авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка методики изготовления и исследование электрофизических характеристик сверхпроводящих металлоксидных структур

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ШАДРИН Антон Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МЕТАЛЛОКСИДНЫХ СТРУКТУР

Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

МОСКВА – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

Овсянников Г.А.,

доктор физико-математических наук,

Корнев В.К.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Снигирёв О.В.

кандидат физико-математических наук,

Гудков А.Л.

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт земного магнетизма,

ионосферы и распространения радиоволн
им Н.В.Пушкова РАН

Защита состоится «24» апреля 2009 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 002.231.03 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, г. Москва, ул. Моховая 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан 23 марта 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

к.ф.-м.н. М.И. Перцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках позволяет создавать сверхпроводниковые джозефсоновские устройства, отличающиеся предельно высокой чувствительностью и рекордным быстродействием. Характерная частота fc джозефсоновских переходов на основе низкотемпературных сверхпроводников, определяющаяся величиной характеристического напряжения Vc = IcRN (Ic – критический ток перехода, RN – нормальное сопротивление), лежит в диапазоне сотен гигагерц, а в случае металлооксидных сверхпроводников (МОСП) с высокой критической температурой может достигать единиц и даже десятков терагерц. Кроме того, использование джозефсоновских переходов из МОСП с критической температурой 90 К и выше позволяет создавать устройства, работающие при более высоких температурах, в том числе, при температуре жидкого азота 77 К. Это определяет неослабевающий интерес к разработке новых более совершенных типов джозефсоновских структур на основе металлоксидных сверхпроводников. В качестве наиболее перспективных типов МОСП джозефсоновских переходов в настоящее время рассматриваются бикристаллические переходы и гетероструктуры с различным типом промежуточных слоев, включая прослойки из магнитоактивных материалов.

Джозефсоновские переходы на основе сверхпроводниковых гибридных структур с магнитоактивной прослойкой представляют интерес, как для фундаментальной физики, так и для практических приложений, поскольку обладают целым рядом необычных свойств. Например, в сверхпроводниковых структурах с магнитоактивной (M) прослойкой (антиферромагнитной - AF, или ферромагнитной - F) существует возможность управления их свойствами вследствие сильного влияния слабого внешнего магнитного поля на критический ток. Впервые на это обстоятельство было обращено внимание в работе Горькова и Кресина [1], в которой теоретически анализировался критический ток сверхпроводящих структур с AF прослойкой (S-AF-S, S-сверхпроводник) и предсказана аномально высокая чувствительность критического тока к магнитному полю. Аномально высокий эффект близости, а именно, большое значение плотности сверхпроводящего тока, был обнаружен в купратных оксидных гетероструктурах с толстой оксидной AF прослойкой[2].



В настоящее время наибольшей воспроизводимостью параметров характеризуются бикристаллические джозефсоновские переходы на основе металлоксидных сверхпроводников. Бикристаллические переходы формируются на подложке, состоящей из двух монокристаллических частей, кристаллографические оси которых развёрнуты на угол 2. В процессе роста эпитаксиальных МОСП плёнок на такой бикристаллической подложке образуется граница раздела атомных размеров, которая представляет собой слабую связь двух сверхпроводящих пленок. Однако в процессе роста происходит зарастание пленки в ту или иную сторону от границы, что выражается в том, что бикристаллическая граница плёнки имеет вид ломаной линии. Типичный размер таких изломов (фасеток) составляет 10- 100 нм [3]. Фасетирование бикристаллической границы вызывает значительный разброс параметров джозефсоновских переходов. Поэтому одной из актуальных современных задач является совершенствование существующих типов и создание новых типов бикристаллических джозефсоновских структур для достижения радикального уменьшения фасетирования бикристаллической границы.

В микроволновом диапазоне электромагнитного излучения (0,37 ГГц) усилители на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов) обладают шумовой температурой, близкой к квантовому пределу hf / k, где f – частота сигнала, h и k - постоянные Планка и Больцмана соответственно [4]. Такие высокие значения чувствительности усилителей в сочетании с широко обсуждающейся возможностью создания сверхпроводниковых приемных антенн открывают новые возможности в области разработок перспективных приемных устройств для систем беспроводной и спутниковой связи. В последнее время обсуждается также возможность применения сверхчувствительных СКВИД-устройств в качестве считывающих элемента в квантовых детекторов [5] и устройств обнаружения нового типа частиц – аксионов [6].

