовать локальные методы для исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников. Для исследований линейных локальных

СВЧ свойств сверхпроводников 1990-х годах такие методы были развиты на основе ближнепольной СВЧ микроскопии [9, 10]. В то же время, для исследований нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников эти методы практически не применялись. Поэтому экспериментальные исследования нелинейных СВЧ свойств с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии являются важной задачей для изучения механизмов нелинейности в сверхпроводниках.

Исследования механизмов нелинейности сверхпроводников интересны также с прикладной точки зрения. В настоящее время ВТСП широко используются в фильтрах, мультиплексорах, линиях задержки, резонаторах и т.д. [11, 12]. Однако, при увеличении мощности СВЧ сигнала нелинейность СВЧ отклика сверхпроводников приводит к возрастанию потерь в фильтрах и резонаторах или искажению сигнала в линиях передач, что ограничивает их применимость. Поэтому результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для минимизации этих эффектов в пассивных сверхпроводящих СВЧ устройствах.

Исследования нелинейных СВЧ свойств методом ближнепольной СВЧ микроскопии также важны для тестирования параметров пленок, которые используются при изготовлении сверхпроводящих СВЧ структур. Необходимым условием является сохранение качества поверхности образца в процессе диагностики, что может быть осуществимо только на основе бесконтактных неразрушающих методик. В то же время, при изготовлении сверхпроводящих структур важна их однородность. Поэтому для локальной бесконтактной диагностики были предложены различные методы ближнепольной СВЧ микроскопии, которые позволяют исследовать СВЧ свойства сверхпроводников и сверхпроводящих структур с достаточно высоким разрешением [9, 10]. Однако, методы тестирования основных сверхпроводящих параметров с помощью этих методик были не достаточно развиты. Поэтому развитие методов бесконтактной локальной диагностики сверхпроводящих параметров на основе изучения локальных нелинейных СВЧ свойств является важной задачей.

Цель работы

Целями настоящей диссертации являются:

- проведение экспериментальных исследований нелинейных СВЧ свойств с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии для определения механизмов, ответственных за нелинейный

СВЧ отклик в высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводниках;

- развитие методов локальной бесконтактной диагностики качества сверхпроводников и определение локальных сверхпроводящих параметров на основе изучения транспортных и нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.

Научная новизна

1. Впервые ближнепольный СВЧ зонд с индуктивной связью использован для изучения локальных нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников и сверхпроводящих структур.

2. Установлена корреляция между температурной зависимостью нелинейного СВЧ отклика и температурной зависимостью удельного сопротивления сверхпроводника для высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников.

3. Исследовано влияние микроструктуры пленок УВСО на их нелинейные СВЧ свойства при температурах близких к Тс.

4. Предложена феноменологическая модель, основанная на модели эффективной среды для анализа нелинейного СВЧ отклика гранулированных сверхпроводников.

5. Для пленок ДГ6 при температурах близких к Тс обнаружена немонотонная зависимость амплитуды максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники от внешнего постоянного магнитного поля.

6. Показано, что в постоянном магнитном поле менее 500 Гс при высокой СВЧ мощности нелинейные СВЧ свойства пленок АТЬ обусловлены нелинейной вязкостью вихрей.

Научная и практическая значимость

Научная значимость работы состоит в изучении локальных нелинейных СВЧ свойств высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников методом ближнепольной СВЧ микроскопии с целью определения механизмов нелинейного СВЧ отклика в них.

Практическая значимость результатов заключается в возможности их использования для:

- бесконтактной диагностики локальных параметров высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников и сверхпроводящих структур, выполненных на их основе с помощью метода нелинейной ближнепольной СВЧ микроскопии;

- уменьшения нелинейных СВЧ эффектов в пленках YBCO за счет увеличения среднего размера кристаллита;

- уменьшения нелинейных СВЧ потерь в ниобиевых СВЧ резонаторах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод ближнепольной СВЧ микроскопии, основанный на использовании зонда с индуктивной связью, может быть применен для исследований нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.

2. Критической температура, измеренная с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии, коррелирует с критической температурой, определенной из резистивных измерений, для различных сверхпроводников.

3. Полуширина температурной зависимости мощности третьей гармоники коррелирует со средним размером кристаллита и критическим током пиннинга для пленок YBCO.

4. В пленках YBCO при больших размерах микрокристаллитов нелинейный СВЧ отклик определяется внутрикристаллитным пиннингом вихрей, а при уменьшении их размеров появляется дополнительный вклад в отклике, связанный с пиннингом магнитного потока на джозефсоновской сетке межкристаллитных границ.

5. При температурах близких к Тс амплитуда максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники пленок Nb немонотонно зависит от внешнего постоянного магнитного поля.

Личный вклад автора в получение результатов

- равнозначный вклад (совместно с Ю.Н. Ноздриным и В.В. Куриным) в разработку метода ближнепольной СВЧ микроскопии, основанного на использовании зонда с индуктивной связью [А2,А4,А5,А7];

- равнозначный вклад (совместно с Ю.Н. Ноздриным) в экспериментальное исследование нелинейного СВЧ отклика различных сверхпроводников в зависимости от температуры, магнитного поля и пространственных распределений мощности третьей гармоники для пленок ВТСП и основной вклад в анализ экспериментальных данных [А1-А20];

- основной вклад в измерение температурных зависимостей мощности третьей гармоники и величины тока пиннинга для пленок YBaCuO с различным размером кристаллита и равнозначный вклад (совместно с В.В. Куриным) в проведение анализа экспериментальных данных в рамках феноменологической модели двухфазной среды [А21-А25];

- основной вклад в измерения нелинейного СВЧ отклика и вольт-амперных характеристик пленок Nb во внешнем постоянном магнитном поле и обработку экспериментальных данных на основе моделей нелинейной вязкости вихрей, джо-улева нагрева сверхпроводника и крипа магнитного потока [А4, А7,А11,А12, А14, А26, А27].

Апробация работы и публикации

Диссертация выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики микроструктур РАН в период с 1997 по 2012 год.

Основные результаты были представлены на Всероссийских совещаниях по физике низких температур (Казань — 2000 г., Екатеринбург — 2003 г., Ростов-на-Дону—2006 г.); 2-4-ая, Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (Звенигород - 2006, Звенигород -2008, Звенигород -2011); на международной конференции по прикладной сверхпроводимости (Virginia Beach—2000 г.), на международной конференции по сверхпроводящей электронике (Osaka—2001 г.), на 11 международном студенческом семинаре по СВЧ приложениям (Санкт-Петербург—2004 г.), международной конференции по современным проблемам сверхпроводимости (Ялта—2002 г.), 9-ой международной микроволновой конференции (Севастополь—1999 г.) и опубликованы в работах [А1-А27]. Основные результаты диссертационной работы также обсуждались на семинарах в ИФМ РАН и ФТИ РАН.

