Proprietatile supraconductoare ale structurilor multistrat de Nb/NbOxSiNb/Cu тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ



ACADEMIA DE STÜNDE A REPUBLICIl MOLDOVA

INSTTTUTOL DE FIZICA APLICATÄ

Cu titlul de manuscris CZU 537.312.62

Zdravcov Vladimir

Proprietäre supraconductoare ale structurilor multistrat de Nb/NbOx çi Nb/Cu.

01.04.07 - fizica corpului solid

Aatoreferatul

Disertafiei pentru obtraerea titlului çtiînfific de doctor în çtiin^e fizico-

matemaíice

Chijinäu 1S98

Teza de doctoral a fost efectuatá la Institutul de Fizicä Aplicatá al Academiei de §tiin{e aRepublicii Moldova.

Conducátorul stiinjifíc- doctor-habilitatin $t¡in|e fizico-malematice Sidoreoko Anatol Serghei.

Referenfii oficial!:

Poctor-habilitat ín jtiinje fizico-matematice, profesor universitär Con Lia Zisev (Moldova)..

. Doctor-habilitat in §tiin{e fizico-matematice Hotchevici Andrei Vladimir (ükrasna).

Organizaba de profil - Institutul de metalofizicá al Academiei de §tiin{e al Ukrainei, or. Kiev.

Susfinerea tezei va avea loe 1-bfrQ. 1998 la ora ^ In cadrul jedinjei Consiliului Specializat DN 01.92.09 pe längä Institutul de Fizicä Aplicatá al A§ KM cu adresa MD2028, Chijináu, str. Academiei, 5.

Teza de doctoral poate fie consulta la biblioteca §tiintificä a A§ RM. Autoreferatul a fost expediaí la ¿4/k 1998.

Secretarul §tiin{ific al doctor In stiinje

Consiliului specializat chimice P. Bouro$

Caracterizares generala a Uicrárii.

In ultimul deceniu se dezvoltâ In mod íurtunos douá direcjii ale electronicii contemporane : nanoelectronca §i crioelcctronica, care sunt o prioritale a principalelor centre mondiale de teknologii avansate.

Pânâ ín prezent materialele de baza sunt d - metale de tranzitíe 31 aliagele lor -elementele stratificate Josephson supraconductoare pentru super PC, SQUID, IC suprasensible - receptoare, cabluri supraconductoare cu o mare capacitate de portcurent, care se bazazâ pe folosirea metalelor de tranzijie Nb, Ti, Ta.

Aceste materiale se caractcrizcaza cul o foarte pulernicâ dependents a proprietâtilor supraconductoare ( în primul rînd Tc) de conditiile de pregâtire §i preîucrare. Astfel, este foarte actualâ problema de ccrcctarc a cauzelor ilexiunei în pelicile çi structuri peliculare pe baza metalelor de tranzitie. .

Pe de allá parte, descoperirea supraconductibilitàjii la temperatruri ridicate în materialele metal-oxidice stratificate a magorat interesal cercetàtorilor fa{3 de structurile multîstratificate artificíale - obiecte model pentru cercetareîn fizka sistemelor stratificate.

Crearea 51 cercetarea diferitor tipuri de structuri artificíale stratificate (SS) îa ultimii ani s-a consolidât cao directie noua a microelectronicii supraconductoare. Perfecfionarea metodelor tehnologice de acoperire eu pulbere îmreuna cu cele mai noi metode de control ale paramctrilor în procesul de sedimentare ( precurn ar fi RHEED, Oje - spectroscopy TEM), permit sa se cb{inâ structuri cu grosimi individúale aie straturilor d= 10 100 Â.

La pregâtirea SS, stratvmle supraconductoare alterneazà eu straturile metalului normal (SN), eu ait supraconductor (S/S"), semiconductor (S/s), izolator (S/I). Posibilitatea controluiui grosimilor straturilor diferitor componente permit studiul proprietâtilor (SS) în intervale largi de variatie aie parametrilor critici 51 for{elor de conexiune Josephson între straturi

Comensurabilitatea grosimilor straturilor d, sau perioadei stnicturii A eu caracteristicele supraconductoare specifice- lungimea coerenjii Ç 51 adiâneimea penetrârii câmpului magnetic X. v-a condiciona aparija unor particulafi în proprieta(üe cinetice 51 statice aie stnicturilor ca exemplu pic- efectul în dependents de curent 5Í de

unghi a curentului critic, 3D-2D dimensional crosovcrul la varijia lungimei coerentii de la 4(T) » A la (T) < A, variafia amplitudinii conductivita(ii fluctuafionale a(T).

