Исследование поверхностного импеданса эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника YBa2 Cu3 O7-x в СВЧ диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ТАЛАНОВ Владимир Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ИМПЕДАНСА

ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА УВщСизОт-х в СВЧ ДИАПАЗОНЕ

01.04.03 — радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1997

Работа выполнена в Институте физики микроструктур Российской Академии наук (ИФМ РАН)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор А. А. Андронов. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук С. Н. Власов

кандидат физико-математических наук, доцент И. Л. Максимов

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (СПбГЭТУ)

Защита состоится*" кС?..." .\LiP.lUA.. 1997 года в ".О*.." часов на заседании диссертационного совета Д 063.77.09 в Нижегородском государственном университете им.Н. И. Лобачевского по адресу: 603600, Н. Новгород, ГСП-20, пр. Гагарина 23, корп. 4, радиофизический факультет, ауд. 203и

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского.

Автореферат разослан хйШ.. 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. В. Черепенников

Природой току течь <)апо, Но не иметь сопротивления. ---------------- ___ — ---------------- ---------------------------Сие есть важное явление.—

Да будет понято оно!

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1 Актуальность тематики

Реферируемая диссертационная работа посвящена псспедсваипям тто^ерт-ностного импеданса эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника УВа2Си307_х в СВЧ диапазоне.

Одно из уникальных свойств сверхпроводников состоит в том, что при температурах ниже критической электрический ток протекает через материал с пулевым или очень малым сопротивлением. Поптому чрезвычайно актуальным и интересным является поучение экранировки сверхпроводниками внешнего постоянного или переменного электромагнитного поля. Исследование действительной и мнимой частей поверхностного импеданса ¿\ — сверхпроводника дает важную информацию о фи-

зических свойствах, обусловленных как собственно природой сверхпроводящего состояния, так и реальной микроструктурой образца. Но. основе измерений 7?,, и X,, можно определить такие фундаментальные параметры сверхпроводника, как глубина проникновения полл в сверхпроводник Л, комплексная проводимость, вяи'шнл энергетической щели, дзиоа когерентности, время свободного пробега носителей оаряда.

В настоящее время основной областью применения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСГГ) является ялоктроппга, представляющая собой результат развития тонкоплоночной технологии. Тонкие гшлтакси-альные пленки ВТСП с низкими микроволновыми потерями на монокристаллических подложках достаточно большой площади не имеют альтернативы, в частности, с точки зрения применения в резонаторах, фильтрах, линиях задержки и других селективных устройствах в СВЧ диапазоне. Эпитаксиальные пленки ВТСП являются мозаичными монокристаллами, и поэтому представляют значительный интерес как объекты для изучения фундаментальных свойств ВТСП. Наиболее перспективным материалом для практических применений является в настоящее время соединение УВа2Сиз07_х (УВСО) с критической темцературой 92 К, имеющее наименьшие ио всех ВТСП микроволновые потерн.

Коэффициент отражения электромагнитной полны от поверхности сверхпроводника очень Гшп:юк к единице, и шитому для зкеперпменталь-ных измерений Zs используются, как правило, различные резонаторные методики. R. С. ТаЪег предложил полосковын резонатор с параллельными пластинами (РПП), - Parallel Plate Resonator [Rev. Sei. Instrum. 61, 220Ü (1991)j, для неразрушающих измерений CB'I потерь в сверхпроводящих пленках на частоте 10 ГГц. РПП представляет собой полуволновый, разомкнутый на концах отрезок тшоскошш пннин, образованный двумя сверхпроводящим пластинами (пленками на'диэлектрических подложках), сложенными друг с другом череп тонкий ~ 10 мкм диэлектрик, обычно на тефлона. Основным видом потерь в резонаторе являются омические. Эта методика оказалась весьма эффективной для исследований Zs пленок ВТСП и нашла широкое распространение в мировой практике. Основными проблемами (они решены в диссертационной работе) при реализации метода является »беспечение величины связи с РПП, достаточной для адекиатпого анализа его амплитудно-частотной характеристики, и наличие паразитных резонансных мод в медной камере, окружающей РПП.

Полосковые резонаторы позволяют измерять очень малые изменения R, и Xs сверхпроводников и определять абсолютное значение Д,. Однако измерение абсолютного значения Х„ ос шХ представляет весьма сложную задачу из-за малости А ~ 50 — 1000 нм. В монографии [Ф. Ф. Менде, А. И. Спинын, "Поверхностный импеданс сверхпроводников", Киев, Науко-ва думка, 1985] отмечается: "... большинство методов измерения /абсолютного значения А/ основано на измерении температурной зависимости приращения А(Т) и последующим ее вычислении с использованием температурной зависимости А(Т), следующей из той или иной теоретической модели. Конечно такой метод в полной мере зависит от того, насколько данная модель соответствует действительности /для ВТСП адекватная модель отсутствует/. Вторым существенным препятствием является то, что мы не можем определять макроскопические размеры образцов с необходимой точностью". В результате отличие абсолютных величин А (Г = 0), определенных по такой методике в рамках классических двух-жидкостной модели и модели Бардина-Купера-Шриффера, достигает для ВТСП 50-100% (!). Таким образом, создание метода для определения , абсолютной величины А при фиксированной температуре является чрезвычайно актуальным, особенно в случае ВТСП.