По теме диссертации опубликована 31 работа (10 статей в реферируемых журналах, 10 докладов на международных конферен-

циях, 7 докладов на всероссийских конференциях и совещаниях, 4 доклада на нижегородских сессиях молодых ученых).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка работ автора по теме диссертации из 31 наименования, списка цитированной литературы из 170 работ. Общий объем диссертации 154 страницы, включая 50 рисунков и 1 таблицу.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели диссертационной работы, показана ее новизна и практическая значимость, указаны сведения о личном вкладе диссертанта, апробации работы и публикациях, приведены основные положения, выносимые на защиту, а также представлены сведения о структуре и содержании диссертации.

Первая глава посвящена современному состоянию проблемы нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников.

В разделе 1.1 сделаны вводные замечания о нелинейных эффектах, которые наблюдаются в сверхпроводниках, механизмах нелинейного СВЧ отклика и методиках исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.

В разделе 1.2 рассмотрены основные нелинейные эффекты, которые наблюдаются в сверхпроводящих СВЧ устройствах: зависимость величины поверхностного импеданса сверхпроводника от мощности СВЧ сигнала, генерация гармоник основной частоты и интермодуляционные искажения СВЧ сигнала.

В разделе 1.3 сделан обзор основных экспериментальных методов исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников. Показано, что методики, основанные на использовании, например, объемных или планарных резонаторов наряду с их преимуществами обладают рядом недостатков. Во-первых, при исследованиях с помощью этих методик делается предположение об однородности материала. Во-вторых, также известно, что в случае планарных резонаторов края образца вследствие концентрации токов могут существенно влиять на измерения нелинейного СВЧ отклика. Поэтому для изучения нелинейных СВЧ свойств необходимо использовать локальные методы, которые позволяют избавится от влияния краев образцов и учитывать

их неоднородность. Для исследования локальных свойств сверхпроводников в 1990-х годах были предложены методы ближнепольной СВЧ микроскопии, которые позволяют создавать поле вблизи зонда на масштабах много меньших длины волны. Во второй части раздела 1.3 рассмотрены методы ближнепольной СВЧ микроскопии, которые используются в настоящее время для изучения линейных и нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.

Раздел 1.4 посвящен обзору основных механизмов нелинейности сверхпроводников. В этом разделе рассмотрены теоретические модели нелинейности, связанной с подавлением модуля параметра порядка сверхтоком, наличием джозефсоновских связей между гранулами в образцах, тепловой нелинейности и вихревой нелинейности. Также проведен обзор экспериментальных данных по наблюдению нелинейного СВЧ отклика в высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводниках в рамках этих моделей. Кроме этого показано, что каждый механизм нелинейности характеризуется определенной величиной характерного критического тока или поля нелинейности.

В разделе 1.5 сделаны заключительные замечания о природе нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников и методах его исследования.

Вторая глава посвящена описанию метода ближнепольной СВЧ микроскопии, который был использован в работе для исследования локальных нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников. Результаты этой главы опубликованы в работах [А2,А4,А5,А7].

В разделе 2.1 сделаны вводные замечания о достоинствах и недостатках существующих на сегодняшний день методов исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.

В разделе 2.2 описана блок-схема экспериментальной установки для наблюдения нелинейных локальных свойств сверхпроводников с помощью ближнепольного СВЧ зонда с индуктивной связью (рис. 1). Исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников проводились при фиксированной частоте СВЧ сигнала и = 472 МГц. Зонд представляет собой медную проволочку длиной 1 = 2 мм и диаметром до И ~ 50 мкм, соединяющую внешний и внутренние проводники коаксиального кабеля. Импеданс зонда был выбран много меньшим импеданса коаксиального кабеля. В этом случае, при отражении СВЧ сигнала от такого зонда, в закорачивающей проволочке течет ток высокой плотности, который создает квазистатическое магнитное поле, локализованное на масштабах порядка размеров зонда. При взаимодействии сильного высокочастотного поля вблизи проволочки с исследуемым образцом из-за нелинейных свойств сверхпроводника в спектре отраженного сигнала возникают высшие гармоники основ-

ной частоты, которые принимаются тем же зондом. Далее мощность сигнала на частоте третьей гармоники регистрируется приемником. Для предотвращения электрического контакта зонда с исследуемым образцом, приводящего к генерации паразитного сигнала на частоте третьей гармоники, на образец помещается тефлоновая пленка с толщиной 10 мкм.

Раздел 2.3 посвящен описанию криогенных систем для проведения температурных измерений нелинейности высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников во внешнем магнитном поле в температурном диапазоне от 4,2 К до 300 К.

1 _2

со со,Зев

4

3

5 \ =3 /

Рис. 1. Конструкция ближнепольного СВЧ зонда. 1 - падающий СВЧ сигнал; 2 - отраженный СВЧ сигнал; 3 - ближнепольный СВЧ зонд; 4 - коаксиальный кабель; 5 - тефлоновая пленка; 6 - сверхпроводящая пленка.

В разделе 2.4 сначала показано, что величина импеданса ближнепольного СВЧ зонда с индуктивной связью много меньше волнового импеданса коаксиального кабеля. Далее в приближении слабой нелинейности рассчитан линейный и нелинейный отклик, возникающий при облучении сверхпроводящей пленки ближнепольным СВЧ зондом с индуктивной связью. В заключении раздела показано, что на основе экспериментальных зависимостей мощности третьей гармоники от мощности первой гармоники может быть сделана оценка величины характерного критического тока нелинейности. Эта величина может давать информацию о механизме отклика в сверхпроводниках.

В разделе 2.5 сделаны заключительные выводы о методе ближне-польной микроскопии, основанного на использовании зонда с индуктивной связью.

Третья глава посвящена применениям метода ближнепольной СВЧ микроскопии для изучения характеристик сверхпроводника. Результаты этой главы опубликованы в работах [А1-А20].

В разделе 3.1 сделаны вводные замечания о существующих в настоящее время методах измерения параметров сверхпроводников.

В разделе 3.2 проводится описание экспериментальных методик измерения удельного сопротивления, критической плотности тока пиннинга и эффективной плотностью тока распаривания и приводятся параметры сверхпроводящих образцов.

В разделе 3.3 экспериментально установлена корреляция между критической температурой Гс3ш, измеренной с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии, и критической температурой Тсо, определенной из резистивных измерений, для пленок, монокристаллов и поликристаллов YBC12CU3O7-X, пленок Nb, слоистых структур Mo/Si, а также для многослойной сверхпроводящей структуры PbSe/РЬТе (рис. 2). Продемонстрировано, что эта корреляция дает возможность проводить бесконтактные измерения критической температуры методом ближнепольной СВЧ микроскопии различных сверхпроводников и сверхпроводящих структур.

Рис. 2. Температурные зависимости мощности третьей гармоники Рзи(Т) при различных уровнях падающей мощности Рш и удельного сопротивления р(Т) (треугольники) для пленки УВСО при температурах близких к Тс.