{n pofida unei vaste bibliografii (mai mult de 100 de lucräri cunoscute la tema datä /1 /), un jir de probleme au ramas nestudiate. Practic nu-s investígate proprietá¡ile magnetice ale structurilor SA. Nu e cercetata natura Iníluen(ei stratíficárii asupra temperaturii entice SS.

La studierea problemei piningu/ui a dinarnicii vírtejclor SS sunt un obiect ideal.

Tóate acesta jaloneza actualitatea obiectivelor de studiere a proprietatilor structurilor artificíale stratificate. in afarä de interesul $tiinpfic, aprecierea problemelor fundamentale ale supraconductibilität» 51 a caracterului adecvat af diferitor modele teoretice, aceste cercetäri prezintä un ínteres practic deosebit pentru diverse cornpariireente ale microelectrónica

Scopul lucrárii este de a cerceta proprietäre supraconductoare ale structurilor stratificate Srt de tip (Nb/NbO*) ji S/N de tip (Nb/Cu).

Pentru atingerea acestui obiectiv se recurge la solufionarea urmátoarelor probleme.

1. EJaborarea tchnologiei de preparare a structurilor multistrate Nb/Cu 51 Nb/NbOx, structurilor cu parametrí supují controluiui ;¡ cu parametri reproductibili.

2. Studierea dependente! temperaturii detranze supraconductoare Tc de perioada structurii A 51 de numáml de perioade N

3. Cercetarea naturii nelineare a dependentei de temperatura a cämpului superior critic perpendicular suprafajei planului straturilor B^T).

4. Studierea mecanismelor piningului in S/I structuri stractificate.

Noutatca ^tiin|ificä a tezei

Pentru prima data a fost cercetatä dependenta temperaturii critíce Tc a structurilor stratificate de perioada A $i numarul de straturi N. S-a stabilit ca la Tc a structurilor supraconductoare (Nb/Cu Nb/NbO,) mai sus de Tc a stratului individual din Nb, dependenta TJ N) este monoton crescindä, ne dcpäjir.d Tc la Kb masiv (solid).

S-a síudiat feriomenu! "curburi pozitive" a címpului superior critic magnetic perpendicular suprafejei straturilor BC2(T).

Au fost eviden|iate abaten de la legea de similitudine in cercetarea dependenjei forjci pining de clmpul magnetic al structurilor strati fi cate Nb/NbO,.

S-aii depistat particularilaji speciíice ale for¡ei piningului 51 a cimpului magnetic in funcjie de variajia temperatura.

Important,a aplicativS a lucrarii.

Se manifests o largi aplicare a niobiuliu $i a peliculelorde niobiu in microelectrónica supraconductoare 51, deci, in legatura cu aceasta e necesara o ampia studiere a fenomenelor fizice, care se producin structurile peliculare supraconductoare.

Autorul tP7ei sustine:

1. Este elaborad tehnologia preparárii contrólate a structurilor supraconductoare multistatificate Nb/Cu ?i Nb/NbO«.

2. Este evidinjiatá cresterea tempcraturii supraconductoare de tranzifie in structurile multistratificate Nb/NbO» la sporirea numSrului straturilorN.

3. Este studiat fcnomenul curburii pozitive al dependenjei termice a stratului superior al cimpul magnetic critic perpendicular suprafctei plane a supraconductorului multistratificat Bc;-l(T) 51 este explicatá in cadrul modelului supraconductorului eterogen.

4. Este evidential modificarea in camp magnetic paralel a mecanismului piningului in supraconductorii stratificafi (Nb/NbO*): la schimbarea perioadei SS ji a temperaturii are loc schimbarea mecanismului de la deformajiile deviafiei rejelei turbionar la sumarea directs a forjelor pining elementare.

5.. Pentru prima data s-a evedenfiat o perturbare a legei de similitudine a forjei

piningului de campul magnetic exterior P»(h) in stnicturile Nb/NbO,. Este indicat, ca odata cu schimbarea tempeaturii se schimbá caracterul dependenjei PvT,I1M(h), datoritá schimbárii raportului intre campul de concordará Bra 51 campul superior critic r¡ci(T). Schimbind perioada structurii se poate controla anizotropia curenjilor critici $i a for|elor pining in SS.

Aprobarea lucrarii.