Физические свойства эпптаксиальных пленок ВТСП в значительной степени определяются их реальной микроструктурой, которая зависит от свойств монокристаллической подложки, от параметров процесса эпи-

таксип и от толщины слоя ВТОП. Поэтому комплексное изучение транспортных свойств п микроструктуры пленок ВТСП в зависимости от этих— -------

параметров актуально как с (фундаментальной, так и с прикладной точки зрении. К настоящему временя известно лишь несколько работ, посвященных изучению эффективного поверхностного СВТ1 импеданса тонких пленок МТС11 и зависимости от толщины ВТСП слоя, причем ни п одной из них но далось получить удовлетворительного согласия между экспериментальными данными и г)лектродннампческой теорией при постоянном (не зависящем от толщины слоя) характеристическом импедансе образцов. Исследование влшшпя параметров процесса '.пштакецц тонкнх пленок ВТСП на пх микроструктуру и транспортные свойства является одной из наиболее актуальных задач в области физики тонких пленок ВТСП. Как правило, наилучшие различные параметры пленки (поверхностная гладкость, критическая температура, СВЧ потери и т.д.) достигаются при различных условиях эпитакспи. Поэтому для получения высококачественного образца, пригодного как для практических применений (например для использования в СВЧ устройствах), так и для проведения на его основе фундаментальных исследований, необходима оптимизация процесса роста по той характеристике образца, которая требуется в данном конкретном случае. Исследованию чтих вопросов посвящено значительное количество работ, однако проблема изучена далеко не полностью. В частности, ни в одной по работ детально не исследовалась зависимость поверхностного СВЧ сопротивления пленок ВТСП от условий эпитаксн-ального роста.

ВТСП принадлежат к сверхпроводникам второго рода, в которые магнитное поле проникает в виде абрикосовских вихрей. Исследование СВЧ свойств пленок ВТСП в постоянном магнитном поле позволяет определить феноменологические коэффициенты в моделях, описывающих поведение вихрей. Кроме того, такие исследования важны для ряда применений пленок ВТСП в электронных устройствах, работающих в присутствии магнптных полей. Основным параметром, характеризующим поведение вихря в переменном поле частоты и-, является частота депипнипга При ш -С электродинамический отклик сверхпроводника определяется пиннпнгом вихрей, а при ш - их вязкостью; при ш ~ ¡¿V,, в отклике

участвуют оба механизма. Для большинства низкотемпературных сверхпроводников ш^р ~ 107-10к Гц и может быть определена из измерений частотной зависимости поглощения в смешанном состоянии. Однако для ВТСП ш^р лежит в СВЧ диапазоне и проведение таких измерений является крайне сложной задачей. В то же время, определение возможно

na оснопе одттремешюго нсслсдокшпя n нигшгптм ноле Д('|"ктшп'сл|,-hoíí и мнимой частей поверхностного С'ВЧ импеданса ВТСГ1 образцов. К настоящему т)]>см(чт известно лишь несколько работ, в которых коэффициенты вязкости ii нишшнга в 13TCII определены одновременно на основе исследований одного ii того же оОралца. PII1I позволяет это с.де-ллп, с ii'iriii. т.нокоп с«>'iiiiii i i.n>.

1.2 Цель работы

Опкжныс цсл1г работы состояли и следующем:

- создать экспериментальную методику(и) для исследований действительной и мнимой частей поверхностного СВЧ импеданса тонких пленок ВТСП, в том числе позволяющую проводить экспресс-измерение СВЧ потерь, что необходимо для сопровождения технологического процесса получения пленок.

- изучить влияние ряда малоисследованных факторов, таких как толщина ВТСП слон, параметры процесса эннтаксии, микроструктура о браз-ца, а также внешнее магнитное поле, на поверхностный СВЧ импеданс тонких пленок ВТСП.

1.3 Научная новизна работы

Новизна работы определяется как оригинальностью поставленных экспериментов, так и полученными новыми результатами, и заключается в следующем:

1. Предложен новый метод для измерения при фиксированной температуре (77 К) абсолютной величины мнимой части поверхностного СВЧ импеданса пленок ВТСП. Основу метода, составляет модифицированный РПП с непрерывно перестраиваемой толщиной диэлектрика, в качестве которого служит жидкий азот. В настоящее время это единственный СВЧ метод измерения абсолютного значения глубины проникновения, результат которого не зависит от априорных моделей для зависимости

ЦТ).

2. Разработан оригинальный метод на основе РПП, позволяющий легко проводить при температурах жидкого алота экспресс-анализ величины поверхностного СВЧ сопротивления пленок BTCII.

3. Получены выражения для ненагруженной добротности и резонансной частоты резонатора с параллельными пластинами при учете краевых эффектов и во всем диапазоне изменения толщин сверхпроводящих

пластин и диэлектрического пространства, включая область толщин диэлектрика, при которых имеет место джозефсонозское туннслированпе. Покапапо7что при малой толщине пластин н/илп диэлектрика; ггрп расчете омической добротности РПП необходимо учитывать вклад кинетической энергии сверхпроводящих носителей в электромагнитную энергию, запасенную п резонаторе. Впервые исследованы зависимости добротности н резонансной частоты РПИ в области промежуточных толщин диэлектрика, при которых происходит переход от колебаний на cDiixap-товскнх волнах к колебаниям на частого плазменного джозефсоновского резонанса.

