Исследование параметров низкоразмерных проводников и высокотемпературных сверхпроводников в диапазоне СВЧ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (ЛЭТИ)

На правах рукописи

Кузнецов Виктор Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ПРОВОДНИКОВ И ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ В ДИАПАЗОНЕ СВЧ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор Вендик И.Б.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4 Глава 1. КОМПЛЕКСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ

ПРОВОДНИКОВ И ВТСП В ДИАПАЗОНЕ СВЧ(Обзор). 12

1.1. Экспериментальные результаты исследования низкоразмерных проводников 12

1.1.1. Неорганические низкоразмерные проводники 12

1.1.2. Органические низкоразмерные проводники 21

1.2. Феноменологические модели кинетических процессов в низкоразмерных проводниках 24

1.3. СВЧ-электропроводность монокристаллических образцов ВТСП и поведение эпитаксиальных пленокпод воздейс-

'*• ''V*' -.»«л-*

твием транспортного тока " ' ' 28

1.4. Феноменологические модели ВТСП 39

1.5. Метод возмущений объемного резонатора 46 1.5. Оценка состояния проблемы и постановка задачи 49 Глава 2. АНАЛИЗ РАЗРЕШАКШЕЙ СПОСОБНОСТИ И ПРЕДЕЛОВ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДА ВОЗМУЩНИЙ ОБЪЕМНОГО РЕЗОНАТОРА 52

2.1. Разрешающая способность метода возмущений объемного резонатора при измерении низкоразмерных проводников 52

2.2. Измерение комплексной электропроводности монокристаллов ВТСП в объемном резонаторе 61

2.3. Выводы 69 Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ПРОВОДНИКОВ 71

3.1. Экспериментальная установка для измерения СВЧ электропроводности в широком температурном диапазоне 71

3.2. Электропроводность органического проводника (ЕТ)хРЬ3Вг8 и "ванадиевых" бронз Ад0^2О5 и Си0.ззЫо.о5-о^205 81

3.3. Электропроводность соединений TTF[M(dmit)2Ь/

М = Pd, Ni 83

3.4. Анализ параметрического режима 90

3.5. Выводы 102 Глава 4. ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И КОММУТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОРАЗМЕРНЫХ ПРОВОДНИКОВ И ВТСП 103

4.1. Измерение динамических параметров низкоразмерных проводников под воздействием внешнего электрического и

СВЧ поля 103

4.2. Переключение низкоразмерных проводников внешним электрическим полем 109

4.3. Нелинейный динамический отклик низкоразмерных проводников на одновременное воздействие двух СВЧ сигналов (режим прямого смешения) 111

4.4. Измерение S-параметров и коммутационных характеристик элементов на пленках ВТСП в широком интервале температур 116

4.5. Переключательный СВЧ элемент на пленке ВТСП 120

4.6. Модулятор неотражательного типа на пленке ВТСП 133

4.7. Выводы 137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142 АВТОРСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 145 ЛИТЕРАТУРА 147

ВВЕДЕНИЕ

За всю историю исследования сверхпроводимости постоянной целью являлось нахождение или создание новых соединений, обладающих более высокой критической температурой Тс перехода в сверхпроводящее состояние. Результатом таких открытий могли бы быть как расширение теоретических знаний в области физики твердого тела, так и разнообразные практические применения сверхпроводников.

Так возникает идея высокотемпературного сверхпроводника в одномерной системе, изложенная в работе Литтла [1], с экситон-ным механизмом сверхпроводимости и критической температурой большей, чем у обычных сверхпроводников. В попытке реализовать эту идею были синтезированы органические проводники, имеющие весьма характерное строение: большие плоские молекулы упаковываются в стопки с сильным перекрытием волновых функций вдоль стопок; взаимодействие же стопок друг с другом весьма слабое. Такие проводники называются низкоразмерными, так как хотя они и представляют собой реальные трехмерные объекты, однако имеют сильную анизотропию электронных свойств. Квазиодномерные (10) проводники имеют одно хорошо проводящее направление, в квазидвумерных (20) проводниках существуют хорошо проводящие плоскости, электронные характеристики которых отличаются от характеристик в поперечном направлении.