В разделе 3.4 при температуре 79 К на основе экспериментальной зависимости мощности третьей гармоники от мощности первой гармоники сделаны оценки характерной плотности критического тока нелинейности j™' пленок УВа2СщО-?-х. Величина j™' сопоставлена с величинами характерной плотности критического тока нелинейности для основных механизмов нелинейности, а также с эффективной плотностью тока распаривания и критического тока пиннинга в этих пленках. На основе анализа этих величин установлено, что нелинейный СВЧ отклик в пленках УВа^Си^От-х при температурах порядка 79 К определяется джозефсоновской нелинейностью или локальным нагревом в слабых связях.

В разделе 3.5 экспериментально показано, что при низких температурах на температурной зависимости мощности третьей гармоники в монокристаллах и некоторых пленках YBa2Cu^O-¡-x могут наблюдаться дополнительные максимумы нелинейности. Наличие этих особенностей связано, по-видимому, с существованием низкотемпературных сверхпроводящих фаз, имеющих различное содержание кислорода или катионный состав в высокотемпературных сверхпроводниках YBCO. Таким образом, данный метод позволяет также локально тестировать наличие дополнительных сверхпроводящих фаз в сверхпроводниках.

В разделе 3.6 с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии исследованы пространственные распределения мощности третьей гармоники при различных температурах для пленки YBCO и ВТСП микрополоскового СВЧ фильтра. Продемонстрировано, что используя корреляцию между и Тсо (рис. 2) и производя сканирование пространственного распределения нелинейного отклика пленки YBCO при различных температурах, представляется возможным бесконтактно определить распределение критических температур Тс в пленках ВТСП и сверхпроводящих структурах, выполненных на их основе.

В разделе 3.7 исследованы пространственные распределения нелинейного СВЧ отклика поликристаллов YBCO в различных магнитных полях при фиксированной температуре образца. Показано, что с помощью метода нелинейной ближнепольной микроскопии возможно локально диагностировать намагниченность поликристаллических образцов YВа^СиъОт-х.

В разделе 3.8 сделаны заключительные замечания о возможных применениях метода ближнепольной СВЧ микроскопии для диагностики сверхпроводников и сверхпроводящих структур.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния микроструктуры пленок УВа2Сщ07-х на нелинейный СВЧ отклик. Результаты этой главы опубликованы в работах [А21-А25].

В разделе 4.1 сделаны вводные замечания о влиянии микроструктуры на элекрофизические и нелинейные свойства пленок YBa2Cm07-.x.

В разделе 4.2 приводятся условия роста, а также и сверхпроводящие характеристики пленок, такие как критический ток, величина критической температуры и полуширина перехода эпитаксиальных пленок УВа^Си^От-х.

В разделе 4.3 с помощью туннельной и электронной просвечивающей микроскопии продемонстрировано, что эпитаксиальные пленки УВй2СщОг^х имеют кристаллитную структуру. Также методом рентгеноструктурного анализа были определены средние размеры кристаллитов а (средний размер области когерентного рассеяния) для различных пленок YВаъСизОт-х-

В разделе 4.4 приведено описание локального метода, основанного на регистрации напряжения, индуцированного электронным пучком (Electron Beam Induced Voltage - EBIV). В этой методике термический нагрев пучком электронов некоторой области сверхпроводящего полоска приводит к изменению локального сопротивления и величины регистрируемого напряжения. Этот метод позволяет определять из кривых EBIV-сигнала локальное сопротивление и пространственные распределения критической температуры в мостиках Y Ва2Сиз07-х-

В разделе 4.5 установлена корреляция полуширины максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники Wth, полуширины кривой напряжения, индуцируемого электронным пучком, Webiv со средним размером кристаллита (рис. 3). Также приведены измерения критического тока пиннинга для различных пленок YBa2Cu307-x.

В разделе 4.6 для описания экспериментальных результатов предложена модель двухфазной среды, учитывающая нелинейную вольт-амперную характеристику сверхпроводника. Эксперименты показали хорошее качественное и количественное согласие с моделью двухфазной среды. А именно, полуширина максимума сигнала третьей гармоники Wth и полуширина кривой ЕВIV - сигнала Webiv уменьшаются из-за возрастания тока пиннинга jp (рис. 3). На основе этой модели установлено, что при больших размерах кристаллитов нелинейный СВЧ отклик определяется внутрикристаллитным пиннингом вихрей, а при уменьшении их размеров появляется дополнительный вклад в отклике, связанный с пиннингом магнитного потока на джозефсонов-

О 200 400 600 800 1000 а, нм

Рис. 3. Зависимость полуширины пика сигнала третьей гармоники Штн (кружки), полуширины кривой ЕВ1У - сигнала \Vebiv (квадраты) и плотность критического тока пиннинга зр(77 К) (треугольники) от среднего размера кристаллита а для УВа2СщОт. Сплошной, пунктирной и шрихпунктирной линией показана аппроксимация зависимости Щ(а) с помощью модели эффективной среды для нелинейного отклика, сигнала ЕВ IV и тока пиннинга ]р(а), соответственно.

ской сетке межкристаллитных границ. В заключении раздела продемонстрирована возможность уменьшения нелинейных эффектов в пленках УВа2Си^От^х за счет увеличения размера кристаллита.

В разделе 4.7 сделаны заключительные замечания о влиянии микроструктуры на нелинейные СВЧ свойства и электрофизические параметры эпитаксиальных пленок УВа2Сио,От-х.

Пятая глава посвящена исследованию нелинейных СВЧ свойств пленок ИЬ во внешнем магнитном поле. Результаты этой главы опубликованы в работах [А4, А7,А11,А12, А14, А26, А27].

В разделе 5.1 делаются вводные замечания о нелинейных СВЧ свойствах низкотемпературных сверхпроводников во внешнем магнитном поле.

В разделе 5.2 приведены значения плотности тока пиннинга, удельного сопротивления в нормальном состоянии и критической температуры образцов.

В разделе 5.3 экспериментально установлено, что температурная зависимость мощности третьей гармоники пленок ИЬ во внешнем постоянном магнитном поле демонстрирует две особенности при температурах близких к Тс (рис. 4). Как видно из рис. 4, при мощности

-И = О Гс

----И = 25 Гс

......И = 75 Гс

------И = 200 Гс

----Н = ЖГс

-Н= 400 Гс

-Н = 500 Гс

-Н = 600 Гс

----Н = 900 Гс

......Н = 1200 Гс

-----Н = 1800 Гс

-.....- Н = 2700 Гс

Л 0.61.

0.40.2 0.0

Рис. 4. Температурные зависимости мощности третьей гармоники Рзш(Т, Н) при различном внешнем постоянном магнитном поле Нас для пленки при уровне СВЧ сигнала = 18 дБм. Кривые построены со смещением: АР = п • 0,07, АТ = - п ■ 0,037 К (п - номер кривой).

