Содержание к диссертации
Стр
Введение 5
Глава 1. Обзор литературы. 10
1.1. Зависимость сопротивления от температуры в ВТСП
материалах при различных уровнях легирования. 10
Псевдощель в ВТСП при легировании, меньшем оптимального. 15
Современные представления о природе псевдощели. 19
Флуктуационный вклад в проводимость при
температурах, немного превышающих критическую. 24
Анизотропия и квазидвумерность ВТСП 28
Топологический фазовый переход Березинского-
Костерлица - Таулеса. 29
1.7. Соотношение между двумерными и трёхмерными
свойствами ВТСП. 35
Глава 2. Описание измерительной установки и методики
получения плёночных образцов. 45
Блок-схема измерительной установки. 45
Измерение напряжения и тока образца с высокой
точностью и чувствительностью. 47
Источник стабильного тока. 52
Источник развёртки тока. 55
Стабилизатор температуры. 57
Источник развёртки температуры. 58
Синтез однофазных объёмных материалов Bi2Sr2Ca2Cu3Oio в качестве мишеней для распыления и
получение плёнок Bi- 2223. 59
з
Глава 3. Величина, температурная зависимость и
некоторые свойства псевдощели, определённые путём
подробного анализа зависимости сопротивления от
температуры. 65
3.1. Зависимость нормального сопротивления от температуры
в интервале 200 + 300 К. 65
3.2. Описание зависимости сопротивления от температуры в
терминах добавочной проводимости. Экспоненциальная
зависимость добавочной проводимости от температуры. 70
3.3. Обоснование применения представления о псевдощели
для описания дополнительной проводимости. 72
3.4. Определение величины псевдощели в плёночных
образцах УВагСизОу-б на подложке УАІОз и Bi2Sr2Ca2Cu3Oio
на подложке MgO. 75
Определение величины и температурной зависимости псевдощели в монокристаллах YBCO с различным уровнем легирования с помощью анализа литературных данных. 75
Определение температурного интервала, в котором зависимость псевдощели от температуры описывается
корневой зависимостью. 77
Сравнение зависимости псевдощели от температуры при различных уровнях легирования с теорией. 79
Обсуждение результатов. 81
Выводы. 86
Глава 4. Флуктуационная проводимость плёнок вблизи сверхпроводящего перехода.
Переход дополнительной проводимости из режима псевдощели в режим флуктуационной проводимости.
Описание высокотемпературной части резистивного перехода с помощью теории флуктуационной проводимости Асламазова-Ларкина для трёхмерной системы.
Выводы.
Глава 5. Исследование резистивных свойств эпитаксиальных плёнок YBCO вблизи перехода в сверхпроводящее состояние.
Вольтамперные характеристики при температурах ниже TC(R = 0) и их сравнение с теорией Йенсена-Минхагена.
Наблюдение степенных вольтамперных характеристик при относительно больших напряжениях на образце.
Применение теории Березинского-Костерлица-Таулеса для описания отношения R(T)/Rn(T) несколько выше температуры TC(R = 0).
Температурная зависимость тока перехода к нелинейному режиму (при Т > TC(R = 0)).
Зависимость сопротивления от магнитного поля при Т немного выше TC(R = 0).
Обсуждение результатов
Выводы.
Заключение.
Литература
Введение к работе
Актуальность темы.
Высокотемпературные сверхпроводники, исследование которых началось с середины 80-х годов, открывают возможность более широкого практического применения сверхпроводимости. На пути к использованию этих перспективных материалов имеется много проблем, одной из которых остается отсутствие теории, объясняющей сам феномен высокотемпературной сверхпроводимости в сложных купратах. Накопленный к настоящему времени объем данных о свойствах ВТСП кристаллов позволяет рассматривать эти материалы как уникальный объект с необычными свойствами как в сверхпроводящем, так и в нормальном состоянии. Существует мнение, что именно понимание особенностей нормального состояния этих кристаллов позволит приблизиться к пониманию и сверхпроводящих свойств этих материалов. Таким образом, задача комплексного исследования нормального и сверхпроводящего состояния, их взаимосвязи в области сверхпроводящего перехода представляет фундаментальный интерес. С другой стороны, изучение резистивных свойств тонких ВТСП пленок необходимо для создания новых элементов криогенной микроэлектроники.
Цель работы. Изучение смены механизмов резистивности тонких ВТСП плёнок в области перехода в сверхпроводящее состояние методом прецизионного измерения температурных зависимостей сопротивления, вольтамперных характеристик и критического тока и сравнением результатов с выводами существующих теорий сверхпроводящего фазового перехода в анизотропных материалах.
Для достижения поставленной цели надо было решить следующие задачи: 1) Создать установку для измерения гальваномагнитных свойств тонких ВПСП плёнок, имеющую высокую чувствительность, широкий динамиче-
6 ский диапазон, большой коэффициент подавления синфазного сигнала, обеспечивающую высокую стабильность температуры образца и автоматизированный сбор и обработку информации.
Провести измерение электрических свойств тонких эпитаксиальных плёнок ВТСП материалов УВагСизСЬ-б и Bi2Sr2Ca2Cu30io, обладающих различной степенью анизотропии. Для получения однофазных плёнок ВігЗггСагСизОю требовалось подобрать режимы напыления и отжига и изготовить массивные однофазные мишени.