Их экспериментальное исследование не подтвердило гипотезу о возможности сверхпроводимости в одномерной системе, но показало, что при понижении температуры они испытывают фазовый переход металл-диэлектрик. Широкий спектр новых физических явлений, наблюдаемых в низкоразмерных проводниках, привел к весьма

широкому теоретическому и экспериментальному исследованию новых проводников.

Рассматривают три основные причины перехода в диэлектрическое состояние: переход Мотта-Хаббарда за счет сильного ку-лоновского отталкивания; андерсоновская локализация и переход Пайерлса - возникновение щели на уровне Ферми в спектре электронов проводимости за счет периодического искажения кристаллической решетки с волновым вектором, равным удвоенному волновому вектору Ферми {(¡ = 2к ) [2] .

В последнем случае периодическая деформация решетки приводит к пространственной модуляции плотности заряда и образованию волны зарядовой плотности (ВЗП), плотность заряда которой подчиняется закону р = р0со^х+ф), где q, ц, - волновой

вектор, фаза и амплитуда ВЗП.

Низкоразмерные проводники с переходом пайерлсовского типа представляют наибольший интерес, так как образование ВЗП делает их похожими, с одной стороны, на сверхпроводники, благодаря наличию конденсата, и на полупроводники, с другой, вследствие наличия энергетической щели и термически возбуждаемых через нее электронов. А главное, кинетические явления, наблюдаемые в низкоразмерных материалах, в значительной степени обусловлены свойствами сконденсированных в ВЗП электронов, что приводит к их специфичности, не свойственной трехмерным объектам. А именно:

- нелинейность статической вольт-амперной характеристики

(ВАХ);

- дисперсия электропроводности в широком интервале частот, включая СВЧ диапазон;

- генерация узкополосного периодического шума.

Эти явления находят объяснение в рамках феноменологических моделей, описывающих коллективный механизм движения ВЗП.

Инерционные свойства системы с ВЗП таковы, что наиболее информативными оказываются исследования в диапазоне СВЧ. Наиболее значимым параметром, характеризующим низкоразмерные проводники, является комплексная электропроводность а(со) = а, + _/а2 . Именно измерение СВЧ электропроводности низкоразмерных проводников в широком температурном интервале дает информацию о природе фазового перехода. Также результаты измерения электропроводности используются для решения вопросов согласования образцов низкоразмерных проводников при включении их в цепь СВЧ. Кроме того экспериментальные результаты исследований в этом диапазоне частот можно непосредственно использовать в практических целях. Здесь могут бьггь разработаны новые элементы радиоэлектроники с расширенными функциональными возможностями.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), имеющих температуру фазового перехода значительно большую, чем у обычных (называемых низкотемпературными) сверхпроводников, переключило интерес исследователей с низкоразмерных проводников на ВТСП.

Высокотемпературные сверхпроводники представляют собой сложные металлооксидные соединения с кристаллической структурой близкой к структуре природного минерала - перовскита. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у наиболее изученных соединений ВТСП составляет 90-110К, однако в последнее время появились соединения, имеющие температуру перехода выше 160К.

Как и классические низкотемпературные сверхпроводники ВТСП характеризуются нулевым сопротивлением ниже Тс на посто-

янном токе, эффектом вытеснения магнитного поля в сверхпроводящем состоянии (эффект Мейсснера). Наряду с этим ВТСП обладают рядом характеристик, значительно отличающихся или отсутствующих у классических сверхпроводников. В частности для ВТСП характерна анизотропия сверхпроводящих свойств и, следовательно, анизотропия Лондоновской глубины проникновения Л*,. Кроме того ВТСП характеризуются наличием остаточного сопротивления на переменном токе.

Специфические особенности ВТСП не позволяют описать процессы, происходящие в них, на основе теории БКШ (теории Бар-дина-Купера-Шриффера). В настоящее время для объяснения и практических расчетов используются феноменологические модели. Поэтому для тщательного изучения ВТСП необходимо накопить экспериментальный материал.

Как и для низкоразмерных проводников, одной из самых информативных характеристик ВТСП является температурная зависимость комплексной электропроводности о - о + у а в диапазоне СВЧ.