СВЧ сигнала Рш = 18 дБм в магнитных полях меньше 100 Гс амплитуда первого максимума Р^ах сначала возрастает, а потом подавляется магнитным полем. Затем, в области промежуточных магнитных полей 450 Гс наблюдаются одновременно оба максимума нелинейности на температурной зависимости мощности третьей гармоники. И наконец, при дальнейшем увеличении магнитного поля величина амплитуды второго максимума нелинейности Р^ах монотонно возрастает и насыщается в магнитных полях порядка 3 кГс. При мощности СВЧ сигнала Рш = 10 дБм при увеличении постоянного магнитного поля величина амплитуды первого максимума Р^ах уменьшается сразу, а затем амплитуда второго максимума возрастает до насыщения. Также в магнитных полях меньше 500 Гс обнаружена корреляция между нелинейным СВЧ откликом и вольт-амперной характеристикой Л^б пленок.

В разделе 5.4 в рамках модели нелинейной вязкости вихрей, джо-улева нагрева сверхпроводника и крипа магнитного потока проанализировано поведение максимума температурой зависимости мощности третьей гармоники. Теоретический анализ экспериментальных дан-

ных, проведенный в рамках этих моделей, показал, что в пленках АТЬ в постоянном магнитном поле менее 500 Гс при максимальной мощности СВЧ сигнала доминирует отклик, обусловленный вязкостью вихрей, а при уменьшении СВЧ мощности появляется вклад в отклик из-за джоулева нагрева сверхпроводника. Также установлено, что в постоянном магнитном поле более 500 Гс нелинейный СВЧ отклик МЬ пленок обусловлен крипом магнитного потока. На основе экспериментальных данных построены фазовые диаграммы пленок Лг6 при различных мощностях СВЧ сигнала.

В разделе 5.5 сделаны заключительные замечания о механизмах нелинейного СВЧ отклика ЫЬ пленок во внешнем магнитном поле.

В Заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Впервые ближнепольный зонд с индуктивной связью использован для исследований нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников. Зонд представляет собой тонкий провод, закорачивающий внешний и внутренний проводники коаксиального кабеля. Показано, что данная методика позволяет бесконтактно исследовать локальные нелинейные СВЧ свойства высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников в широком диапазоне мощности СВЧ сигнала и магнитного поля при температурах ниже критической Тс.

2. Обнаружена корреляция между критической температурой измеренной с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии, и критической температурой Тсо, определенной из рези-стивных измерений, для пленок, монокристаллов и поликристаллов УВа2Си307-х, пленок Дг6, слоистых структур Мо/5г и РЪБе/РЬТе. Показано, что эта корреляция позволяет проводить бесконтактную экспресс-диагностику критической температуры Тс для различных сверхпроводников и сверхпроводящих структур.

3. Получены пространственные распределения мощности третьей гармоники Рзш(х,у) для пленок УВа2СщО-;-х при различных температурах с разрешением 0,2x1 мм2 в плоскости образца. Показано, что метод ближнепольной СВЧ микроскопии позволяет исследовать пространственное распределение критической температуры в ВТСП пленках и СВЧ фильтрах, выполненных на их основе.

4. Экспериментально обнаружена корреляция полуширины температурной зависимости мощности третьей гармоники со средним размером кристаллита для пленок УВа2СщОт-х. На основе модели композитной среды, учитывающей нелинейную вольт-амперную характеристику сверхпроводника, установлено, что при больших размерах микрокристаллитов нелинейный СВЧ отклик определяется внутрикристаллитным пиннингом вихрей, а при уменьшении их размеров появляется дополнительный вклад в отклик, связанный с пиннингом магнитного потока на джозеф-соновской сетке межкристаллитных границ. Продемонстрирована возможность уменьшения нелинейных эффектов в пленках VВа2Си^Оу-х за счет увеличения среднего размера кристаллита.

5. Обнаружена немонотонная зависимость амплитуды максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники от внешнего постоянного магнитного поля для пленок ЫЪ при температурах близких к Тс. Установлена корреляция между вольт-амперной характеристикой и мощностью третьей гармоники для пленок АГЬ в магнитных полях меньше 500 Гс при температурах близких к Тс.

7. Показано, что в пленках N6 в постоянном магнитном поле меньше 500 Гс при высокой СВЧ мощности доминирует отклик, обусловленный вязкостью вихрей, а при низкой СВЧ мощности появляется вклад в отклик, связанный с джоулевым нагревом сверхпроводника. Установлено, что в постоянном магнитном поле более 500 Гс нелинейный СВЧ отклик АГЬ пленок обусловлен крипом магнитного потока.

Список литературы

[1] Плакида, H. М. Высокотемпературные сверхпроводники. -Международная программа образования. - М.: 1996. - 288 С.

[2] Dahm, Т. Theory of Intermodulation in a Superconducting Microstrip Resonator / T. Dahm and D. J. Scalapino // J. Appl. Phys. - 1997. - V. 81. - P. 2002-2009.

[3] van der Beek, С. J. Vortex Line Pinning and Bose-Glass Dynamics in Heavy-Ion Irradiated BiSrCaCuO Single Crystalsvan der Beek / С. J. van der Beek, M. Konczykowski, V. M. Vinokur, T. W. Li, P.

H. Kes, and G. W. Crabtree // Phys. Rev. Lett. - 1995. - V. 74. -P. 1214-1217.

[4] Amato, J. C. Measurement of the Superconducting OrderParameter Relaxation Time from Harmonic Generation / J. C. Amato, W. L. McLean // Phys. Rev. Lett. - 1976. - V. 37 - P. 930 - 933.

[5] Горьков, JI. П. Обобщение уравнений теории Гинзбурга-Ландау для нестационарных задач в случае сплавов с парамагнитными примесями / Л. П. Горьков, Г. М. Элиашберг // ЖЭТФ. - 1968.

- Т. 54. - Вып. 2. - С. 612-626.

[6] Nguyen, P. P. Nonlinear surface impedance for УВаъСиъОт-х thin films: Measurements and a coupled-grain model / P. P. Nguyen, D. E. Oates, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus // Phys. Rev. B.

- V. 48. - P. 6400-6412.

[7] Beek, C. J. Linear and nonlinear ac response in the superconducting mixed state / C. J. van der Beek, V. B. Geshkenbein, and V. M. Vinokur // Phys. Rev. B. - 1993. - V. 48. - P. 3393-3403.

[8] Жаров, А. А. Тепловой S-N переход в тонкой сверхпроводниковой пленке, стимулированный падающим элекромагнитным излучением / А. А. Жаров, А. Л. Короткое, А. Н. Резник // СФХТ.

- 1992. - Т. 5. - 419-422.