4. Впервые получена зависимость эффективного поверхностного СВЧ сопротивления (77 К, 10 ГГц) от толщины (5-3G0 нм) эиитаксиальных пленок YBCO, хорошо согласующаяся с результатами теоретического расчета для постоянных (не зависящих от толщины ВТСП слоя) действительной п мнимой частей характеристического импеданса YBCO.

5. Впервые изучена зависимость поверхностного СВЧ сопротивленря тонких пленок YBCO (выращенных методом магнетронного распыления на монокристаллическом сапфире с подслоем Zr02¡Y) от температуры подложки в процессе эпитпксиалыюго роста. Предложена модель, которая объясняет полученную зависимость на основе результатов исследований микроструктуры слоев YBCO, показавших, что с повышением температуры осаждения увеличивается степень их кристаллического совершенства н возрастают негомогенность и нарушения фазового состава.

0. Обнаружен и объяснен эффект необратимого увеличения действительной и мнимой частей поверхностного СВЧ импеданса, эпнтакс/ыль-ных пленок YBCO во внешнем коммутируемом мдгеитном поле.

1.4 Личный вклад автора в проррдёипые исследования

Личный вклад автора заключается в:

- проведении теоретических расчетов РПП;

- разработке методик и создании экспериментальных установок для исследований поверхностного СВЧ импеданса пленок ВТСП;

- проведении СВЧ экспериментов и их интерпретации:

- координации комплексных исследований, сопоставлении результатов изучения поверхностного СВЧ импеданса с результатами исследований микроструктуры образцов и транспортных свойств на постоянном токе.

1.5 Научная и практическая ценность работы

Новый метод измерении абсолютной величины глубины проникновения является весьма актуальным для сверхпроводимости, поскольку измерения проводится при фиксированной температуре и их результат но пациент от априорных моделей для зависимости А(Т). Разработанная экспресс-методика измерения поверхностного СВЧ сопротивления тонких пленок ВТСП и результаты изучения зависимости поверхностного СВЧ сопротивления пленок YBCO от температуры подложки в процессе мштакспллыюго роста, важны с точки зрения оптимизации технологических процессов выращивания пленок ВТСП с целью получения образцов с минимальными СВЧ потерями, и могут быть использованы в организациях, занимающихся получением и применением пленок ВТСП, например СПбГЭТУ, ФТИ РАН (С.-Петербург), ОТФ ФИ РАН, ИРЭ РАН, МЭИ (Москва). Данная методика уже в течение нескольких лет используется в ИФМ РАН для развития технологической базы, позволяющей получать высококачественные эпптаксиальные пленки YBCO, с характеристиками на уровне лучших зарубежных аналогов. Результаты теоретических исследований характеристик РПП актуальны с точки прения его применений для измерения поверхностного импеданса пленок ВТСП, и могут использоваться в лабораториях, занимающихся такими исследованиями. Исследования поверхностного СВЧ импеданса пленок YBCO во внешнем магнитном поле являются актуальными с точки зрения применений таких пленок в ВТСП микроэлектронных устройствах, работающих в присутствии магнитных полей, т.к. показывают, что в пленках может захватываться магнитный поток, который необратимым образом меняет поверхностный СВЧ импеданс образцов.

1.6 Научные положения выносимые на защиту

1. Предложенные методики на основе РПП и модифицированного РПП позволяют измерять при фиксированной температуре (77 К) абсолютную величину лондоновской глубины проникновения в пленках ВТС11, проводить экспресс-анализ величины поверхностного СВЧ сопротивления пленок ВТСП, исследовать зависимость действительной и мнимой частей поверхностного импеданса пленок ВТСП от внешнего магнитного поля.

2. Анализ зависимостей ненагруженной добротности, и резонансной частоты РПП от толщины сверхпроводящих пластин и диэлектрического пространства, включая область толщин диэлектрика, при которых имеет место джозефсоновское туннелирование.

Пшгучснгииг пашгспмость эффективного поверхностного СВЧ со-п])от1тлення (77 К, 10 ГГц) от толщины (5-300 нм) эпитаксиальных

пленок YBCO (выращенных методом лазерного напыления на подлож- _____________

ках LaA10;i), хорошо согласуется ;• результатами теоретического расчета для постоянных (не зависящих от толщицы ВТСП слоя) действительной п мнимой частей характеристического импеданса YBCO.

4. Полученная зависимость эффективного поверхностного СВЧ сопротивления тонких пленок YBCO (выращенных моюдом магнетронпо-го распыления на монокригталлическом сапфире с подслоем Zr02:Y) от температуры подложки в процессе осаждения обусловлена двумя типами изменений в микроструктуре слоев ВТСП - увеличением степени кристаллического совершенства, и возраст анием негомогепиости и нарулхе-нпй фазового состава, — происходящих с повышепием температуры осаждения.

5. Обнаруженный эффект необратимого увеличения действительной и мнимой частей поверхностного СВЧ импеданса эпитаксиальных пленок YBCO во внешнем коммутируемом магнитном поле объясняется на основе модели проникновения вихрей в пленку жесткого сверхпроводника второго рода.

1.7 Апробация результатов

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- V German-CIS Bilateral Seminar ou High-Temperature Superconductivity, Kloster-Banz, Oct. 5-9, 1992:

- 1994 Applied Super conductivity Conference, Oct. 16-21, Boston, USA, 1994;

- VIII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Lviv, Ukraine, September 06-09, 1935;

- 5th International Superconductive Electronic Conference, September 18-21, 1995, Nagoya, Japan.

