Механизмы фотоотклика тонких сверхпроводниковых пленок Гогидзе, Иван Георгиевич

Введение к работе

Актуальность проблемы и направление исследований. После открытия высокотемпературных сверхпроводников в физике твердого тела интенсивнее стало развиваться направление, связанное с исследованием кинетических процессов в сверхпроводниковых пленках под воздействием электромагнитного излучения. Этот интерес связан как со всесторонним исследованием физических характеристик ВТСП материалов, так и с перспективами их использования в качестве элементов твердотельной сверхироводниковой электроники. К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал о воздействии излучения на тонкие пленки ВТСП. Наряду с хорошо известными эффектами для его объяснения привлекаются также специфические, характерные только для ВТСП, механизмы воздействия электромагнитного излучения.

Активно проводились исследования болометрического эффекта, эффекта Джозеф-сона и неравновесного отклика, то есть отклика, связанного с изменением только электронных состоянии под действием излучения. Остро стояли вопросы об особенностях проявления и границах существования перечисленных механизмов.

Наиболее попятная ситуация сложилась в миллиметровых и субмиллиметровых областях спектра. Характерные черты эффекта Джозефсона наблюдались в гранулированных плешсах достаточно малых размеров, включающих небольшое число межгра-нупьных барьеров. В больших образцах естественная неидентичность межгранульных контактов приводит к размытию джозефсоновских особенностей, в результате чего возникает проблема идентификации этого механизма.

В работах [1, 2] был обнаружен и исследован (наряду с эффектом Джозефсона) неравновесный отклик, аналогичный электронному разогреву в тонких пленках традиционных сверхпроводников в резистивном состоянии [3]. Результаты измерений в работе [2] показывают, что при воздействии субмиллиметрового излучения на гранулированные пленки YBaCuO, в достаточно большом магнитном поле (В > 1 Гл), джозефсоновскии механизм оказывается подавленным, а при длинах волн излучения А < 0.4 дім джозефсо-новская специфика вообще не проявляется. В этих условиях, когда в обычных сверхпроводниках наблюдается элекронньщ разогрев [3], доминирующим оказывается неравновесный отклик и время релаксации неравновесного состояния, интерпретируемое как время электрон-фононного взаимодействия Те-рь, соответствует пикосекундному диапазону (при Т = 4.2 К r_e-_ph ~ 30 лс). Температурная зависимость времени электрон-фононного взаимодействия, рассчитанная по вепичипе отклика в рамках модели электронного разогрева Те-рь ~ Г^-1, совпадает с результатами непосредственных измерений при гелиевых температурах и дает значение порядка 1 -=- 2 пс при 77 К.

— 4 —

В оптической и ИК областях спектра нестационарный эффект Джозефсона малоэффективен и межграпульные слабые связи могут влиять на фотоотклик лишь опосредованно. Неравновесный отклик в отом случае [4] сводится к подавлению сверхпроводящего параметра порядка в гранулах оптическим излучением и, следовательво, уменьшению критического тока слабых связей. Тогда часть слабых связей, для которых ток смещения оказывается теперь больше критического, переходит в нормальное состояние, давал прирост сопротивления. Следует отметить, что несмотря на интенсивные исследования в этом направлении, такой механизм детектирования в ВТСП пленках до сих пор не обнаружен.

Первоначальные поиски неравновесного отклика в оптическом диапазоне длин волн, где проводятся исследования большинством групп с использованием техники импульсных лазеров, привели к следующей ситуации. С одной стороны, имелись многочисленные указания на то, что стационарные характеристики отклика существенно отличаются от ожидаемых при однородном нагреве образца, что связывали с неравновесными электронными процессами. С другой стороны, измеренное время отклика в лучшем случае составляло несколько наносекунд [5].

Более детальное исследование наносекундного отклика в работе [6] показало, что постоянная временя отклика не зависит от длины волны электромагнитного излучения от далекого инфракрасного до видимого диапазонов длин волн. Наиболее важным моментом оказалась обнаруженная прямо пропорциональная зависимость постоянной времени от толщины YBaCuO пленки. Таким образом, вопрос о природе наносекундного отклика был решен в пользу болометрического эффекта и было показано, что теплоотвод от тонких пленок ВТСП осуществляется граничным сопротивлением пленка-подложка (МдО, ЬаАЮз), а не диффузионными процессами в пленке или подложке.