[9] Takeuchi, I. Low temperature scanning-tip microwave near-field microscopy of УВагСщОч-х films / I. Takeuchi, T. Wei, Fred Duewer, Y. K. Yoo, X.-D. Xiang, V. Talyansky, S. P. Pai, G. J. Chen, and T. Venkatesan // Appl. Phys. Lett. - 1997. - V. 71. - P. 2026-2028.

[10] Wensheng, Hu. Imaging of microwave intermodulation fields in a superconducting microstrip resonator / Wensheng Hu, A. S. Thanawalla, B. J. Feenstra, F. C. Wellstood, and Steven M. Anlage // Appl. Phys. Lett. - 1999. - V. 75. - P. 2824-2826.

[11] Clarke, J. Wired for the future / J. Clarke and D. C. Larbalestier // Nature Phys. - 2006. - V. 2. - P. 794-796.

[12] Wilker, C. Nonlinear effects in high temperature superconductors: 3rd order intercept from harmonic generation / C. Wilker, Z.-Y. Shen, P. Pang, W. L. Holstein, and D. W. Face // IEEE Trans. Appl. Supercond. - 1995. - V. 5. - P. 1665-1670.

Список публикаций автора по теме диссертации

[А1] Курин, В. В. Исследование локального нелинейного СВЧ отклика ВТСП керамики / Курин В. В., Ноздрин Ю. Н., Пестов Е. Е., Ржавин М. Г. // 9-я Международная Конференция "СВЧ-техника и телекоммуникационные системы": Севастополь, тезисы докладов, 1999. - С. 272-273.

[А2] Pestov, Е. Е. Third-order local nonlinear microwave response of YBCO and Nb thin films / E. E. Pestov, V. V.Kurin, Yu. N. Nozdrin // Applied Supercondutivity Conference: USA, Virginia Beach, abstract book, 2000. - P. 60.

[A3] Курин, В.В. Нелинейный локальный микроволновый отклик сверхпроводящих пленок / Курин В. В., Ноздрин Ю. Н., Пестов Е. Е. // 32 всеросийское совещание по физике низких температур: тезисы докладов, Казань, 2000. - С. 54.

[А4] Pestov, Е. Е. Third-order local nonlinear microwave response of superconductors / E. E. Pestov, V. V.Kurin, Yu. N. Nozdrin, A. A. Andronov, A. M. Cucolo, R. Monaco, M. Boffa // 8th International Superconductive Electronics Conference (ISEC 01): Osaka, Japan, Extended Abstracts, 2001. - P. 499-500.

[A5] Pestov, E. E. Third-order local nonlinear microwave response of YBCO and Nb thin films / E. E. Pestov, V. V.Kurin, Yu. N. Nozdrin // IEEE Tran. on Appl. Supercond. - 2001. - V. 11. - P. 131-134.

[A6] Klimov, A. Yu. Percularities of the resestive state in Mo/Si superlattices in a magnetic field / A. Yu. Klimov, M. A. Kucherenko, E. E. Pestov, V. V. Kurin, Yu. N. Nozdrin, V. L. Mironov, A. Yu. Aladyshkin // International conference "Modern Problem of superconductivity": Yalta, Ukraine, book of abstract, 2002. - P. 24.

[A7] Аладышкин, А. Ю. Исследование нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников с помощью локальной методики / А. Ю. Аладышкин, А. А. Андронов, Е. Е. Пестов, Ю. Н.Ноздрин, В. В. Курин, A. M.Cucolo, R. Monaco, М. Boffa // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2003. - Т. 46. - Вып. 2. - С. 123-143.

[А8] Востоков Н. В. Влияние катионного состава на сверхпроводящие и микроструктурные свойства пленов YBCO / Н. В. Востоков, С. В. Талонов, Б. А. Грибков, Ю. Н. Дроздов, Д. В. Мастеров,

В.Л. Миронов, Ю.Н. Ноздрин, Е.Е. Пестов // ФТТ. - 2003. - Т. 45. - Вып. 11. - С. 1923-1928.

[А9] Aladyshkin, A. Yu. Percularities of the resistive state in Mo/Si superlattices in a magnetic field Yu. Aladyshkin, A. Yu. Klimov, M. A. Kucherenko, E. E. Pestov, V. V.Kurin, Yu. N. Nozdrin, V. L. Mironov // Mod. Phys. Lett. B. - 2003. - V. 17. - N. 10-12. - P. 627-634.

[A10] Аладышкин, А. Ю. Сверхпроводящие свойства многослойных наноструктур на основе молибдена / А. Ю. Аладышкин, А. Ю. Климов, В. В. Курин, М. А. Кучеренко, В. JI. Миронов, Ю. Н. Ноздрин, Е. Е. Пестов, С. А. Тресков // XXXIII Совещание по физике низких температур: Екатеринбург, 2003. - С. 128.

[АН] Курин, В.В. Нелинейный микроволновый отклик Nb пленок / В. В. Курин, Ю. Н. Ноздрин, Е. Е. Пестов, А. А. Андронов // XXXIII Совещание по физике низких температур: Екатеринбург, 2003. - С. 130.

[А12] Аладышкин, А. Ю. Транспортные и нелинейные СВЧ свойства сверхтонких пленок молибдена и ниобия / А. Ю. Аладышкин, А. Ю. Климов, В. В. Курин, М. А. Кучеренко, Ю. Н. Ноздрин, Е. Е. Пестов // XXXIII Совещание по физике низких температур: Екатеринбург, 2003. - С. 119.

[А13] Kucherenko, М. A. Near-field Nonlinear Microwave Microscope For Study of Superconductor Properties / M. A. Kucherenko, V.V. Kurin, Yu. N. Nozdrin, E. E. Pestov // 11th International Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena: St. Peterburg, 2004. - P. 98.

[A14] Pestov, E. E. Near-field Nonlinear Microwave Microscope For Study of Superconductor Properties / E. E. Pestov, V.V. Kurin, Yu. N. Nozdrin, A. A. Andronov // llift International Student Seminar on Microwave Application of Novel Physical Phenomena: St. Peterburg, 2004. - P. 101.

[A15] Andreeva, M. A. Investigation of a thin 57Fe layer inside a superconducting structure Nb/57Fe/[Mo/Si]45/Si with standing waves at the nuclear resonant scattering beamline at ESRF / M. A. Andreeva, S. N. Vdovichev, Yu. N. Nozdrin , E. E. Pestov, N. N. Salashchenko , V. G. Semenov, B. Lindgren, L. Haggstrum, P.

Nordblad, В. Kalska, О. Leupold , R. Rueffer // Материалы совещания "Ренгеновская оптика-2003: Нижний Новгород, 2003. -С. 214.

[А16] Andreeva, М. A. Investigation of a thin 57Fe layer inside a superconducting structure Nb(70nm)/ 57Fe/[Mo/Si]45/Si with standing waves at the nuclear resonant scattering beamline at ESRF / M. A. Andreeva, S. N. Vdovichev, Yu. N. Nozdrin, E. E. Pestov, N. N. Salashchenko , V. G. Semenov, B. Lindgren, L. Hagstrem, P. Nordblad, B. Kalska, 0. Leupold , R. RuefFer // Изв. Акад. Наук Сер. Физ. - 2004. -Т.68. - Вып. 4. - С. 489-494.