- 1996 Applied SupercoAductivity Conference, Aug. 25-30, Pittsburgh, USA, 1996;

- IX Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on Superconductivity, Gabelbach, Germany, September 22-27, 1996;

- докладывались на научных семинарах ИФМ РАН;

- включались в годовые отчеты ИФМ РАН и Российской Академии наук.

1.8 Публикации

Список публикации ¡штора ио теме диссертации включает и себя 8 статен в отечественных и зарубежных реферируемых журналах [1а], [2]-[4], [5а], [fia], [fin], [7]; препринт НПФ T'AП [16]; тезисы докладом па научных конференциях [lu], [4], [56], [6б]-[6г], [7], [8].

1.9 Структура диссертации

Диссертация состоит из оглавления,' предисловия, шести глав, заключения, списка цитированной литературы и списка работ автора но теме диссертации. Первая глава является обзорной, остальные посвящены оригинальным результатам. Общий объем диссертации составляет 109 страниц, включая 35 рисунков, одну таблицу и список цитированной литературы из 172 наименовании. ■

2 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Предисловии к диссертации обоснована актуальность темы, описана история создания работы, дано краткое содержание диссертации, обозначен личный вклад автора в проведенные исследования, отмечена научная новизна полученных результатов и перечислены научные положения выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой введение в проблему исследования СВЧ свойств тонких пленок ВТСП и дает обзор состояния дел в этой области на конец 1996 года. В разделе 1.1 содержатся вводные замечания. Разделы 1.2-1.4 дают обзор классических моделей высокочастотной проводимости сверхпроводников в рамках феноменологического и микроскопического подходов, и описание поверхностного импеданса объемного сверхпроводника и эффективного (измеряемого) поверхностного импеданса Z<a = Rrff+iX,.ff тонкой сверхпроводящей пленки. Методы получения эпитаксиальных пленок ВТСП YBCO на монокристаллических подложках описаны в разделе 1.5. В разделе 1.6 приведены основные параметры и характеристики ВТСП YBCO. Раздел 1.7 посвящен описанию микроструктуры реальных тонких пленок YBCO, а в разделе 1.8 рассмотрена теория их поверхностного импеданса в рамках модели гранулярно-связан-ной среды. Обзор методов измерения поверхностного импеданса тонких пленок ВТСП дан в разделе 1.9. Отмечаются достоинства и недостатки ряда известных методик на основе РПП.

Вторая глава посвящена электродинамической теории сверхпроводящего РПП во всем диапазоне изменения толщины образующих его сверхпроводящих пластин <1 и диэлектрического пространства г, включая-область толщин диэлектрика, при которых имеет место джозефсоновское туннелированпе. Во введении ко второй главе (раздел 2.1} обоснована актуальность проводимых расчетов.

Раздел 2.2 посвящен исследованию колебаний в РПП на свихартовских (ТМ) волнах в рамках импедансного описания. Получены выражения для полной ненагружсннои добротности и резонансной частоты / с учетом дифракционных потерь и эффективного удлинения резонатора вследствие влияния краевого аффекта. Выражение для омической добротности РПП имеет вид:

где А,.// = А со1Ь(с2/А) - эффективная глубина проникновения. Первое слагаемое в правой части (1) получается при обычном расчете методом возмущений, исходя из полей в резонаторе с идеально-проводящими пластинами. Второе слагаемое есть поправка, учитывающая вклад кинетической энергии сверхпроводящих носителей заряда в электромагнитную энергию, запасенную в резонаторе. При характерной толщине диэлектрика 5 ~ 10 мкм для пленок толщиной в. > А поправка пренебрежимо мала. Однако, при (I < А ее учет является принципиальным. Так при глубине проникновения в У В СО Хаь ~ 200 нм для й ~ 10 нм (см. гл. 4) получаем 5 ~ 2АР//, т.е. омическая добротность увеличивается за счет кинетической энергии сверхпроводящих носителей в два раза.

Во разделе 2.3 теоретически исследованы в линейном приближении собственные моды РПП I: учетом туннельных токов между пластинами в промежуточном случае - при переходе от колебаний на свихартовских волнах к колебаниям на частоте плазменного джопефсоновского резонанса. Зависимости <?(•») и /($} имеют реокые экстремумы (Я(^) ~ максимум, /(я) - минимум) при з = SJ, когда происходит переход от одного типа колебаний к другому:

21?

где Ь длина резонатора, <!;,/ - характеристическая длина когерентности в диэлектрике. В приложении к разделу 2.3 рассматривается вопрос о сопротивлении туннелирования джозефсоновского контакта в нормальном

8.8

СО - эксперимент -- теория

-е-е—©-

а

РИСУНОК 1: а - Модифицированный РПП. 1 -'пленки ВТСП на диэлектрических подложках, 2 - неподвижная медная опора, 3 - подвижная медная опора, 4, 5 - передающая и приемная антеннки, 6 - коаксиальные линии, б - Зависимость резонансной частоты от толщины диэлектрического зазора.

состояйии.

В третей главе предложен новый метод для измерения абсолютных значений поверхностного СВЧ сопротивления и глубины проникновения в тонких пленках ВТСП. В разделе 3.1 обоснована актуальность разработки такого метода для ВТСП.