Несмотря на достаточно низкую шумовую температуру СКВИД-усилителей TN  1…3 K [25], одновременно низкая температура насыщения Tsat  100…150 K [25] приводит к малому динамическому диапазону D = Tsat/TN СКВИД-усилителей (порядка 10-15 дБ) в отсутствие цепи эффективной следящей обратной связи, использование которой, как известно, в низкочастотных СКВИДах позволяет получить динамический диапазон D до 100 дБ. Попытки реализации цепи эффективной обратной связи в гигагерцовом диапазоне частот пока не увенчались успехом.

Новые возможности открывает использование цепочек СКВИДов постоянного тока (цепочек двухконтактных интерферометров). Динамический диапазон как параллельной, так и последовательной цепочек увеличивается с ростом числа N ячеек цепочки пропорционально (при работе без цепи следящей обратной связи). Действительно, в случае параллельной цепочки максимальная величина отклика напряжения не зависит от N, а среднеквадратичное напряжение шумов уменьшается как 1/. В случае последовательной цепочки среднеквадратичное напряжение шумов увеличивается пропорционально , в то время как максимальная величина отклика напряжения растет пропорционально числу N ячеек. Переход от одного интерферометра постоянного тока к последовательной цепочке интерферометров позволяет также увеличивать амплитуду выходного сигнала и выходной импеданс. Значительное увеличение динамического диапазона дает возможность эффективной работы без цепи обратной связи.

Недавно были предложены цепочки с нерегулярной структурой (с некратными площадями СКВИД-ячеек) - сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФ) [7]. Отклик напряжения СКИФ на приложенное магнитное поле характеризуется одним большим пиком в области нулевого значения поля H, а все боковые пики оказываются подавленными вследствие интерференции сигналов от различных СКВИД-ячеек. Отметим, что в работах не учитывалось влияние фраунгоферовской зависимости IC(H) в джозефсоновских переходах. Результаты измерений на постоянном токе подтвердили преимущество использования таких СКИФ-структур в качестве нуль детекторов магнитного поля [8]. Более того, результаты ряда последних работ (см.. например, [26]) свидетельствуют о том, что линейность отклика устройств на основе СКИФ-цепочек может быть существенно увеличена за счет структурной оптимизации и использования дифференциальных схем.

Таким образом, актуальность задач в области разработок и исследований новых типов джозефсоновских переходов на основе металлоксидных сверхпроводников и многоэлементных структур позволяет сформулировать основные цели данной работы.

Цель диссертационной работы.

  • Разработка технологии изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/ M /YBa2Cu3O7-x на основе эпитаксиальных сверхпроводящих металлоксидных плёнок YBa2Cu3O7-х, где M - прослойка магнитоактивного материала из манганитов или антиферромагнитных купратов. Исследование электронного транспорта в полученных гетероструктурах в диапазоне температур 4,2 - 0,3 K.
  • Совершенствование методов создания бикристаллических джозефсоновских переходов с высоким значением характерного напряжения и малым разбросом параметров в пределах одного чипа на основе технологии металлоксидных сверхпроводящих пленок (МОСП).
  • Создание многоэлементных джозефсоновских структур, пригодных для реализации на их основе высокочувствительных приемных устройств гигагерцового диапазона частот.
  • Исследование характеристик многоэлементных джозефсононовских структур на постоянном токе, а также высокочастотных характеристик в гигагерцовом диапазоне частот.

Научная новизна.

-  Экспериментально показано, что в гибридных гетероструктурах с манганитной прослойкой толщиной 5 нм и более отсутствует сверхпроводящий ток во всем диапазоне рассмотренных температур 4,2 - 0,3 K, что, по всей вероятности, является следствием магнитного упорядочения в манганитной прослойке, которое возникает даже в отсутствие легирующего материала в пленке. В то же время, для гетероструктур с прослойкой из антиферромагнитных купратов при температуре T = 4,2 K критический ток наблюдался для толщин прослойки от 10 до 80 нм.

-  Экспериментально показано соответствие критической частоты, определенной из электрофизических параметров, измеренных на постоянном токе, с частотой, определенной из динамических (СВЧ) параметров для созданных бикристаллических МОСП джозефсоновских переходов с наклоном базовых (a-b) плоскостей вокруг направления [100].