[А17] Andreeva, М. A. Investigation of thin magnetic 57Fe layer being in contact with superconducting Nb layer by means of the nuclear resonant reflectivity / M. A. Andreeva, N. G. Monina, L. Haggstram, B. Lindgren, B. Kalska, P. Nordblad, S. Kamali-M, S. N. Vdovichev, Yu. N. Nozdrin, E. E. Pestov, N. N. Salashchenko, V. G. Semenov, O. Leupold and R. Ruffer // Proceedings of the Third Moscow International Symposium on Magnetism: Moscow, 2005. - P. 100.

[A18] Андреева, M. А. Исследование тонкого магнитного слоя 57Fe, находящегося в контакте со сверхпроводящим слоем Nb, методом ядерно-резонансного отражения /Андреева М. А., Монина Н. Г., Хаггстрем Л., Линдгрен В., Кальска Б., Нордблад П., Ка-мали М. С., Вдовичев С. Н., Ноздрин Ю. Н., Пестов Е. Е. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2006. - Т. 6. - С. 96-101.

[А19] Михайлов, М. Ю. Сверхпроводимость межфазной границы двухслойных гетероструктур на основе полупроводниковых мо-нохалькогенидов / М. Ю. Михайлов, О. И. Юзефович, Н. Я.Фогель, Ю. В. Бомзе, Е. И. Бухштаб, А. Ю. Аладышкин, Е. Е. Пестов, Ю. Н. Ноздрин, А. Ю. Сипатов, В. В. Валуев // Материалы Симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника": Н. Новгород, 2005. - С. 381.

[А20] Юзефович, О. И. Сверхпроводимость границ раздела полупроводниковых слоев в двухслойных и многослойных гетерострук-турах типа AIVBVI / О. И. Юзефович, М. Ю. Михайлов, Н. Я. Фогель, Ю. В. Бомзе, Е. И. Бухштаб, А. Ю. Аладышкин, Е. Е. Пестов, Ю. Н. Ноздрин, А. Ю.Сипатов, В. В. Волобуев // ФНТ. - 2008. - Т. 34. - Вып. 12. - С. 1249-1258.

[А21] Baryshev, S. V. Size of X-ray coherent region and nonlinear microwave response of epitaxial YBCO films/ S. V. Baryshev, E. E. Pestov, A. V. Bobyl, Yu. N. Nozdrin, and V. V. Kurin // Phys. Rev. B. - 2007. - Vol.76. - N. 1. - P. 054520-1-054520-5.

[A22] Барышев, С. В. Нелинейые СВЧ свойства блочных эпитакси-альных пленок YBCO вблизи сверхпроводящего перехода/ С. В. Барышев, А. В. Бобыль, В. В. Курин, Ю. Н. Ноздрин, Е. Е. Пестов, Р. А. Сурис // ЖЭТФ. - 2007. - Т. 132. - Вып. 1. - С. 278-282.

[А23] Ноздрин, Ю. Н. Влияние микроструктуры на электрофизические и нелинейные СВЧ свойства эпитаксиальных пленок YBCO / Ю. Н. Ноздрин, Е. Е. Пестов, В. В. Курин, С. В. Барышев, А. В. Бобыль, С. Ф. Карманенко, Д. А. Саксеев, Р. А. Сурис // ФТТ. - 2006. - Т. 48 - Вып. 12. - С. 2136-2145.

[А24] Ноздрин, Ю. Н. Влияние микроструктуры на электрофизические и нелинейные СВЧ свойства эпитаксиальных пленок YBCO / Ю. Н. Ноздрин, Е. Е. Пестов, В. В. Курин, С. В. Барышев, А. В. Бобыль, С. Ф. Карманенко, Д. А. Саксеев, Р. А. Сурис // Труды Второй международной конференции "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС-06": г. Звенигород, 9-13 октября 2006. - С. 150.

[А25] Барышев, С. В. СВЧ свойства эпитаксиальных кристаллитных пленок YBCO вблизи порога протекания / С. В. Барышев, А. В. Бобыль, В. В. Курин, Ю. Н. Ноздрин, Е. Е. Пестов, Р. А. Сурис / / XXXIV Совещание по физике низких температур: Ростов-на-Дону, 2006. - С. 246.

[А26] Пестов, Е. Е. Особенности нелинейного СВЧ отклика Nb пленок / Е. Е. Пестов, Ю. Н. Ноздрин, В. В. Курин // Труды третьей международной конференции "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС-08": г. Звенигород, 13-17 октября 2008. - С. 338.

[А27] Пестов, Е. Е. Особенности транспортных и нелинейных СВЧ свойств Nb пленок во внешнем магнитном поле / Е. Е. Пестов, Ю. Н. Ноздрин, В. В. Курин // Труды четвертой международной конференции "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости ФПС-11": г. Звенигород, 3-7 октября 2011. - С. 118.

Пестов Евгений Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО СВЧ ОТКЛИКА СВЕРХПРОВОДНИКОВ МЕТОДОМ БЛИЖНЕПОЛЬНОЙ СВЧ МИКРОСКОПИИ

Автореферат

Подписано к печати 26 января 2012 г. ,! Тираж 100 экз.

> . '

Отпечатано на ризографе Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики микроструктур Российской академии наук, 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

61 12-1/1114

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МИКРОСТРУКТУР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукрписи Пестов Евгений Евгеньевич (.....ь

Исследование нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников методом ближнепольной СВЧ микроскопии

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Научный руководитель:

доктор физико - математических наук В.В. Курин

Нижний Новгород — 2012

Содержание

Введение 5

1 Современное состояние проблемы нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников. Модели нелинейного СВЧ отклика и методы исследования 19

1.1 Введение ........................................................................19

1.2 Нелинейные эффекты в сверхпроводниках..................................21

1.3 Экспериментальные методики исследования нелинейного СВЧ отклика

в сверхпроводниках............................................................22

1.4 Механизмы нелинейности......................................................27

1.4.1 Нелинейный СВЧ отклик в теории Гинзбурга-Ландау............27

1.4.2 Джозефсоновский механизм нелинейности..........................31

1.4.3 Тепловой механизм нелинейности....................................36

1.4.4 Вихревая нелинейность................................................39

1.5 Краткие выводы................................................................42

2 Метод нелинейной ближнепольной СВЧ микроскопии 43

2.1 Введение ........................................................................43

2.2 Блок-схема экспериментальной установки..................................44

2.3 Криогенная система............................................................46

2.4 Расчет нелинейного СВЧ отклика сверхпроводника в приближении слабой нелинейности ..........................................................49

2.5 Выводы..........................................................................57

