Болометрический и неравновесный фотоотклик тонких пленок YBa2 Cu3 O7- на импульсное лазерное излучение Куминов, Павел Борисович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. После открытия высокотемпературных сверхпроводников в физике твёрдого тела интенсивно развивается направление, связанное с исследованием кинетики электронов и фононов в ВТСП. Этот интерес связал как со всесторонним исследованием физических характеристик этих материалов, так и с перспективами их использования в качестве элементов твёрдотельной сверхпроводниковой электроники. Одним из подходов к разрешению этой проблемы является изучение воздействия электромагнитного излучения на тонкие плёнки ВТСП. К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал о процессах, происходящих в тонких плёнках ВТСП под действием излучения.

Активно проводятся исследования болометрического эффекта, эффекта Джозеф-сона и неравновесного отклика, то есть отклика, связанного с изменением только электронных состоянии в объёме сверхпроводника под действием излучения.

Лучше всего понятна природа эффектов в миллиметровой и субмиллиметровой областях спектра. Характерные черты эффекта Джозефсона наблюдались в гранулированных плёнках достаточно малых размеров, включающих небольшое число межгранульных барьеров. В больших образцах естественная неидентичность межгранульных контактов приводит к размытию джозефсоновских особенностей в результате чего возникает проблема" идентификации этого механизма.

В работе [1] наряду с эффектом Джозефсона был обнаружен и исследован неравновесный отклик, аналогичный электронному разогреву в тонких плёнках традиционных сверхпроводников [2]. Результаты измерений [1] показывают, что при воздействии субмиллиметрового излучения на гранулироанные пленки YBaCuO, в достаточно большом магнитном поле (В > 1 Тл), джозефсоновский механизм оказывается подавленным, а при длинах волн излучения Д < 0,4 мм джозефооновская специфика вообще не проявляется. В этих условиях, когда в обычных сверхпроводниках наблюдается электронный разогрев [2], доминирующим оказывается неравновесный отклик и время релаксации неравновесного состояния, интерпретируемое как время электрон-фононного взаимодействия r_r-_ph, соответствует пико секундному диапазону (при Т — 4,2 К т_е__р/, ~ 30 пс). Температурпая зависимость времени электрон-фононного взаимодействия, рассчитанная по величине отклика в рамках модели электронного разогрева т<.__рл ~ 7^1-1, совпадает с результатами непосредственных измерений при гелиевых температурах и даёт значение 1 — 2 пс при 77 А'. Такие же величины были затем косвенно получены в чисто оптических экспериментах по методу оптической накачки и зондирования (pump-probe): 0.5 4- 1.5 пс, и совсем недавно измерены прямым методом: 1.1 -т- 3.5 пс другими исследовательскими группами.

_4 —

В оптической и ИК областях спектра неравновесный отклик [3] сводится к подавлению сверхпроводящего параметра порядка в гранулах оптическим излучением и, следовательно, уменьшению критического тока слабых связей. Тогда часть слабых связей, для которых ток смещения оказывается теперь больше критического, переходит в нормальное состояние, давая прирост сопротивления. Следует отметить, что многочисленные поиски отклика слабых связей на оптическое излучение в высокотемпературных сверхпроводниках не дали ясных результатов и вопрос о его механизме до сих пор остаётся открытым.

В связи со специфическим характером резистивного состояния тонких двумерных ВТСП плёнок, обусловленного фазовым переходом Костерлица-Таупесса, Кадин и др. [4] предложили механизм детектирования, основанный на разрыве пары вихрь-антивихрь под действием кванта излучения, приводящий к возникновению дополнительного сопротивления при движении вихря и антивихря к противоположным сторонам плёнки за счёт транспортного тока. К сожалению, пока никто не смог наблюдать отклик ВТСП, связанный с фазовым переходом Костерпица-Таулесса.

Таким образом, в настоящее время предложен ряд механизмов возникновения неравновесного резистивного отклика в ВТСП материалах в оптическом диапазоне спектра (например [3,4]). Однако, лишь разогрев электронов, объясняющий пикосекундный резистивный отклик, был подтверждён совокупностью экспериментальных результатов в широкой области спектра от видимого до миллиметрового диапазонов длин волн [5,6].

Исследование наносекундного резистивного отклика в работе [7] показало, что постоянная времени отклика не зависит от длины волны электромагнитного излучения от дальнего инфракрасного до видимого диапазонов длин волн. Наиболее важным моментом оказалась обнаруженная прямо пропорциональная зависимость постоянной времени от толщины УВа_гСіі_гОт-ь плёнки. Таким образом, вопрос о природе наносекундного отклика был решён в пользу болометрического эффекта и было показано, что теплоотвод от тонких плёнок ВТСП осуществляется граничным сопротивлением между плёнкой и подложкой (МдО, LaAlOa), а не диффузионными процессами в плёнке или подложке.