В разделе 3.2 описаны экспериментальная установка и методика проведения эксперимента. Метод основан на модифицированном РПП с непрерывно перестраиваемой толщиной диэлектрика 5, в качестве которого служит жидкий азот (Рис. 1а). Специальная установка микрометрической подачи и оригинальные элементы возбуждения резонатора в виде антеннок позволяли непрерывно менять в от 0 до 100 мкм с шагом 1 мкм. Особая методика проведения эксперимента обеспечивает плоскопа-раллельность пластин резонатора в процессе измерений. В разделе 3.3 описаны исследуемые эпитаксиальные пленки УВСО, выращенные методами лазерного напыления на подложках СаМА104 и МСаОз- Результатам эксперимента и их интерпретации посвящен раздел 3.4. Абсолютные величины Д4 и Я определяются методом наименьших квадратов из условия наилучшего соответствия экспериментальных и теоретических зави-

5J о

ч—

10

1

о

I I I I_I_I_1_1_I I I I I

10 30 100 300 Толщина пленки, нм

РИСУНОК 2: Зависимость эффективного поверхностного СВЧ сопротивления (77 К, ]0 ГГц) R,n от толщины пленхи. о - эксперимент, сплошная линия - теоретический расчет на основе (3) при R„ = 0.25 мОм и Л = 250 нм (с учетом зависимости Я, и А от Тг для

пленок с d < 10 нм.)

симостей Q(s) и f(s) (Рис. 16). Наблюдается хорошее согласие между теорией и экспериментом. Полученные значения Rs и Л хорошо согласуются с известными литературными данными.

В четвертой главе представлены результаты исследований степени кристаллического совершенства и транспортных свойств эпитаксиальных пленок YBCO в зависимости от изменения толщины ВТСП слоя d в диапазоне от 5 до 300 нм. В разделе 4.1 обоснована актуальность таких исследований, в том числе и для сверхтонких (d < 10 нм) пленок YBCO. Раздел 4.2 посвящен описанию экспериментальных методик. Пленки были выращены методом лазерного напыления на монокристаллические подложки LaAlÖä. Толщина сверхтонких и тонких пленок определялась методами рентгеновской дифрактометрии. Этими же методами исследовалось четырехдоменное микродвойникование в YBCO слоях. Эффективное поверхностное сопротивление Reff измерялось при 77 К, 10 ГГц методом РПП с оригинальной системой возбуждения. Результаты эксперимента и их анализ содержатся з разделах 4.3 и 4.4. Основным результатом в контексте диссертации является полученная зависимость Ref/(d) (Рис. 2), которая хорошо согласуется с теоретическим расчетом в рамках локадь-

ной электродинамики [N. Klein et al., J. Appl. Pliys. 67, 6940 (1990)]

+ Rtr (3)

где Rtr обусловлено потерями мощности на просвечивание сквозь пленку. Наилучшее согласие между теорией и ¡шпориментом достигается при постоянных (но зависящих от толщины пленки) R, = 0.25 м()м и А = 250 нм, что близко к теоретическому пределу для YBCO, даваемому моделью БКШ. Заметим, что при обработке результатов измерений нами была учтена поправка в (1). Наблюдаемая деградация сверхпроводящих свойств эпитаксиальных пленок YBCO при толщинах менее 9 нм может быть объяснена на основе уменьшения с толщиной пленки параметра орторомбнчности элементарной ячейки YBCO. При этом резкое увеличение Леу/ для сверхтонких образцов объясняется понижением их критической температуры.

Пятая глава посвящена исследованию взаимосвязи транспортных свойств на постоянном токе, поверхностного СВЧ сопротивления, рент-гоно-дифракционных и морфологических характеристик тонких пленок YBCO на подложках из сапфира А12Од с буферным слоем Zr02:Y. Вводные замечания содержатся в разделе 5.1. Описанию эксперимента посвящен раздел 5.2. Пленки толщиной 140 нм получены методом инвертированного магнетронного распыления на постоянном токе. Критическая температура образцов измерялась четырехзондовой методикой. Плотность критического тока определялась бесконтактным методом магнитной томографии. Эффективное поверхностное СВЧ сопротивление Re.ff измерялось с помощью РПП с системой возбуждения в виде антеннок. Степень кристаллического совершенства ВТСП слоев исследовалась методами рентгеновской дифрактометрип. Поверхностная морфология образцов изучалась методами электронной микроскопии. В разделе 5.3 приводятся полученные зависимости критической температуры, плотности критического тока Jr, Reff (Рис. 3), степени кристаллического совершенства и поверхностной морфологии от температуры подложки в процессе эпитаксиального роста. Раздел 5.4 посвящен обсуждению взаимосвязи транспортных свойств с микроструктурой образцов. Обнаружены два процесса, происходящие в микроструктуре пленок с увеличением температуры осаждения и противоположным образом влияющие на их транспортные характеристики: повышение степени кристаллического совершенства ВТСП слоев, и возрастание их негомогенности и нарушений фа-

Rrff = Rs

coth (d/X) +

<1/ А

sinh2(d/A)

а

й ю

к

580 620 660 700 740 Температура осаждения, °С

РИСУНОК 3: Зависимости эффективного поверхностного СВЧ сопротивления Д,// (77 К,

10 ГГц; и плотности критического тока (77 К) для пленок УВСО на подложках А1203 с буферным слоем 2г0г:У от температуры подложки в процессе осаждения при магнетрон-пом распылении.