3 Применения метода ближнепольной нелинейной СВЧ микроскопии для исследования сверхпроводящих свойств сверхпроводников 58

3.1 Введение ........................................................................58

3.2 Характеристики образцов. Методики транспортных и магнитных измерений........................................................................60

3.3 Корреляция нелинейного СВЧ отклика и транспортных измерений. Бесконтактная методика определения критической температуры сверхпроводников ....................................................................63

3.4 Определение характерного критического тока нелинейности в сверхпроводниках .................................. 71

3.5 Исследования фазового состава сверхпроводников .... ................78

3.6 Тестирование однородности сверхпроводящих пленок и сверхпроводящих структур на их основе.......................... 80

3.7 Магнитные свойства сверхпроводников................... 84

3.8 Выводы..................................... 88

4 Влияние микроструктуры эпитаксиальных пленок УВа2Сщ07_х на их нелинейные СВЧ свойства 89

4.1 Введение ........................................................................89

4.2 Параметры образцов ............................. 91

4.3 Структурные исследования....................................................92

4.4 Зондовые исследования........................................................93

4.5 Экспериментальные результаты. Корреляция структурных и сверхпроводящих параметров............................................................97

4.6 Феноменологическая модель композитного сверхпроводника..............99

4.7 Выводы.....................................109

5 Нелинейные СВЧ свойства пленок ИЪ во внешнем магнитном поле 110

5.1 Введение ....................................110

5.2 Параметры образцов .............................112

5.3 Экспериментальные результаты.......................113

5.3.1 Поведение температурной зависимости мощности третьей гармоники в пленках ИЪ во внешнем постоянном магнитном поле . 113

5.3.2 Корреляция транспортных и нелинейных СВЧ свойств пленок

ИЬ во внешнем магнитном поле...................117

5.4 Обсуждение экспериментальных результатов ...............118

5.4.1 Область слабых магнитных полей..................119

5.4.2 Область сильных магнитных полей....... ..........125

5.5 Выводы.....................................128

Выводы 129

Список публикаций автора по теме диссертации 132

Список цитированной литературы 137

Введение

Актуальность темы

С момента открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) прошло более двадцати лет. Однако, несмотря на большое количество работ [1], посвященных изучению физических свойств ВТСП, остается много нерешенных проблем: механизм ВТСП, симметрия параметра порядка ВТСП, вихревые состояния в сверхпроводниках и т.д. Исследования нелинейных СВЧ свойств открывают широкие возможности для изучения фундаментальных свойств сверхпроводников. В частности, теоретически было показано, что возрастание нелинейности в области низких температур может свидетельствовать о (¿-симметрии параметра порядка ВТСП [2]. На основе измерений нелинейного отклика изучались вихревые состояния на фазовой диаграмме ВТСП. Кроме этого, из температурной зависимости мощности сигнала на частоте третьей гармоники было определено время релаксации параметра порядка в низкотемпературном сверхпроводнике [3]. Таким образом, экспериментальное изучение нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников представляют интерес с точки зрения фундаментальной физики.

Исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников были начаты еще в 1960-х годах [4,5]. В этих работах были предприняты первые попытки понимания природы нелинейного СВЧ отклика традиционных сверхпроводников. Интерес к данной тематике возобновился в связи с открытием ВТСП, т. к. сильные нелинейные эффекты регистрируются в них (например, [6, 7]). Для объяснения нелинейного отклика сверхпроводников предложено большое количество моделей нелинейности: нелинейность, связанная с подавлением модуля параметра порядка сверхтоком [8,9]; с наличием джозефсоновских связей между гранулами в исследуемых образцах [10,11]; с движением вихрей в непараболическом потенциале пиннинга [12]; с термически активированными скачками вихрей в потенциале пиннинга [13]; с вязким течением вихрей [14]; с тепловой нелинейностью [15, 16] и др. Однако при температурах близких к Тс все величины критических токов, характеризующих различные

механизмы нелинейности, стремятся к нулю, и многие механизмы могут давать вклад в полный нелинейный отклик. Поэтому вопрос о том, как экспериментально выделить различные вклады в нелинейном СВЧ отклике сверхпроводника в области температур близких к Тс остается до сих пор актуальным.

Экспериментальные исследования показали, что нелинейный СВЧ отклик сверхпроводников может определятся не только фундаментальными свойствами сверхпроводника, но и влиянием краев образца или дефектами структуры. Поэтому для исключения источников нелинейности технологического происхождения необходимо использовать локальные методы для исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников. Для исследований линейных локальных СВЧ свойств сверхпроводников 1990-х годах такие методы были развиты на основе ближнепольной СВЧ микроскопии [17,18]. В то же время, для исследований нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников эти методы практически не применялись. Поэтому экспериментальные исследования нелинейных СВЧ свойств с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии являются важной задачей для изучения механизмов нелинейности в сверхпроводниках.

Исследования механизмов нелинейности сверхпроводников интересны также с прикладной точки зрения. В настоящее время ВТСП широко используются в фильтрах, мультиплексорах, линиях задержки, резонаторах и т.д. [6, 7, 19-26]. Однако, при увеличении мощности СВЧ сигнала нелинейность СВЧ отклика сверхпроводников приводит к возрастанию потерь в фильтрах и резонаторах или искажению сигнала в линиях передач, что ограничивает их применимость. Поэтому результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для минимизации этих эффектов в пассивных сверхпроводящих СВЧ устройствах.

Исследования нелинейных СВЧ свойств методом ближнепольной СВЧ микроскопии также важны для тестирования параметров пленок, которые используются при изготовлении сверхпроводящих СВЧ структур. Необходимым условием является сохранение качества поверхности образца в процессе диагностики, что может быть осуществимо только на основе бесконтактных неразрушающих методик. В то же время, при изготовлении сверхпроводящих структур важна их однородность. Поэто-

му для локальной бесконтактной диагностики были предложены различные методы ближнепольной СВЧ микроскопии, которые позволяют исследовать СВЧ свойства сверхпроводников и сверхпроводящих структур с достаточно высоким разрешением [17,18]. Однако, методы тестирования основных сверхпроводящих параметров с помощью этих методик были не достаточно развиты. Поэтому развитие методов бесконтактной локальной диагностики сверхпроводящих параметров на основе изучения локальных нелинейных СВЧ свойств является важной задачей.

Цель работы

Целями настоящей диссертации являются:

- проведение экспериментальных исследований нелинейных СВЧ свойств с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии для определения механизмов, ответственных за нелинейный СВЧ отклик в высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводниках;

- развитие методов локальной бесконтактной диагностики качества сверхпроводников и определение локальных сверхпроводящих параметров на основе изучения транспортных и нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.

Объект и методы исследования

Объектом исследований являются тонкие YBa2Cu307 и Nb сверхпроводящие пленки, монокристаллы УВа2СщОт, поликристаллы YBa2Cu307, многослойные структуры Mo/Si, М0/В4С и PbTe/PbS.