Rezultatele de baza au fost repórtate la Conferírmele Internationale:

MRS 92 Spring - meeting (San Fransisco, 1992);

Low temperature physics conference (London, 1991);

29 Международное совещание по ФНТ (Казань, 1992);

Internajional Workshop MRSS-95 (Chemogelovka, 1995);

2 International conference on Microelectronics and Computer Science (Chi$ináu,1997).

La seminarile secpei de fizicá corpului solid a IF A§ a Rusiei (Moscova), Institutului fizicii corpului solid A§ a Rusiei (Cernogclovka), IF A§ a Ukrainei (Harcov) ?i a 1FA A§ RM (Chi§ináu).

Structura si volumul lucrarii.

Disertaba confine o íntroducere, cinci capitole, concluzii 51 bibliografie cu 94 titluri. Lucrarea consta din 86 pagini, 17 desene, 3 tabele.

Conjinutul tezei.

In introduces este fundaméntala actualitatea cercetárii, formulate scopul 51 problemele de baza, indicate principalele reziilíaíe, expuse pentra susjinere.

Capitoiul 1 confine un rezumat al situafiei la momentul actual In studierea supraconductorilor stratificaji. In examinare se indica principalele direc^i ale cercetarilor sisteineior SÍH $i S/S', structurilor S/I sunt studiate insuficient. Numai cáteva ¡ucrSri sunt consacrate cercetirii piningului in SS, practic n-a fost studiatá comportarea Tc a supraconductorilor stratificati.

In capitoiul 2 este expusá meíoda 51 tehnica experimentelor. Pe scurt sunt rezimate principile fizice de prepararte in vid a pelicuielor $i a structurilor peliculare a metalelor de tranzitie cu parametri reproductibili, este pus in ordine criteriul calitajii vidului, descrisá tehnologia magnetnonicá acoperire cu pulbere a structurilor multiplícate Nb/NbOx cu indicarea tuturor parametrilor tehnologici ai procesului.

Este descrisa o meloda precisa interferimetrica multiradialá, care este folositá in lucrare pentru determinarea grosimilor straturilor cu o precizie de Ad < ±10Á Sunt

descrise rezultatele cercetárilor structural ale probclor cu ajutorul microscopiei electronice cu iluminare radioscopica 51 analiza Oje prin decapares straturilor cu fascicolele ionilor de Ar+.

Cercetárile parametrilor Tc 51HC2 s-au efectuat In criostat cu solenoid supraconductibil cu un camp maxim 60 kOe. Temperatura a fost násuratá cu termómetro de carbon calibrate (precizia mastirSrilor = 0,001 K.inintervalul2- 10K)carep.u-s alterate de cámpul magnetic.

Curenjii critici au fost masurali cu ajutorul dispozitivului de Jntregistrare automata, confectionat dup5 brevete de autor No 722451, No 749218 51 care asigurá o ínalta precizie a misurárilor la o mica durata a experimentului (1-5 min pentru másurarea Jc(B)LiB = 0-Bc2).

Pentru másurarea dependentelor unghiulare ale cámpului magnetic critic Bc2(8) 5Í a criocurentului J^G) s-a folosit un mecanism de rotire special, care asigurá masurari ín diapazonul unghiurüor ± 180° cu o precizie de ±0,1°.

Capitolul 3 este consacrat studierii temperaturii tranzifiei supraconductoare a structurilor multistratificate.

Pentru comparare la ínceput a fost studiata Tc a pelicule lor izolate din Nb de diferite grosimi. Au fost analizate cauzele micjorarii Tt a peliculelorín comparare cu Tc a Nb masiv. Pe baza analizei rezultatelor experimentale s-a arátat ca cauza principóla a deprimarii Tc este micjorarea densitSjii de stári la nivelul Fermi N(Ef) condi(ionatá de neclaritatea structurii fine care se produce in apropriere de Ef (virf íngust cu o Iatime de ~ 0,2 eV).

Se aratá ca ín peliculele ultrasubtiri (d ~ 100 Á), supíimentar la mecanizmui nurr.it rr¡ai sus, se adaugá scaderea brusca a temperaturii Tc din cauza efectului de procsimitate al slraturilor de frontiers nesupraconductibile influenza carora crcste considerabil la m¡chorarea grosimii peliculelor, astfcl ca senderea Tc a peliculelor se descrie bine prin corelatia lineara in functie de 1/d: Tc(d) - Tc(l- dn)/d, unde d„ are dimensiunile grosimii stratului cu o supracunductibilitate in íntregime deprimata, Tc -temperatura critica a supraconductorului masiv.

La structurile multistratificate se observi o dependents monotoná neobijr.uitá Tc la majorarea numSrului de straturi ale structurii N. La crenterca N de la 1 la 10 la Nb/NbO, crcjtcrca Tc constituea 0,7 K.