нового состава. На основе этих процессов объясняется полупенная немонотонная зависимость поверхностного СВЧ сопротивления образцов от температуры подложки в процессе осаждения. Во всем изученном интервале температур осаждения наблюдается сильная корреляция между Яе// и Зг\ образцы с меньшим имеют большую Зг (см. Рис. 3).

Шестая глава посвящена исследованию СВЧ свойств тонких пленок УВСО в постоянном магнитном поле. Во вводном разделе 6.1 обосновывается актуальность проводимых исследований и кратко излагается теория поведения вихревой нити в сверхпроводнике второго рода в рамках вязкого движения в параболическом потенциале пиннинга.. В разделе 6.2 содержится описание образцов и методики проведения СВЧ экперимен-та. Исследовались эпитаксиальные пленки УВСО на подложках М(1СаО;|

11 ЬаАЮч, полученные'методом лазерного напыления. Прецизионные измерения В5 и образцов производились методом РПП с оригинальной системой возбуждения. В разделе 6.3 приведены полученные экспериментальные зависимости действительной и мнимой частей поверхностного импеданса образцов от величины магнитного поля до 500 Э, перпендикулярного плоскости образцов. С увеличением магнитного поля наблюдалось возрастание Л, и Х„ а также необратимое изменение этих величин

при коммутации внешнего магнитного ноля. В разделе (¡.4 в рамках известной теоретической модели на основе полученных экспериментальных данных сделаны оценки для частоты депиннинга ~ 20 ГГц, постоянной вязкости т/ ~ 8.5 X Ю-8 Нс/м2 и коэффициента Жесткости пшшинга кр ~ 101 Н/мг абрикосовскпх вихрей в УВСО, а также длины когерентности УВСО в плоскости (аЬ)-^„{ ~ 2 нм. Эти оценки хорошо согласуются с известными литературными данными. Эффект необратимого изменения импеданса объясняется на основе модели проникновения и захвата ппхрей и пленке сверхпроводника второго рода с сильным пппшшгом.

В конце диссертации помещено Заключение, в котором сформулированы основные результаты, полученные в работе.

3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложен модифицированный РПП с непрерывно перестраиваемой толщиной диэлектрика, в качестве которого служит жидкий азот. На основе данного резонатора разработан принципиально новый метод; позволяющий проводить при фиксированной температуре (77 К) непосредственное измерение абсолютной величины мнимой части поверхностного СВЧ импеданса пленок ВТСП. В настоящее время это единственный СВЧ метод, который дает возможность адекватно оценить абсолютную величину глубины проникновения в пленках ВТСП, не прибегая при этом к априорным предположениям об ее температурной зависимости.

2. Разработан оригинальный экспериментальный метод на основе Р11П, который позволяет проводить при температурах жидкого азота неразрушаю щи й экспресс-анализ (в течение 10-15 мин.) величины поверхностного СВЧ сопротивления пленок ВТСП.

3. Теоретически исследованы зависимости полной ненагруженной добротности п резонансной частоты РПП от толщины сверхпроводящих пластин и диэлектрика, образующих резонатор. В полученных выражениях учтены дифракционные потери и эффективное удлинение резонатора вследствие влияния краевого эффекта, а также возможность джозеф-соновского туннелпрования между пластинами. Показано, что в случае малой толщины пластин и/или диэлектрика, при определении величины омической добротности РПП необходимо учитывать вклад кинетической энергии сверхпроводящих носителей заряда в энергию, запасенную в резонаторе. Исследованы добротность и резонансная частота РПП при промежуточных толщинах диэлектрика, когда в резонаторе происходит

переход от коле fia mili на етшхартот кпх волнах т; колебаниям на частоте плазменного джозефсоновского резонанса. Показано, что переход имеет

-место прптолщнне диэлектрического барьера более чем в 20 раз превы- _— ______

шающей характеристическую длину когерентности в диэлектрике.

4. Исследованы степень кристаллического совершенства п транспортные свойства сверхтонких п тонких пленок YBCO (выращенных методом лазс]>ного напыления на подложках LaA10;i) в зависимости от толщины ВТСП слоя в диапазоне от 5 до 300 пм. Впервые получена зависимость эффективного поверхностного СВТ1 сопротивления (77 К, 10 ГГц) от толщины зшггаы илльиои пленки YBCO, хорошо согласующаяся с, результатами теоретического расчета для постоянных (не зависящих от толщины ВТСП слоя) действительной л мпгшоп частей характеристического импеданса YBCO.

Г). Комплексно исследованы резнстшшые свойства на постоянном токе, плотность критического тока, поверхностное СВЧ сопротивление, рентгено-дифракционные и морфологические характеристики зпитакси-альных пленок YBCO на монокристаллическом сапфире с буферным слоем Zr02:Y в зависимости от температуры подложхи при магнетронном методе распыления. Впервые детально изучена зависимость поверхностного СВЧ сопротивления пленок YBCO от температуры подложки в процессе элнтаксиального роста. Полученная зависимость объяснена па основе результатов исследований микроструктуры образцов, которые показали что с повышением температуры осаждения в пленке одновременно происходит улучшение кристаллического совершенства слоев YBCO и усиление их негомогенностп и нарушений фазового состава.