В сверхпроводящем состоянии ВТСП о наблюдении наносекундного отклика, связанного с изменением кинетической индуктивности, впервые сообщалось в работе [8], где была сделана попытка объяснить релаксацию такого отклика процессом рекомбинации неравновесных квааичастиц, затянутым за счёт перепоглощения фононов электронами, что в принципе не применимо дпя ВТСП [13]. Другие авторы аналогичные результаты приписывали исключительно болометрическому эффекту.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что (і) детектирование электромаг-

— 5 —

нитного излучения тонкими плёнками ВТСП может быть связано с разными механизмами. Разделение этих механизмов, определение их границ является сложной и актуальной проблемой, (ii) Идентификация механизмов фотоотклика в сверхпроводящем состоянии представляет большой интерес, (iii) Также важным является тщательное исследование болометрического эффекта в ВТСП плёнках.

Главной целью диссертационной работы является детальное экспериментальное исследование болометрического эффекта в ВТСП плёнках, изучения теплового сопротивления между ВТСП плёнкой и подложкой и изучение механизмов фотоотклика тонких УВа^СизО?^ плёнок в сверхпроводящем состоянии вблизи перехода.

Научная новизна. Проведённые исследования позволили получить следующие новые результаты:

1. Обнаружен переход от экспоненциальной к стеленной релаксации болометрического отклика высокотемпературных сверхпроводниковых плёнок на импульсное лазерное излучение, который объясняется сменой теплового режима остывания плёнки: релаксация температуры плёнки, обусловленная сопротивлением Капицы на границе плёнки и подложки, сменяется диффузионным переносом тепла в подложку.

2. Измерено время смены режимов релаксации, определяемое временем возврата фононов из подложки в плёнку тд. при температуре Т — 90 К: 350 не для Л^Оз(1Ю2); 30 не для МдО( 100); 15 не для NdGa0₃(lW); 10 не для ХаЛЮ₃(100); < 0.1 не для 2гО_г(100) + У_г0₃- Определено тепловое сопротивление границы между УВа_гСи%От-$ плёнкой и некоторыми подложками В.м при температуреХ = 90 К: 0.53х10~³ К-см^г-Вт~¹ для МдО; 1.1 х 10"³ К см² Вт'¹ для А1₂0₃; 1.15 х 10"³ К см² Вт"¹ для LaAl0₃; 0.76 х 10~³ К см² Вт'¹ для NdGaOi- Из экспериментальных данных вычислены средние коэффициенты прозрачности границы УВа₂Сщ07-і Плёнка - подложка для фононов, переносимых через неё в обоих направлениях: плёнка-подложка а/_, и подложка-плённа a,-f. Все величины коэффициентов прозрачности лежат в пределах 0.02 -г 0.1.

3. Впервые обнаружен и исследован неравновесный индуктивный фотоотклик
вблизи сверхпроводящего перехода, связанный с разогревным эффектом, при котором
неравновесная функция распределения кваэичастиц описывается электронной темпера
турой.

4. Показано, что отклик тонких УВа_гСи₃От-ь плёнок в сверхпроводящем состо
янии вблизи критической температуры Г_с имеет две компоненты: первая пикосекундная
составляющая объясняется неравновесными процессами в сверхпроводнике, а вторая на-
носекундная компонента имеет болометрическую природу. Характерные времена релак
сации квазичастиц и фононов в сверхпроводящем состоянии вблизи сверхпроводящего

—6 —

перехода (Л < Г) практически совпадают с аналогичными временами в реоистивном состоянии сверхпроводника.

Указанные положения выносятся на защиту.

Практическая ценность работы состоит в том, что

определение теплового граничного сопротивления между ВТСП плёнкой и подложкой, характерных времён ухода фононов из плёнки и их возврата позволяют получать оаданные параметры при создании быстродействующих болометров с использованием тонких YBa₂Cu₃07-.s плёнок,

установление существования в сверхпроводящем состоянии УВагСи^Оі-і плёнок вблизи перехода механизмов релаксации индуктивного отклика, таких же, как и в реоистивном состоянии даёт возможность создания быстродействующих (пикосекундных) и малошумяших (отсутствует Джонсоновсхий шум) индуктивных детекторов широкого спектрального диапазона (эффект электронного разогрева неселективен к длине волны излучения) на основе тонких YBa2Cu₃07-e плёнок.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на:

конференции "Molecular and Oxides Superconductors", Юджин, Орегон, США, июль 1993;

I европейской конференции по прикладной сверхпроводимости, Геттинген, Германия, октябрь 1993;

конференции "Optoelectronics for Information and Microwave System: Superconductor Engineering", Сан Диего, Калифорния, США, январь 1994;

конференции "Optoelectronic and Microwave Engineering: Superconductors", Лос Анжелес, Калифорния, США, январь 1994;

конференции "The 1994 Applied Superconductivity Conference", Бостон, Массачусетс, США, октябрь 1994;

а также на семинарах в ПРФЛ МПГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Список работ приведён в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Объём работы составляет 168 страниц, включая 25 рисунков и 10 таблиц. Библиография содержит 198 наименований.