В связи со специфическим характером резистивного состояния тонких двумерных ВТСП пленок, обусловленным динамикой вихрей Костерлиц-Таулеского типа, Кадин и др. [7] предложили механизм детектирования, основанный на разрыве пары вихрь-антивихрь под действием кванта излучения, приводящий к возникновению дополнительного сопротивления при движении вихря и аитивихря к противоположным сторонам пленки за счет транспортного тока. Авторы подчеркнули квантовый характер эффекта, где квант излучения приводит к рождению одной пары, хотя и не указали непосредственной реализации предложенного эффекта.

Многие исследовательские группы, как правило, отклик сверхпроводника в рези-стивном состоянии связывают с болометрическим эффектом, а в чисто сверхпроводящем состоянии с неравновесным откликом (например см. обоор [8]). В работе [9] впервые был получен индуктивный отклик в тонких пленках YBaCuO в сверхпроводящем состоянии

— 5 —

и имел наносекундное время релаксации. Авторы отклик по кинетической индуктивности связывают с неравновесной сверхпроводимостью, а что касается затянутого времени релаксации фотоотклика, объясняют с временем жизни квазичастиц и перепоглощением неравновесных фононнов конденсатом (фояонный трэппинг). Последнее утверждение основано на модели Оуэна-Скалапипо [10], созданной для традиционных сверхпроводников, и вообще не приемлема для ВТСП материалов [11].

Традиционные сверхпроводпики с высокими критическими температурами занимают особое место в исследовании неравновесного отклика. С одной стороны, их параметры, в частности время электрон-фононного рассеяния, представляют большой интерес для различных прикладных применений. С другой, реализация условий неравновесного отклика в них более сложная и, по-видимому, близка к той, что имеет место в высокотемпературных сверхпроводпиковых пленках.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что детектирование электромагнитного излучения тонкими пленками сверхпроводников может быть связано с разными механизмами. Разделение этих механизмов, определение их границ существования является сложной и актуальной проблемой. Обнаружение и детальное исследование неравновесного отклика в сверхпроводниковых материалах, как вблизи (Т > Л), так и вдали (Т -С А) перехода, представляет большой интерес, а тщательное изучение болометрического эф фекта даст возможность определить подробности механизма релаксационных процессов и теплового граничного сопротивления между сверхпроводниковой пленкой и подложкой.

Главной целью представленной работы является определение механизмов фотоотклика тонких пленок сверхпроводников, изучение необходимых условий для реализации неравновесного отклика, а также расчет и экспериментальные исследования характеристик пикосекундных неравновесных сверхпроводпиковых детекторов.

Достижение этой цели предполагает решение ряда задач, которые условно можно разделить на три группы:

исследование резистивного фотоотклика тонких пленок традиционных и высокотемпературных сверхпроводников вблизи сверхпроводящего перехода (Т > Д);

изучение фотоотклика тонких сверхпроводниковых пленок чисто в сверхпроводящем состоянии вблизи (Т > Д) и вдали (Т -С Д) сверхпроводящего перехода;

исследование п создание неравновесных резистивпых и индуктивных сверхпроводпиковых детекторов на основе тонких пленок традиционных я высокотемпературных сверхпроводников широкого спектрального диапазона.

В качестве основных объектов исследования были выбраны структурированные пленки YBaCuO и нитрида ниобия - NbN. Среди ВТСП материалов Y₁Ba₂Cu₃0₇-s пленки наиболее известные: имеют высокий уровень технологии и в процессе многолетних

— 6 —

исследований накоплены относительно большие знания основных физических свойств. Что касается пленок NbN, в отличие от элементарных сверхпроводников, как было обнаружено в ходе наших исследований, за счет относительно высокой критической температуры они имеют временные характеристики релаксационных процессов сравнительно близкие к ВТСП пленкам. Для реализации неравновесного отклика были необходимы пленки с высокой критической температурой, узким сверхпроводящим переходом ж толщиной несколько десятков ангстрем. Наша технологическая группа решила оту задачу, в результате были получены пленки NbN толщішои менее 50 А на сапфировой подложке с управляемой величиной Т_е и с ее воспроизводимостью лучше 0.5 К в диапазоне температур 4.5 -=-14.7 К [12].