-  Предложен новый режим работы многоэлементных джозефсоновских структур на основе тонкопленочных МОСП переходов, при котором вольт-полевая зависимость, V(H), определятся фраунгоферовской зависимостью критического тока от магнитного поля и эффектом фокусировки магнитного потока в джозефсоновских переходах.

Практическая значимость работы.

-   Разработана методика изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/ M /YBa2Cu3O7-x площадью от 1010 до 5050 мкм2 на основе эпитаксиальных сверхпроводящих металлоксидных плёнок YBa2Cu3O7-х с магнитоактивной прослойкой (M) двух типов: (i) антиферромагнитный слоистый купрат Ca1-xSrxCuO2 (x = 0,15 или 0,5) и (ii) манганит La1-yCayMnO3 (y = 0 и y = 0,3 – ферромагнитная и антиферромагнитная фазы соответственно). Предложенный тип джозефсоновских гетероструктур весьма перспективен для создания на их основе фазовых и потоковых кубитов - элементной базы квантового компьютера.

-  Созданы бикристаллические джозефсоновские переходы с большим характеристическим напряжением и малым разбросом параметров на подложках, пригодных для высокочастотных применений, что делает их привлекательными элементами для применения в сверхпроводниковой электронике. Получены переходы с плотностью критического тока jc=(25)*105 A/см2, VС=0,6-0,9 мВ при температуре T=77 K.

-  Отработаны основные технологические этапы изготовления многоэлементных металлоксидных джозефсоновских структур на бикристаллических подложках из галлата неодима. Проведена оптимизация роста тонких эпитаксиальных с-ориентированных металлоксидных сверхпроводящих плёнок (МОСП) для получения на их основе высококачественных джозефсоновских структур.

-  Разработана топология, созданы экспериментальные образцы многоэлементных бикристаллических джозефсоновских структур на основе с - ориентированных металлоксидных сверхпроводящих плёнок для построения на их базе высокочувствительных устройств СВЧ диапазона.





Основные положения выносимые на защиту

1) Разработана методика изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/ М /YBa2Cu3O7-x площадью от 1010 до 5050 мкм2 на основе эпитаксиальных сверхпроводящих металлоксидных плёнок YBa2Cu3O7-х с магнитоактивной прослойкой (M) двух типов: (i) антиферромагнитный слоистый купрат Ca1-xSrxCuO2 (x = 0,15 или 0,5) и (ii) манганит La1-yCayMnO3 (y = 0 или 0,3). Разработана методика изготовления высокочастотных многоэлементных джозефсоновских структур на бикристаллических подложках из галлата неодима.

2) Экспериментально показано, что критическая частота бикристаллических МОСП джозефсоновских переходов с наклоном базовых (a-b) плоскостей вокруг направления [100], определенная из параметров, измеренных на постоянном токе (IC –критический ток и RN-нормальное сопротивление), совпадает с точностью до 7% с частотой, определенной из СВЧ измерений.

3) Предложен и исследован новый режим работы цепочек последовательно соединенных тонкопленочных МОСП СКВИДов с некратными площадями - СКИФов, при котором напряжение на цепочке определяется фраунгоферовской зависимостью критического тока от магнитного поля и эффектом фокусировки магнитного потока в бикристаллических переходах.

Апробация работы.

Работы А.В. Шадрина докладывались на международных и российских конференциях: Applied Superconductivity Conference (ASC’ 2007), International Superconductive Electronics Conference (ISEC’ 2005), European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS’ 2003, 2005), 1-ая и 3-я международная конференция по фундаментальным проблемам высокотемпературной сверхпроводимости (Звенигород, 2004, 2008), 34-е совещание по физике низких температур (Ростов на Дону, 2006), Euro-Asian Symposium Magnetism on a Nanoscale (Kazan, 2007), XII международный симпозиум, "Нанофизика и Наноэлектроника" (Н. Новгород, 2008), 16 International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Владивосток, 2008), "Quantum Dynamics in Dots and Junctions Coherent Solid State Systems" (Italy, 2008), The Eighth International Workshop on Low Temperature Electronics (Germany 2008), и публиковались в ведущих специализированных изданиях: Applied Physics Letters, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Письма в ЖТФ, ЖЭТФ, «Нелинейный мир». Всего по результатам работы подготовлено более 20 публикаций (статей и тезисов конференций). Список основных публикаций приведен ниже.