Efectul dat se explicS in cadrul modelului Illa tcoriei de bandi a structurilor periodice supraconductoare:

T. -T'A»

N + 1

unde d - grosimea straíului supraconductor, b - grosimea stratului normal, Tc°(b) - • temperatura tranz#ei stratului izolat supraconductor de grosimea b; N - numárul de straíuri; S-a obpnut o buna corelatie cantitativa §i calitativi (1) cu rezultatele experimentelor noastre la probele Nb/NbO».

In Cap'itolul 4 se expun rezultatele cercetárilor cámpuriior magnetice critice SS §i, anisme, studierea pricinilor nelineaiitáfii cámpului critic superior, perpendicular suprafejei SS - fenomcnul "curburii pozitive" a BC2(T), adicá a deviafiei de la dependenta ohi^nuiíá lineará in apropricrca Tc:

Hc2(T) = Hc2(0){l-T/Tc) m

Se demonstreazá pe baza datelor analizei Oje ji mictoscopiei electromce, ca structurile polistratificate №>/NbOx sunt sisteme neomogene. Straíurile Nb In sunt alcStuite din granule cristalino, inconjorate cu material impur (din causa difuziei oxigenului) cu Tc mai josä decít Tc ínauntruf granuíefor. ín astfel de sisteme, in conformiíate cu calcúlele teoretice ale V.M. Gvoydicov /3/, trebue sä sc depistere crossoverul legei lineare (2) in aproprierca de Tc spre legea neVmearä la T mai joasá de temperatura característica a crossoverului T* carnea -i corespunde cämpul crosoverului B*; astfel cá dependenta B^T) devine nelineara :

Bc21 = 5(0)(l-r/7;>+ Y02B(0)[4(Q)faf (3)

5¡ descrie bine rezultatele expérimentale obtinute.

Rezultatele expuse In acest capítol se aplica la structurile reale stratificate supraconductoare, care au impuritâti, neomogenitati dereglári a periodicitátii straturilor.

Capitolul S este consacrat studierii piningului ín structurile stratificate Nb/NbO«. S-a stabilat ci ín cámpurile magnetice perpendiculare piningul are loe ¡a granéele cristalijilor, pe cánd In cámp parale) este eficace piningul pe straturile oxidate Nb(0,)

I-a micforarca perioadei SS se schimbá mecanismul piningului de la deforma¡iile de depiasare aie lejelei tuibinoare câire topirea refelei si scurgerea lichidâ a vártejeior cu o directa sumare a fotjelor piningului: Fp ~ (1- h).

La câmpurile B = Bm (cámpul corelajiei Bm = 20</V3í? ) perioada retelei de vârtej se acorda eu perioada SS, ceea ce duce la aparijia maximului local la Jc" (H).

Odatá cu mSiirea câmpului B > Bm se observa micjorarca piningului, ceea ce indica schimbarea mecanismului.

Este evedenjiatâ o nerespectarea legei de similitudine,

de concordanfâ Bm §i cîmpului superior critic Bd(T) penlm supraconductoare stratificate.

1. Este daboratâ tehnologia pregâtirii structurilor stratificate supracondoctoare Nb/NbO* çi Nb/Cu eu ajutorul pulverizârii magnetronice. Analiza staicturilor prin metodele microscopici electronice 51 Oje - spectroscopic! indica un caracter policristalin çi neomogen al strâturilor.

2. Se indica câ cauza suprimârii considerabile a temperaturii tranzitie supraconductoare a pelicilelor sub(iri este existenja strâturilor de granitâ. Datoritâ efectului procsimitàjii influença lor crefte brusela mieçorarea grosimeî peliculelorNb.

3. Esteevedentiat efectui maririi Tc la multistralurile structurii Nb/NbOx eu crcjtcrea numérica a strâturilor, care causeas! crejterea monotonâ Tc cu sa tura ¡ic la N > 10.

4. Este cercetatà natura fenomenuîui "curburii pozitive" a cîmpului critic BC2x(T) perpendicular suprafefei stratificate a structurii. Este indicat, câ efectui se discrie caiitativ çi cantitativ în cadrul modelului supracunductorului stratificat neomogen.

5. Sunt cercetate criocurenjii çi for|a piningului la SS Nb/NbOx. Este stabilit, câ în câmpuri paralele la mieçorarea perioadei structurai are loc schimbarea mecanismului pining în fiincfie de deforma{ii mutante a grilajului de vàrteje pining cu o directa sumare a forjelor pining elementare.