Однако из-за большой сложности экспериментального измерения комплексной электропроводности в настоящее время широко иполь-зуется измерение поверхностного импеданса Z -Я + ]Х , которое

имеет большое значение в практическом использовании ВТСП в радиоэлектронике .

Целью настоящей работы является исследование применимости метода возмущений объемного резонатора для измерения комплексной электропроводности низкоразмерных проводников и высокотемпературных сверхпроводников и комплексное экспериментальное исследование СВЧ электропроводности низкоразмерных проводников и высокотемпературных сверхпроводников.

ё

Объектами исследования в работе являются квазиодномерные неорганические проводники ТаБз и Ко.3Мо03. Кристаллы ТаБз синтезированы в ИРЭ РАН Латышевым Ю.И. (г.Москва) . Кристаллы К0.3М0О3 и "ванадиевые" бронзы Ад0.з3У2О5 и Си0.зз^л-о.05-0.з^205 синтезированы в институте химии РАН П.Новаком (г.Екатеринбург). Соединение (ЕТ)хРЬ3Вг8 синтезировано Любовской Р.Н. (ИХФЧ РАН) . Квазиодномерные органические проводники ТТЕ[Р^<±ш.1:)2]2 и ТТЕ[М (сЗтгЪЬЬ синтезированы П.Касу и предоставлены Л.Броссаром (Франция). Монокристаллические эпитаксиальные пленки высокотемпературного сверхпроводника УВа2Сиз07 на подложках МдО изготовлены в группе Пиля в университете г.Вупперталя (Германия), а на подложках ЬаА103 изготовлены в институте физики микроструктур РАН (г.Нижний Новгород).

Основные методы исследования. Теоретические методы электродинамики и теории связи и параметрических колебаний. Измерения СВЧ-проводимости в широком интервале температур производились методом малых возмущений объемного резонатора. Для проведения экспериментальных исследований параметрического режима, режима прямого смешения и коммутационных параметров были разработаны специальные экспериментальные методики.

Научная новизна и основные защищаемые положения.

Проведена оценка применимости метода малых возмущений объемного резонатора для измерения комплексной электропроводности низкоразмерных проводников и монокристаллов ВТСП. В работе впервые получены температурные зависимости СВЧ электропроводности и диэлектрической проницаемости органических низкоразмерных проводников ТТЕ[Рс1 (сЗтгЬ) 2] 2 на частоте 2ГГц и

ТТР[Ы1 (сЫ-ЬЬЬ на частотах 2ГГц и ЗбГГц. Для первого материала получены дифференциальная ВАХ на постоянном токе и нелинейный отклик в режиме прямого смешения. Получены данные по переключению низкоразмерных неорганических проводников ТаБз и К0.3М0О3 постоянным электрическим полем в присутствии СВЧ сигнала различной амплитуды. Исследованы пленки ВТСП в режиме переключения под действием транспортного тока в составе СВЧ модулятора и фазовращателя.

В результате проведенных исследований получены новые научные результаты, позволяющие сформулировать научные положения.

1. Измерения комплексной электропроводности монокристаллов ВТСП методом возмущения объемного резонатора возможно в миллиметровом диапазоне с использованием специальных методов обработки для измерения малых уходов резонансной частоты и изменения ширины резонансной кривой. При этом разрешающая способность эксперимента увеличивается с ростом частоты.

2. Реализация параметрических элементов с коэффициентом усиления Ка > 1 на квазиодномерных неорганических проводниках принципиально возможна на частотах ниже граничной частоты ,

зависящей от тока ВЗП и заряда ВЗП, приходящегося на один пространственный период. Для квазиодномерного неорганического проводника ЫЬБез граничная частота имеет порядок 1МГц.

3. Характер температурной зависимости комплексной электропроводности квазиодномерного органического проводника ТТРСРйСсЬга^ЬЬ в диапазоне СВЧ позволяет утверждать, что испытываемый им фазовый переход является переходом пайерлсовского типа с образованием ВЗП. Однако наблюдаемые особенности нелинейного поведения на СВЧ и постоянном токе не могут быть уч-

тены только коллективным движением ВЗП в рамках известных феноменологических моделей.