в. Методом резонатора с параллельными пластинами проведены прецизионные исследования действительной и мнимой частей поверхностного СВЧ импеданса тонких пленок YBCO во внешнем постоянном коммутируемом магнитном поле. На основе полученных экспериментальных данных сделаны оценки для частоты депиннинга, коэффициентов вязкости и пнннпнга абрикосовскпх вихрей в YBCO, а также длины когерентности YBCO в плоскости (ab). Обнаружен и объяснен, на основе модели проникновения вихрей в пленку жесткого сверхпроводника второго рода, эффект необратимого увеличения поверхностного СВЧ сопротивления и поверхностного СВЧ индуктанса тонких пленок YBCO, возникающий при коммутации внешнего магнитного поля.

4 СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[1] a) A. Ya. Basovich, R. К. Belov, V. A. Markelov, L. A. Mazo, S. A. Pavlov, V. V. Talanov, and A. V. Varganov, "Parallel Plate Resonator of Variable Spacer Thickness for'Accurate Measurements of Surface impedance of Iligh-Tc Superconductive Films", J. Snpercond., vol. 5, N 6, p. 497, 1992.

fi) A. Ya. Basovich, li. K. llelov, V. A. Markelov, L. A. Mazo, S. A. Pavlov, V. V. Talanov, and A. V. Varganov, "Parallel Plate Resonator of Variable Spacer Thickness for Accurate Measurements of Surface Impedance of Higli-Tc Superconductive Films", Preprint N 323, Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences, 1992.

в) A. Ya. Basovicli, R. K. Belov, V. A. Markelov, L. A. Mazo, S. A. Pavlov, V. V. Talanov, and A. V. Varganov, "Surface Impedance of High-Tc Superconductive Films and Its Magnetic Field Dependence Measured with Modified Parallel Plate Resonator", Presented at V German-CIS Bilateral Seminar on High-Temperature Superconductivity, Kloster-Banz, Oct. 5-9, 1992. Proc. of Seminar, p. 158.

[2] P. К. Белов, А. В. Варганов, Б. А. Володин, А. К. Воробьев, Ю. Н. Дроздов, С. В. Гапонов, Е. Б. Клюенков, К. В. Морозов, А. Е. Парафин, С. А. Павлов, В. В. Таланов, "Эпптаксиальные пленки YBa2Cu;t07 на сапфире для СВЧ применения", Письма в ЖТФ 20(11), 1 (1994).

[3] Р. К. Белов, Б. А. Володин, А. К. Воробьев, П. П. Вышеславцев, С. А. Гусев, К). Н. Дроздов, Е. Б. Клюенков, IO. Н. Ноздрнн, В. В. Таланов, "Транспортные свойства и структура тонких ВТСП пленок системы YBaCu0/Zr02:Y/'A1203 при магнетронном методе напыления", Физика твердого тела 37(3), 785 (1995).

[4] R. К. Belov, Yu. N. Drozdov, S. V. Gaponov, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, E. B. Kluenkov, К. V. Morozov, Yu. N. Nozdrin, A. E. Parafin, S. A. Pavlov, A. N. Reznik, V. V. Talanov, A". V. Varganov, B. A. Volodin,

A. K. Vorobyev, P. P. Visheslavtzev, V. 1. Abrainov, В. B. Tagimov, I.

B. Vendik, V. N. Osadchiy, V. O. Sherman, A. A. Svishev, "YBaCuO Thin Films on Sapphire up to 2-inch-diameter for Microwave Applications", Presented at 1994 Applied Superconductivity Conference, Oct.16-

21, Roston, USA, 1994. Technical Program Book, uncluding Abstracts, p. 191. IEEE Trans. Appl. Snpercond. 5, 1797 (1995).

[5] a) A. Ya. Basovich, R. K. Belov, V. A. Markelov, and V. V. Talanov,

''Irreversible Change of Surface Impedance of High-Tc Thin Films Due to D.C. Magnetic Field Commutation", J. Superccnd. 8, 121 (1995).

f>) A. Ya. Basovich, R. K. Belov, V. A. Markelov, and V. V. Talanov, "Magnetic Field Dependence of Surface Impedance of YBaCuO Thin Films", Presented,at 1994 Applied Superconductivity Conference, Oct.16-21, Bos-Ion, USA, 1994. Technical Program Book & Abstracts, p. 189.

[6] а.) А. В. Варганов, E. А. Воппгшш, П. П. Вышеславцез, Ю. Н.

Дроздов, Ю. Н. Ноодрнн, С. А. Павлов. А. Е. Парафин, В. В. Таланов, "Структура и транспортные свойства сверхтонких пленок YBa2Cu307-x", Письма в ЖЭТФ 63(8), 608 (1996).

0) R. К. Belov, Yu. N. Dro/dov, Yu. N. Nozdrin, A. E. Parafin, S. A. Pavlov, V. V. Talanov, A. V. Varganov, and E. A. Vopilkin, "Structure and Electrical Properties of Laser Ablated YBaCuO Ultrathin Films",

Presented at VIII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Lviv, Ukraine, September 06-09, 1995. Program and abstracts.