В настоящей диссертации изложены результаты исследований, выполненных в 1987-1997 годах. Работа поддерживалась:

Научным советом по проблеме ВТСП и выполнялась в рамках проектов Государственной программы "Высокотемпературная сверхпроводимость" - N40 "Горизонт" (1988— 1990), N90462 "Горизонт-1" (1991-1993), N93167 "Горизонт-И" (1994-1996) и N96128 "Горизонт-Ш" (1997);

Соросовским научным фондом - проекты NAE0O0 и NAHOO0 (1994-1995);

Российским фондом фундаментальных исследовалий - проект N1-068/4 (1997).

Научная новизна. Комплекс проведенных исследований позволили получить новые результаты, главные из которых могут быть сформулированы следующим образом:

1. В оптической и ближней ИК области спектра обнаружен неравновесный фотоотклик пикосекундного временного диапазона в реоистивном состоянии тонких пленок нитрида ниобия.

2. Впервые получен и исследован двухкомпопентный фотоотклик пленок нитрида ниобия толщиной d > 50 А на лазерное амплитудно-модулированпое и импульсное излучение оптического и ближнего ИК диапазонов. Показано, что быстрая компонента фотоотклика связана с неравновесным откликом, а медленная компонента - с быстрым болометрическим эффектом. Определены времена релаксации в электронной и фононной подсистеме: при Т > 10 К т_с-_рк — 10 пс и т_рк-г — 50 пс, а время ухода перавновесных фононов ио пленки (d ~ 50 Л) в сапфировую подложку т_с, составляет ~ 50 лс.

3. Впервые исследованы условия реализации быстрого болометрического эффекта в
нитриде ниобия. Экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что в суб-
наносекуцдиом интервале времен теплоотвод от пленки определяется сопротивлением
Капицы, а не диффузионными процессами распространения тепла в пленке или под
ложке. Измерено сопротивление Капицы на границе АГЬАГ-пленки и .А^Оз-подложки:
Rid — Ю^-2 К см^г вт~^г при Т ~ 10 К. Значение коэффициента прохождения фононом

— 7 —

границы а/_, ~ Ю^-1 являются оптимальными для многих практических приложений болометрического эффекта.

4. Обнаружен и детально исследован пикосекундный неравновесный отклик тонких пленок УВагСпцОг-і в резистивном состоянии на импульсное лазерное излучение оптического и ближнего ИК диапазонов. Выяснены оптимальные условия его наблюдения. Определены времена релаксации в электронпой и фопонной подсистеме: т_с__р/, ~ 2 пс и T_ph_, ~ 70 не при азотных температурах.

5. Исследована спектральная зависимость неравновесного отклика тонких YBa₂Cu₃0i-b пленок в оптической и ближней ИК области спектра. Наблюдаемая неселективность неравновесной компоненты фотоотклика YBa₂Cu₃0r^s пленок убедительно доказывает присутствие эффекта электронного разогрева в тонких пленках ВТСП. В этом случае неравновесная функция распределения квазичастиц описывается электронной температурой и не зависит от длины волны электромагнитного излучения.

6. В высокотемпературных сверхпроводниковых пленках обнаружен переход от болометрического экспоненциального отклика к степенному, что объясняется сменой теплового режима остывания пленки: релаксация температуры ппенки, обусловлеппая сопротивлением Капицы на границе пленки и подложки сменяется диффузионным переносом тепла в подложке. Измерено характерное время смены режимов релаксации, идентифицируемое с временем возврата фоыонов из подложки в пленку тд при Т = 90 К: 350 не для А1₂0₃; 30 не для МдО; 15 яс для NdGa0₃; 10 не для LaAl0₃; < 0.1 не для Zt0₂.