Вопросы авторства и публикация результатов

Основное содержание диссертационной работы отражено в 7 печатных работах.

В работе [A1] автор занимался совершенствованием технологии и изготовлением экспериментальных образцов.

В работах [A2, A3, A4] автором были изготовлены металлоксидные бикристаллические переходы на бикристаллических подложках с наклоном базовых плоскостей вокруг направления [100] МОСП с большим характеристическим напряжением и малым разбросом параметров на подложках, пригодных для высокочастотных применений.

В работе [A5] автором изготовлены многоэлементные джозефсоновские структуры на основе тонкопленочных МОСП переходов. Также автором были проведены измерения электрофизических и магнитных параметров созданных структур.

Созданная и оптимизированная автором технология изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/M/YBa2Cu3O7-x на основе эпитаксиальных сверхпроводящих плёнок YBa2Cu3O7-х с магнитоактивной прослойкой (M) описана в работе [A6].

В работе [A7] автором изготовлены многослойные многоэлементные джозефсоновские структуры с интегрированной линией задания сигнала. Проведены расчеты зависимости входного импеданса усилителя и коэффициента усиления в диапазоне частот 1-2 ГГц.

В публикациях конференций [А8-А23] авторское участие Шадрина А. В. полностью аналогично указанной выше авторской части в работах [А1-А7].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка публикаций автора по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование выбора темы диссертации, формулировка целей и задач, описание структуры диссертации

Глава 1 является обзором литературы, в котором на примере YBa2Cu3O7-х (YBCO) рассматриваются особенности джозефсоновских переходов из металлоксидных сверхпроводников, обусловленные их кристаллической структурой и существованием в них d-симметричной компоненты сверхпроводящего параметра порядка. Также рассматриваются вопросы создания и применения многоэлементных структур на основе джозефсоновских переходов, их преимущества и недостатки.

В разделе 1.1 описывается кристаллическая структура и фазовая диаграмма YBCO и их связь с его сверхпроводящими свойствами. Содержание кислорода в решетке YBCO, определяющее форму кристаллической решётки (тетрагональную или орторомбическую) и, как следствие, сверхпроводниковые свойства материала, зависят от условий получения [9, 10]. В процессе охлаждении образца от температур формирования до комнатной температуры происходит насыщение кислородом и переход из тетрагональной модификации в орторомбическую, являющуюся сверхпроводящей. Контроль содержания кислорода в пленке является важным этапом изготовления МОСП пленок. Подложки для эпитаксиального роста YBCO плёнок выбираются в соответствии с постоянными трансляции, которые должны быть близки или кратны постоянным решетки YBCO.

В разделе 1.2 рассмотрена s- и d-симметрия сверхпроводящего параметра порядка и ее влияние на свойства джозефсоновских переходов (ДП) на основе YBCO плёнок. d-симметрия сверхпроводящего параметра порядка в МОСП была подтверждена большим количеством экспериментальных результатов [11]. В YBCO реализуется комбинированная d+s симметрия параметра порядка[12], в результате чего, свойства ДП на основе YBCO значительно отличаются от свойств переходов на основе сверхпроводников с изотропным типом симметрии параметра порядка, т. е. s-сверхпроводников. Так, d-симметрия параметра порядка вызывает появление второй гармоники в ток-фазовой зависимости (ТФЗ), а связанные андреевские состояния, возникающие на границе d-сверхпроводника, дают дополнительный канал протекания тока [3, 13].

В разделе 1.3 рассматриваются способы формирования структур на основе МОСП. Рассматриваются однослойные и многослойные МОСП ДП.

Разделе 1.4 посвящён бикристаллическим ДП. Особенностью бикристаллической границы МОСП плёнки является её фасетированность за счёт зарастания МОСП пленки в ту или иную сторону от бикристаллической границы. Размер фасеток зависит от технологии формирования бикристаллической пленки и по порядку величины составляет 5-10 нм при лазерном напылении пленки, 40-80 нм при магнетронном напылении и 100-800 нм при катодного распыления в разряде постоянного тока при большом давлении кислорода [14]. В свою очередь неоднородность бикристаллической границы и d-симметрия параметра порядка определяют особенности поведения ток-фазовой зависимости (ТФЗ), а также вызывают значительный разброс параметров джозефсоновских переходов.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.