6. Este evedenjiatâ o deviere de la logea de similitudine în stpjcturile Nb/NbO¡, Odatá cu mieçorarea teaiperaturii se sciúmba caracterul dcpc.-dorjci Pr(!¡) - forja piningului in

ce e condi{ionatá de variajia corelajiei dintre cámpul

Rebúllatele principale.

fiincfie de cimpul magnetic normal, datorita schimbirii raportului valorii cimpului de

corelare Bm si a cimpului superior critic Bc211 (T).

Rezuliatele principale a disertajiei sunt expuse in lucrarile urmatoare:

1. Нарушение закона подобия в слоистых сверхпроводящих структурах. А.Н.Лыков, В.И.Здравков // Письма в ЖТФ - т. 17 вып.8 - 26 апр. 1991 - стр 73-76

2. Destruction of scaling law in multilayered superconductors.Lykov A.N. Zdravcov V.I.// Proceedings of the MRS Spring Meeting, San -Francisco, 1992 - S.7.70

3. Destruction of scaling low for flux pinning in layered superconductors. A.N.Lykov, V.I.Zdravcov// Supercond. Science and Technology.- v.5 -N1,(1992) - p. S456-4S9.

4. Механизмы пиннинга и нарушение закона скэйлинга в слоистых сверхпроводниках. В.И.Здравков, А.Н.Лыков // Материалы 29 Совещания по ФНТ, Казань, 1992. - часть 1 с.39-43

5. Влияние режима ВЧ - магнетронного распыления на свойства сверхпроводящих пленок... Д.В.Гицу, В.Г.Канцер, Дедго В.И. Здравков В.И. // Известии АН РМ выпуск Физика и Техника №2 -1992 -с.25-34

6. Resistive characteristics of thin films... V.I.Zdravcov, A.Avavdeh, V.Kantser, S.Rau// 17 th Annual semiconductors conference.- Sinaia -Romania 1994 - Proceedings v.2 p.609 - 612

7. High - Temperature measurements of RF - sputtered thin films YBCO. Dediu V.I. Zdravcov V.I.// International confercnce EUCAS- 93, Gottingen, 1993 - Abstracts, p.126

8. Positive Curvature of the Upper Critical Field in Layered Superconductor. H.v. Lohneysen, C.Surges, A.C.Sidorenko,

V.I.Zdravcov, V.M.Gvozdikov.// - Submitted to Phys. Rev. B, -v.58 -N9, 1998

9. Noniineariiy of critical magnetic fields of superconducting multilayers. V.Zdravcov, O.Moldovan and A.Sidorenko //Proceedings of the international conference on microelectronics and computer science. Chishinau, 1997,p. 104 -107

10. V.I. Zdravcov Dimensional crossover in superconducting multilayers./Report at the International Workshop MRSS - 95, Chernogolovka 95.

11.В.И. Здравков Малогабаритный магнетрон для распыления металлических мишеней. // Препринт № 192 ФИАН СССР, Москва 1990

12. В.И.Здравков., О.Б.Молдован., А.С.Кощеев., А.С.Сидоренко

Нелинейность критических магнитных полей сверхпроводящих многослойных структур // Металлургия, - Москва - т.3/4 (1998) с. 36-41

13. V.I.Zdravcov. Moldo - Romani- American international conference

on High - Tc superconductivity. Chishinau, 1993 Mold. State. Univercity Report." Resistive characteristics of YBCO thin films in the temperature range 77 - 1000 K".

14. V.I. Zdrvcov. Raport §tiini'ific la Tema : Model de laborator -depunere de straturi subtiri supraconductoare de GdBaCuO cu gro$ime 0.3-0.4 pm pe trei substraturi de LaAlOj, caracterisarea impedantei in domeniul microundclor proectarea elementului microstrip pe baza de strat subtire" // incheiat cu Institutul de Cercetare Dezvoltare pentru Microtehnologie din ROMANIA., Chijinau, 1996, 11

BIBLIOGRAFffi

1. B. Y. Jin, J. B. Ketttison. Artificial metallic superlattices, Adv. Pliys. 38 (1989) p. 189-366.

2. V. M. Gvozdikov. Critical temperature of superconducting supcrlattices. Sov. J. Low Teinp. Phys. 15(6), 358, 1989.

3. V. M. Gvozdikov and M. Teisheira. Nonlinearity of the temperature dependence of the upper critical field in superconducting superlattices. Low Temp. Phys. 19(12), 1302, 1993.

l i