7. Определено тепловое граничное сопротивление между пленкой YBa₂Cu₃0r~i и различными подложками Rbd при Т = 90 К: 0.53 х 10^_s К см² Вт^-1 для МдО; 1.1 х 10~³ К см² Вт'¹ для А1₂0₃; 1.15 х 10"³ К см² Вт¹ для ЬаАЮ₃; 0.76 х 10"³ К см² Вт"¹ для NdGaOs- Но экспериментальных данных определены средние коэффициенты прозрачности границы YBa₂Cu₃0r^( пленка - подложка для фоноиов, проходящих в обоих направлениях; пленка-нодложка а/_, и подложка-пленка а,_/. Полученные значения коэффициентов а ~ Ю^-1 4- Ю^-2 хорошо описываются моделью акустического согласования. Напротив, выводы модели диффузионного рассеяния фононов на границе не соответствуют полученным результатам.

8. Впервые получен и исследован индуктивный сигнал пикосекупдного временпого диапазона в чисто сверхпроводящем состоянии вблизи перехода (Г > А ) в тонких пленоках YBa₂Cu₃0rs на импульсное лазерное излучение в оптической и ближней ИК области спектра. Установлено, что индуктивный отклик имеет две компоненты, как и в случае резистивного отклика: первая пикосекуидная составляющая объясняется неравновесной сверхпроводимостью, а вторая наносецтндная компонента имеет болометрическую природу и обусловлена тепловым сопротивлением границы пленка-подложка. Вблизи

— 8 —

перехода характерные времена релаксации квазичастиц и фононов в чисто сверхпроводящем состоянии практически совпадают с аналогичными временами в реаистивном состоянии.

9. Обиаружеп и исследован неравновесный индуктивный отклик при низких температу
рах (Г < А) в топких пленках нитрида ниобия: впервые прямым методом измерено
время жизни квазичастиц Tj ~ 10 не в пленках толщиной, d = 50 -f 100 А. "Установлено,
что в области низких температур (Т < 0.6 Т_с) п имеет экспоненциальную темпера
турную зависимость и пропорционально толщине сверхпроводящей пленки; величина
индуктивного сигнала на ылато частотной зависимости слабо, как Г^-1'², растет с по
нижением температуры.

10. Обнаружен и исследован неравновесный индуктивный отклик вдали от сверхпрово
дящего перехода (Т -С А) в тонких УВа_гСи^От-і пленках. Впервые экспериментально
доказано, что при низких температурах в индуктивном отклике УВа^Си^Рт^ пленок
толщиной d = 500 А на подложке из LaAlO_s> при Т = 4.2.ЙГ, отсутствует болометри
ческая составляющая. Показано, что низкотемпературная реализация неравновесного
отклика в YBovCv,?,Ot-s связана с нодальными областями электронного спектра.

Эти положения выносятся на защиту.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Проведенные экспериментальные исследования энергетической релаксация электрон-фононного, фоноц-опектронного, фонон-фононного взаимодействия в традиционных и высокотемпературных сверхпроводниковых пленках и найденные значения их характерных времен имеют важное значение для описания таких фундаментальных физических явлений как сверхпроводимость и процессы переноса в твердых телах. Выполненные эксперименты стимулировали идентификацию и обобщение механизмов воздействия электромагнитного излучения на пленки сверхпроводников вблизи и вдали сверхпроводящего перехода.

2. Изученные механизмы фотоотклика тонких сверхпроводниковых пленок позволили:

создать быстрый широкополосный резистивный детектор на основе тонких структурированных пленках NbN, работающий в электронном режиме детектирования. Детектор при рабочей температуре Т > 10 К имеет быстродействие гд ~ 10 Пс, вольт-ваттную чувствительность Su ~ 20 В Вт^-1 и динамический диапазон ~ 80 dB. Оцепка предельного значения параметра дает D*_s = 1.3 х 10⁹ см Гц¹!² Вт'¹.