в) Yu. N. Drozdov, Yu. N. Nozdrin, A. E. Parafin, S. A. Pavlov, V. V. Talanov, A. V. Vargar.ov, E. A. Vopilkin, "Relationship Between Electrical Properties and CrystaUinity of YBa2Cu307 Ultrathin Films". Presented at 1996 Applied Superconductivity Conference, Aug. 25-30, Pittsburgh, USA, 1996. Abstracts, p. 275. Accepted for publication in IEEE Trans. Appl. Supercond., 1997.

r) Yu. N. Drozdov, Yu. N. Nozdrin, A. E. Parafin, S. A. Pavlov, V. V. Talanov, E. A. Vopilkin, P. P. Vysheslavtzev. "Thickness dependencies of effective microwave surface impedance and crystallinity of laser ablated YBaCuO ultrathin and thin films on ЬаАЮЗ substrate". Presented at IX Trilateral Cerman-Russian-Ukrainian Seminar on High Temperature Superconductivity, Gabelbach, Germany. September 22-25, 1996. Program and abstracts.

[7] Yu. N. Drozdov, S. V. Gaponov, S. A. Gusev, E. B. Kluenkov, V. V. Talanov, B. A. Volodin, A. K. Vorobyev. "Microstructure and electrical

properties of YIKX) films". Presented at. 5t.li International Superconductive Electronic Conference, September 18-21, 1995, Nagoya, Japan. Supercoiul. Sci. Technol. 9, 1 (1996).

[8] V. V. Talauov. "Superconductive Parallel Plate Resonator With Tlie Joseplison Coupling Ret,ween Tlie Plates". Presented at IX Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on Superconductivity, Gabelbacli, Germany, September 22-27, 1996. Program and abstracts.

5 OrJIABJIEIIHE MHCCEPTAIJHH

Оглавление...............................................................................2

Предисловие..............................................................................С

Г Jt A lt А I.

Введение. Поверхностный СВЧ импеданс тонких пленок ВТСП: теория и методы измерений................................................................15

1.1 Виодны«' замечания................................................................. 15

1.2 Высокочастотная проводимость « »('[«проводников..................................10

1.3 Нов«'рхиос"п|ый Cli'l ИМИСД.НК|>Г>|,еМП«>|<1 изотропного СНСрХНрОВОДННКЛ...........1!)

1.4 Оффективньш поверхностный импеданс тонкой сверхпроводящей пленки...........21

1.5 Методы получения опитаксиальных (топких) пленок YBCO........................22

1.6 Основные параметры и характеристики высокотемпературного сверхпроводника YBaCuO................................................................................'25

1.7 Микроструктура реальных тонких пленок YBOO...................................2fi

1.8 Поверхностный СВЧ импеданс; зпитаксиальпых пленок YÜCO в рамках модели джооефсоновоки связанных гранул.....................................................29

1.9 Методы измерения поверхностного СВЧ импеданса тонкихпленок ВТСП..........30

1.10 Краткие выводы...................................................................33

ГЛАВА 11.

Теория реоонатора с параллельными пластинами ..............................34

2.1 Вводные замечания.................................................................34

2.2 Колебания в резонаторе с параллельными пластинами на свнхартовскнх волнах ... 35

2.3 Колебания в резонаторе с. параллельными пластинами при

учете джозефсоновс.кой связи между ними.............................................12

Приложение к п. 2.3. Сопротивление туппелированин SIS-контактл в нормальном состоянии ..,........................i....................................................48

2.4 Краткие выводы....................................................................4!)

ГЛАВА III.

Измерение абсолютных {значений поверхностного СВЧ сопротивления и лондоновской глубины проникновения тонких пленок ВТСП методом модифицированного резонатора с параллельными пластинами................51

3.1 Вводные замечания.................................................................51

3.2 Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента................53

.'1..'} Описание образцом..................................................................58

.'(.'1 Результаты эксперимента и их обсуждение.........................................58

.4 5 Кра тине выводы. гг.............................................................(И -

Г Л А Н Л IV.

Исследование зависимости оффективного поверхностного СВЧ импеданса

сверхтонких и тонких пленок УВа2(л1з07_х от толщины,„слрд ВТС11..........62

■1.1 Вводные замечания.................................................................62

1.2 Описание эксперимента.............................................................63

4.3 Результаты эксперимента и их анализ..............................................65

•1.-1 Обсуждение результатов эксперимента.............................................69

1.5 Краткие выводы.....................................................................70

Г Л Л И А V.

Взаимосвязь поверхностного СВЧ сопротивления, микроструктуры и свойств на постоянном токе тонких пленок УВа2Си307_х, выращенных методом магнетронного распыления на подложках ио сапфира с подслоем .. 72

5.1 Вводные замечания.................................................................72

5.2 Описание эксперимента.............................................................74

5.3 Результаты эксперимента...........................................................76

5.4 Обсуждение результатов эксперимента. Взаимосвязь транспортных свойств

с микроструктурой образцов...........................................................80

5.5 Краткие выводы.....................................................................83

Г Л Л В Л VI.

Исследования поверхностного СВЧ импеданса тонких пленок УНагСицОт-х во внешнем постоянном магнитном поле.........................................84

(¡.I Вводные замечания.................................................................84

6.2 Описание эксперимента.............................................................87

6.3 Результаты эксперимента..........................................................88

(). 1 Обсуждение результатов эксперимента.............................................-91

(> 7 Краткие выводы...................................................................95

Заключение.............................................................................96

Список цитированной ;м!терат_ури..............................................:.....99

Список рлбо'! автора ио теме диссертации............................................108