Провести сравнение результатов с литературными данными, полученными на эпитаксиальных плёнках и монокристаллах, а также с выводами теорий сверхпроводящего перехода в двумерных и трёхмерных системах.
Поставленные задачи были успешно решены и результаты работы представлены в пяти главах диссертации. В первой главе проведен анализ опубликованных экспериментальных работ по резистивным свойствам ВТСП материалов в области сверхпроводящего перехода. Проведено также рассмотрение теоретических работ, связанных с проблемой сверхпроводящего фазового перехода в слоистых ВТСП соединениях. Интервал температур, близких к критической температуре Тс, можно рассматривать как состоящий из трех областей, в каждой из которых резистивное поведение определяется своим механизмо/ч При температурах, больших Тс, зависимость R(T) имеет особенности, связанные с существованием псевдощели в ВТСП материалах (первая область), непосредственно вблизи Тс проявляются сверхпроводящие флуктуации (вторая область), в нижней части перехода и ниже Тс резистивность связана с движением термически возбужденных вихрей (третья область). В данной работе измерение и анализ ре-зистивных свойств тонких ВТСП пленок проведены во всех этих областях и результаты изложены соответственно температурным областям 1 - 3 в главах 3 -
5. Во второй главе описана измерительная установка и свойства и технология получения исследованных образцов. В последней части работы - заключении -изложены выводы и основные результаты исследования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1). Впервые величина псевдощели в УВагСизСЬ-в и ВігЗггСагСизОю определена путём анализа зависимости сопротивления этих материалов от температуры. Впервые получена зависимость псевдощели от температуры.
2). Предложено простое физическое описание добавочной проводимости ВТСП материалов с пониженной концентрацией носителей в области псевдощелевого состояния. Предложена формула, описывающая температурную зависимость добавочной проводимости.
3). Показано, что сложный характер вольтамперных характеристик (ВАХ), измеренных на плёночных образцах УВа2Сиз07-5 в области сверхпроводящего перехода, отражает переход от трёхмерного к двумерному поведению системы носителей. ВАХ при небольших напряжениях и зависимость критического тока от температуры описываются теорией Йенсена -Минхагена для слоистых сверхпроводников с конечной связью между слоями (трёхмерное поведение), а при достаточно больших напряжениях ВАХ имеют степенной характер V ~ І11^ в соответствии с теорией Бере-зинского-Костерлица-Таулеса (БКТ) для двумерного случая.
4). Показано, что при понижении температуры добавочная проводимость, связанная с псевдощелевым состоянием, плавно переходит в флуктуаци-онную проводимость, описываемую теорией Асламазова - Ларкина.
Научная и практическая значимость работы.
1). В работе проведено комплексное исследование резистивного поведения эпитаксиальных ВТСП пленок в области сверхпроводящего перехода и в нормальном состоянии, которое позволило определить температурные интервалы существования и частичного перекрытия различных механизмов резистивности.
2). Установление связи между особенностями температурной зависимости сопротивления и псевдощелью и определение зависимости псевдощели от температуры для ВТСП материалов вносят важный вклад в понимание механизма высокотемпературной сверхпроводимости.
3). Результаты исследования резистивных свойств плёночных образцов YBCO при температуре ниже и немного выше критической, с одной сто роны, дают новую информацию о сложном характере сверхпроводящего перехода в ВТСП материалах, а с другой стороны, они играют существенную роль при определении перспективы применения этих материалов в криоэлектронике.
Положения, выносимые на зашиту:
1). Установлено, что добавочная проводимость, которая в ВТСП материалах с пониженной концентрацией носителей наблюдается в широком интервале температур Т > Тс, следует температурной зависимости с экспоненциальным сомножителем ехр (А /Т). Показано, что предложенная формула, описывающая добавочную проводимость и допускающая простую физическую интерпретацию, позволяет определить величину псевдощели и её температурную зависимость.
1«
9 2). Установлено, что выше температуры сверхпроводящего перехода флук-туационная проводимость в интервале ~ 10 К описывается теорией Асла-
мазова - Ларкина. В непосредственной окрестности перехода флуктуаци-
і онная проводимость имеет трехмерный характер, а при повышении тем-
пературы происходит переход в режим двумерной флуктуационной проводимости.
3). Установлено, что при температурах ниже критической и относительно
небольших напряжениях на образце зависимость V(I) описывается феноменологической теорией слоистых сверхпроводников с конечной связью между слоями Йенсена - Минхагена. Показано, что зависимость критического тока от температуры также описывается этой теорией. 4). Установлено, что при Т < Тс, начиная с некоторого тока, зависимости V(I) имеют степенную форму V ~ 1п, характерную для дисссипации, связанной с движением двумерных вихрей, образованных по механизму топологического фазового перехода Березинского - Костерлица - Таулеса.
Благодарности. Автор выражает благодарность своим коллегам, оказавшим существенную помощь в проведении исследований: Ю.А.Бойкову, П.Г.Симонову, А.В.Суворову, А.А.Яковенко, М.А.Шахову, М.О.Сафончику, Д.В.Шамшуру. Автор благодарен заведующему лабораторией Р.В.Парфеньеву за многолетнюю поддержку и терпение. Автор благодарен М.П.Волкову за руководство работой на заключительном этапе.