показать возможность использования структурированных тонких пяенок YBaCuO в качестве быстрых резистивных детекторов широкого спектрального диапазона от миллиметровых до оптических длин волн излучения. Осуществить электронный режим детектирования YBaCuO резистивного детектора. Постоянная времени и динами-

— 9 —

ческий диапазон детектора составили то ~ 2 пс и 60 dB соответственно. Предельное значение обнаружительной способности D*_e = 0.7 х 10⁷ см Гц¹/² Вт'¹. Измерения и оценки вольт-ваттной чувствительности показали, что Su,« — IB Вт'¹. В болометрическом режиме детектирования, где постоянная времени YBaCuO болометра определяется временем ухода неравновесных фоыонов из пленки в подложку, ре-зистивный детектор имеет следующие характеристики (при YBaCuO пленке толщиной d = 500 А на подложке ЬаАЮз): постоянную времени то = 5 х 10~⁹ с, вольт-ваттпую чувствительность Su,b = 45 В Вт'¹ и предельную обпаружительпую способность D'_b = 2.5 х 10⁷см Гц¹¹² Вт'¹.

впервые создать быстрый сверхпроводниковый детектор на основе индуктивного неравновесного отклика лленжи нитрида ниобия с выходной полосой частот от обратного времени жизни квазичастиц до обратного времени развития электронной лавины А/ ~ 10⁷ -=- 10¹² Гц. Детектор имеет быстродействие то ^ 0.1 пс, а малая концентрация равновесных квазичастиц и высокий квантовый выход приводит к величине обнаружительной способности D* = 10¹² Вт^-1 см Гц¹/² при температуре Т = 4.2 К и >* = 10¹⁶ Вт"¹ см Гц¹/² при Т = 1.6 К.

показать возможность создания индуктивного быстродействующего неравновесного детектора на основе тонких пленок YBaCuO. Постоянная времени детектора определяется только временем релаксации электрон-фононного взаимодействия в нодальных областях T*__ph. При понижении рабочей температуры от 10 К до 1 К постоянная времени то меняется от 10 пс до 100 пс, обнаружительная способность D* соответственно улучшается от 10⁹ Вт'¹ см Гц^1/2 до 4 х 10¹² Вт^-1 см Гц¹/².

Вышеизложенные научные результаты характеризуют развитое новое направление в физике твердого тела - исследование неравповесных процессов в тонких пленках высокотемпературных сверхпроводников. Что касается практических результатов они актуальны для важнейшей области современной прикладной тематики - твердотельной сверхпроводниковой электроники, занимающейся созданием и исследованием быстродействующих устройств, основанных на использовании неравновесных процессов как в традиционных, так и высокотемпературных сверхпроводниках.

Достоверность результатов работы подтверждается тщательностью выполненных исследований и обеспечивается путем использования современных методов измерений, применением высокочастотной и высокоточной аппаратуры, анализом значительных массивов экспериментальных данных. Она проявляется в совпадении результатов экспериментов, использованием различных методик, в их повторяемости, в разумном согласии экспериментальных дапных с теоретическими оценками. Многие результаты, подтверждены экспериментами, выполненными другими исследовательскими группами

_ ю —

как в России, так и за рубежом после опубликования соответствующих работ автора. На эти работы имеются многочисленные ссылки в научных статьях и обзорах (см., например, [8, 13, 14, 15]). Апробация работы и публикация результатов. Основные результаты докладывались на:

Международной конференции по сверхпроводниковой электронике - Глазго, 1991.

III Международной M²S конференции по ВТСП - Канадзава, Япония, 1991.

Российско-германском семинаре по проблеме ВТСП - Санкт-Петербург, Россия, 1991.

Российско-германском семинаре до проблеме ВТСП - Клостер Ванц, Германия, 1992.

Международной конференции "Рассеяпие фононов в твердом теле" - Итака, США, 1992.

конференции "Молекулярные и оксидные сверхпроводники", Юджин, США, 1993.

I европейской конференции по прикладной сверхпроводимости - Геттипген, ФРГ, 1993.

конференции "Высокотемпературные сверхпроводящие детекторы: болометрические и неболометрические" - Сан Диего, Калифорния, США, 1994.

конференции "Оптоэлектронный и микроволновый инженеринг: сверхпроводники" -Лос Анжелес, Калифорния, США, 1994.

"Конференции по прикладной сверхпроводимости 1994 года" - Бостон, США, 1994.

"Конференции по прикладной сверхпроводимости 1996 года" - Питсбург, США, 1996.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 30 печатных работах. Список этих работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех частей, 10 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающий 253 наименования. Объем работы составляет 379 страниц текста, в том числе 60 рисунков и 13 таблиц.