Теоретическое исследование влияния пространственных неоднородностей на транспортные и шумовые свойства высокотемпературных сверхпроводников Шанцев, Даниил Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году [1] отметило собой беспрецедентный взрыв интереса к сверхпроводящим материалам, который продолжается уже около десяти лет. Одним из самых важных с практический точки зрения явилось то обстоятельство, что у многих новых сверхпроводящих материалов критическая температура оказалась выше температуры кипения азота 71 К.

Естественно, что после открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) встал вопрос о том, насколько хорошо новые материалы могут быть описаны теориями, развитыми для низкотемпературных сверхпроводникоз. Оказалось, что простое перенесение известных теоретических представлений на ВТСП соединения невозможно. Сильное количественное отличие таких сверхпроводящих параметров как критическая температура Т_с и длина когерентности , а также резкая анизотропия ВТСП привели к качественно иному поведению ВТСП-соединений в разумных диапазонах изменения внешних параметров - температуры, магнитного поля, электрического тока. Это, в свою очередь, потребовало развития новых теоретических представлений.

Для выбора темы настоящей диссертации наиболее важными явились следующие два обстоятельства, которые определили многие отличительные явления в ВТСП. Это, во-первых, аномально малая длина когерентности, а во-вгорых,сложное кристаллическое строение ВТСП и, как следствие, большое количество разнообразных структурных дефектов. Длина когерентностиf задает масштаб, на которо. может существенно изменяться сверхпроводящий параметр порядка. Малая порядка нескольких ангстрем говорит о том, что сверхпроводящие свойства ВТСП очень чувствительны к структурным и стехиометрическим пространственным неоднород-ностям даже на малых (атомных) масштабах. С другой стороны, сложная кристаллическая структура ВТСП соединений приводит к тому, что практически невозможно вырастить бездефектный материал. Даже в качественных монокристаялических образцах обычно присутствуют двойниковые границы, разделяющие участки сверхпроводника, в которых кристаллические оси а и Ь поменялись местами. В тонкопленочных же образцах, представляющих практи-

-4-ческий интерес в области изготовления приборов СВЧ электроники, сверхбыстродействующих БИС, приемников ИК излучения, СКВИД-магнетометров, всегда существуют малоугловые границы между зернами, дислокации, включения другой фазы и, кроме того, значительные вариации стехиометрического состава. Эти и другие дефекты являются источником пространственной неоднородности таких параметров сверхпроьодника как критическая температура и критическая плотность тока.

Таким образом, малая длина когерентности и сложность кристаллической структуры ВТСП обуславливают большое влияние пространственных неоднородностей на их сверхпроводящие свойства, что, наряду с большой практической ценностью ВТСП материалов, доказывает актуальность выбранной темы диссертации.

Нужно также отметить, что на практике очень трудно получить пространственное распределение клкпевых параметров, в частности, величины Т_с по объему сверхпроводника. Даже наиболее перспективная для локальных исследований ВТСП методика,- низкотемпературная растровая електронная микроскопия - до сих пор позволяла получать лишь качественную информацию. Вместе с тем, только количественные локальные исследования могут явиться прямым доказательством наличия Т_с-неодпородности и дать инфор- . мацию об особенностях Пространственного распределения критической температуры..

Цели настоящей работы:

1. Теоретическое исследование влияния пространственной Т_с-
неодноро дности на транспортные и шумов-іе свойства ВТСП
й окрестности сверхпроводящего перехода. : ,

? Теоретическое исследование влияния пространственной неоднородности критической плотности тока на транспортные и шумовые свойства ВТСП при температурах ниже Т_с. ''

3. Разработка теоретического базиса и программной реализации метода получений количественных данных о пространственном распределении критической температуры в пленках ВТСП на основе низкотемпературой растровой электронной микроскопии (НТРЭМ).

4. Использование пространственных распределений Т_с на реальных образцах, полученных на основе методики, разработанной в пункте 3 для проверки теоретических выводов пункта 1.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые исследовано влияние їе-неоднородности на транспортные свойства сверхпроводников в критической области температур (Т и Т_с).

2. Впервые исследовано влияние Т_с-неоднородности на шумовые свойства сверхпроводников.

3. Впервые вопрос о шумовых свойствах нелинейных неоднородных сред исследуется в приложении к ВТСП материалам и с использованием приближения эффективной среды.

4. Впервые разработан алгоритм получения пространственных
распределений критической температуры в сверхпроводниках

на основе данных НТРЭМ.