4. Применение квазиодномерных неорганических проводников ТаЭз и К0.3М0О3 в качестве коммутационных элементов целесообразно в частотном диапазоне / < 100МГц, в то время как в СВЧ диапазоне их применение неэффективно, что объясняется частотной дисперсией комплексной электропроводности.

Практическая значимость работы оценивается следующими результатами:

1. Определены пределы применимости метода возмущений объемного резонатора к измерению монокристаллических образцов с высокой электропроводностью.

2. Проведена оценка принципиальной возможности применения низкоразмерных проводников в качестве параметрических элементов и определены требования к ним для применения в диапазоне СВЧ.

3. Проведена оценка возможности применения низкоразмерных проводников в качестве коммутационных элементов в диапазоне СВЧ.

7. Показано, что эффективный модулятор СВЧ диапазона, обладающий высокой скоростью модуляции и широкополосностью может быть реализован на пленках ВТСП с управляющими элементами в виде мостиков шириной 10 - 20 мкм и длиной 1 < 1 мм.

4. Разработаны управляющие элементы и ИС СВЧ модулятора на основе пленок ВТСП.

5. Разработаны рекомендации по практическому применению полученных результатов в радиоэлектронике, в частности, ис-

пользование исследованных материалов в качестве элементов СВЧ ИС с улучшенными (по сравнению с традиционными) параметрами.

Апробация работы. Результаты данной работы докладывались и обсуждались на VI Всесоюзном симпозиуме "Неоднородные электронные состояния" (1991 г., г.Новосибирск), на международной конференции по синтетическим металлам 1СЗМ'92 (1992 г., г.Гетеборг, Швеция) , на XXIII европейской конференции по СВЧ технике 23^ ЕиМС (1993 г., г.Мадрид, Испания), на национальном симпозиуме по СВЧ технике и высокоскоростной электронике "Гигагерц-94" (1994 г., г.Линчопинг, Швеция), на XXIV европейской конференции по СВЧ технике 24& ЕиМС (1994 г., г.Канны, Франция).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Список литературы включает 133 наименования, в том числе и работы автора. Основная часть работы изложена на 88 страницах печатного текста. Диссертация содержит 70 рисунков и 3 таблицы.

ГЛАВА 1. КОМПЛЕКСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ НИЗКОРАЗМЕРНЬК ПРОВОДНИКОВ И ВТСП В ДИАПАЗОНЕ СВЧ(ОБЗОР).

В настоящее время насчитывается большое число низкоразмерных проводников, имеющих фазовый переход металл-диэлектрик, в том числе переход пайерлсовского типа. Эти проводники охватывают большую группу органических соединений и небольшое количество неорганических соединений. Совокупность результатов исследования ряда характеристик этих материалов, в том числе температурной зависимости электропроводности, электропроводности в статическом и динамическом режимах, температурная зависимость парамагнитной восприимчивости, термо-э.д.с., позволяет достаточно достоверно определить природу фазового перехода и классифицировать тип диэлектрика ниже температуры перехода.

Температурная зависимость комплексной электропроводности монокристаллов является их важной характеристикой, достоверное экспериментальное исследование которой могло бы помочь в определении природы высокотемпературной сверхпроводимости и в построении ее физической модели. Однако в данное время наиболее распространенным является измерение поверхностного импеданса и ряда динамических характеристик пленок ВТСП ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

1.1. Экспериментальные результаты исследования комплексной электропроводности низкоразмерных проводников и влияния на нее внешнего воздействия.

1.1.1. Неорганические низкоразмерные проводники.

Неорганические квазиодномерные проводники можно разделить на два класса, характеризующиеся общностью кристаллографической структуры и проявлением специфических электрических

свойств в диэлектрической фазе: 1) трихалькогениды переходных металлов МэЗе3 и ТаБ3 (моноклинная и орторомбическая модификации) , соединения типа (МХ4)пА, где М = Та, Мэ; X = Бе, Б; А = I, Вг; 2) бронзы с общей формулой Агде А - металлы 1-ой группы, М = Мо, V: молибденовые ("голубые") бронзы Ао.3Мо03 (А = К, КЬ, Т1) и ванадиевые б