При решении экспериментальных задач применялись следующие методики: ближнепольная нелинейная СВЧ микроскопия, сканирующая холловская магнитометрия, резистивные транспортные измерения, низкотемпературная микроскопия, метод рентгеноструктурного анализа. При численном моделировании в расчетах использовались: уравнение теплового баланса, модель эффективной среды, модель Вина, модель нелинейной вязкости вихрей, модель крипа магнитного потока.

Научная новизна

1. Впервые ближнепольный СВЧ зонд с индуктивной связью использован для изучения локальных нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников и сверхпроводящих структур.

2. Установлена корреляция между температурной зависимостью нелинейного СВЧ отклика и температурной зависимостью удельного сопротивления сверхпроводника для высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников.

3. Исследовано влияние микроструктуры пленок У ВС О на их нелинейные СВЧ свойства при температурах близких к Тс.

4. Предложена феноменологическая модель, основанная на модели эффективной среды для анализа нелинейного СВЧ отклика гранулированных сверхпроводников.

5. Для пленок ИЬ при температурах близких к Тс обнаружена немонотонная зависимость амплитуды максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники от внешнего постоянного магнитного поля.

6. Показано, что в постоянном магнитном поле менее 500 Гс при высокой СВЧ мощности нелинейные СВЧ свойства пленок ЫЪ обусловлены нелинейной вязкостью вихрей.

Научная и практическая значимость

Научная значимость работы состоит в изучении локальных нелинейных СВЧ свойств высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников методом ближнепольной СВЧ микроскопии с целью определения механизмов нелинейного СВЧ отклика в них.

Практическая значимость результатов заключается в возможности их использования для:

- бесконтактной диагностики локальных параметров высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников и сверхпроводящих структур, выполненных на их основе с помощью метода нелинейной ближнепольной СВЧ микроскопии;

- уменьшения нелинейных СВЧ эффектов в пленках УВСО за счет увеличения среднего размера кристаллита;

- уменьшения нелинейных СВЧ потерь в ниобиевых СВЧ резонаторах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод ближнепольной СВЧ микроскопии, основанный на использовании зонда с индуктивной связью, может быть применен для исследований нелинейных СВЧ

свойств сверхпроводников.

2. Критической температура, измеренная с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии, коррелирует с критической температурой, определенной из резистивных измерений, для различных сверхпроводников.

3. Полуширина температурной зависимости мощности третьей гармоники коррелирует со средним размером кристаллита и критическим током пиннинга для пленок YBCO.

4. В пленках YBCO при больших размерах микрокристаллитов нелинейный СВЧ отклик определяется внутрикристаллитным пиннингом вихрей, а при уменьшении их размеров появляется дополнительный вклад в отклике, связанный с пиннингом магнитного потока на джозефсоновской сетке межкристаллитных границ.

5. При температурах близких к Тс амплитуда максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники пленок Nb немонотонно зависит от внешнего постоянного магнитного поля.

Личный вклад автора в получение результатов

- равнозначный вклад (совместно с Ю.Н. Ноздриным и В.В. Куриным) в разработку метода ближнепольной СВЧ микроскопии, основанного на использовании зонда с индуктивной связью [А1, A3, А5, А7, All];

- равнозначный вклад (совместно с Ю.Н. Ноздриным) в экспериментальное исследование нелинейного СВЧ отклика различных сверхпроводников в зависимости от температуры, магнитного поля и пространственных распределений мощности третьей гармоники для пленок ВТСП и основной вклад в анализ экспериментальных данных [А1 - А24];

- основной вклад в измерение температурных зависимостей мощности третьей гармоники и величины тока пиннинга для пленок YBaCuO с различным размером кристаллита и равнозначный вклад (совместно с В.В. Куриным) в проведение анализа экспериментальных данных в рамках феноменологической модели двухфазной среды [А25-А29];

- основной вклад в измерения нелинейного СВЧ отклика и вольт-амперных характеристик пленок Nb во внешнем постоянном магнитном поле и обработку экспериментальных данных на основе моделей нелинейной вязкости вихрей, джоулева нагрева сверхпроводника и крипа магнитного потока [А5, All, А15,А16, А18, АЗО, А31].

Апробация работы

Диссертация выполнена в Институте физики микроструктур РАН в период с 1997 по 2012 год.

Основные результаты были представлены на Всероссийских совещаниях по физике низких температур (Казань — 2000 г., Екатеринбург — 2003 г., Ростов-на-Дону— 2006 г.); 2-4-ая, Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (Звенигород - 2006, Звенигород -2008, Звенигород -2011); на международной конференции по прикладной сверхпроводимости (Virginia Beach—2000), на международной конференции по сверхпроводящей электронике (Osaka—2001 г.), на 11 международном студенческом семинаре по СВЧ приложениям (Санкт-Петербург—2004 г.), международной конференции по современным проблемам сверхпроводимости (Ялта—2002 г.), 9-ой международной микроволновой конференции (Севастополь—1999 г.); на нижегородских сессиях молодых ученых (Н. Новгород — 2000-2002 гг.); и опубликованы в работах [А1-А31]. Основные результаты диссертационной работы также обсуждались на семинарах в Институте физики микроструктур РАН и ФТИ РАН.

Публикации

По теме диссертации опубликована 31 работа (10 статей в реферируемых журналах, 10 докладов на международных конференциях, 7 докладов на всероссийских конференциях и совещаниях, 4 доклада на нижегородских сессиях молодых ученых).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка работ автора по теме диссертации, списка цитированной литературы из 170 работ. Общий объем диссертации 154 страницы, включая 50 рисунков и 1 таблицу.

Первая глава посвящена современному состоянию проблемы нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников.

В разделе 1.1 сделаны вводные замечания о нелинейных эффектах, которые наблюдаются в сверхпроводниках, механизмах нелинейного СВЧ отклика и методиках исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.

В разделе 1.2 рассмотрены основные нелинейные эффекты, которые наблюдаются в сверхпроводящих СВЧ устройствах: зависимость величины поверхностного импеданса сверхпроводника от мощности СВЧ сигнала, генерация гармоник основной частоты и интермодуляционные искажения СВЧ сигнала.

В разделе 1.3 сделан обзор основных экспериментальных методов исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников. Показано, что методики, основанные на использовании, например, объемных или планарных резонаторов наряду с их преимуществами обладают рядом недостатков. Во-первых, при исследованиях с помощью этих методик делается предположение об однородности материала. Во-вторых, также известно, что в случае планарных резонаторов края образца вследствие концентрации токов могут существенно влиять на измерения нелинейного СВЧ отклика. Поэтому для изучения нелинейных СВЧ свойств необходимо использовать локальные методы, которые позволяют избавится от влияния краев образцов и учитывать их неоднородность. Для исследования локальных свойств сверхпроводников в 1990-х годах были пр