5. Впервые проводится анализ экспериментальных зависимостей
сопротивления и его низкочастотного шума от температуры на
основе пространственных распределений Т_с.

Основные положения, выносимые на защиту:

4. В окрестности сверхпроводящего перехода существует диапазон значений магнитного поля Л и температуры Т, в котором наличие пространственно неоднородного распределения критической температуры Т_с существенно влияет на величину сопротивления, причем это влияние усиливается при приближении температуры, к среднему значению Т_С(Н) и уменьшается при увеличении магнитного поля.

5. В сверхпроводниках с пространственно неоднородным распределением критической температуры обмен теплом между различными областями внутри сверхпроводника приводит к флук-туациям полного сопротивления. Благодаря этому на высоких частотах спектральная плотность шума сопротивления R, связанного с флуктуациями температуры Т, в неоднородном сверхпроводнике больше, чем п однородном с такой же зависимостью

/2(7') па фактор порядка отношения размера образца к корреляционной длине неоднородности, а интервал частот, в котором спектр шума близок к 1// закону, значительно шире. Полученные выводы применимы и к другим материалам, в которых величина производной удельного сопротивления по температуре является пространственно неоднородной.

3. Для Т_с-неоднородного сверхпроводника, находящегося вблизи сверхпроводящего перехода, температурная зависимость шума сопротивления, связанного-с флуктуациями локальных значений критической температуры, определяется видом функции распределения его фрагментов по Т_с. При температуре Т основной вклад в флуктуации сопротивления вносят те фрагменты сверхпроводника, критическая температура которых попадает в узкий интервал около Т, причем ширина этого интервала возрастает с увеличением концентрации источников шума и силы их воздействия на Т_с.

4. В нелинейной неоднородной среде, состоящей из элементов, сопротивление которых резко падает, когда значение локального тока становится меньше некоторого критического тока І_с, а значения 1_С случайно распределены по объему, устанавливается такое распределение локальных токов, которое приводит к аномально высокому шуму напряжения, связанному с флуктуациями локальных 1_С. Такое поведение наблюдается в ограниченном интервале значений суммарного протекающего тока. Данная модель применима для описания свойств ВТСП материалов при температурах ниже критической.

5. Разработанный метод определения локальных значений критической температуры позволяет:

{а.) получать пространственные распределения критической температуры с разрешением 2 мкм и точностью 0.2 К;

(б) визуализировать пространственное распределение сверх
проводящей и нормальной фазы при заданной температуре;

(в) получать пространственное распределение плотности тока
при заданной температуре в окрестности сверхпроводящего пе
рехода.

-7-Практическая ценность. Разработанная методика определения пространственных, распределений Т_с может быть использована при оптимизации технологических процессов получения приборных структур криогенной электроники. Полученные теоретические результаты по амплитуде, температурной зависимости и спектру термодинамического шума напряжения и шума, связанного с флуктуа-циями локальной Т_с, для Г_с-неоднородкых сверхпроводников могут быть использованы для определения механизма шума напряжения в области перехода, которая является рабочей областью для приемников ИК излучения и других приборов. Зная факторы, определяющие уровень шума, который ограничивает чувствительность приборов, и его теоретические оценки, можно оптимизировать технологический процесс, добиваясь получения малошумящих приборов. Нужно также отметить, что свойства макроскопических сверхпроводящих образцов в условиях сильной неоднородности могут определяться лишь микроскопическим участком, на котором сконцентрирована большая плотность тока. Результаты настоящей работы могут помочь выявить такие ситуации, если они возникли на практике.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе, на Российской конференции XXX Совещание по физике низких температур, (Дубна, Россия, 1994), а также на 11-ти международных научных конференциях: VI Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on HTSC (Dubna, Russia, 1993), 7th Vilnius Conference on Fluctuation Phenomena in Physical Systems, (Vilnius, Lithuania, October 1994), VII Trilateral Geiman-Russian-Ukrainian Seminar on HTSC (Munich, Germany, September 1994), Scanning Microscopy Annual Meeting, (Houston, USA, May 8-12, 1995), IX Russian Symposium on Scanning Electron Microscopy and Analytical Methods of Solids Investigations, (May, 22-24, 1995, Chernogolovka, Russia), 13th International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations, ICNF'95 (Palanga, Lithuania, May 29 - June 3, 1995), VIII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on HTSC, (Lviv, Ukriina, September 1995), 13th European Conference for PhD students, Physique en Herbe, (July, 1-5 199G, Bordeaux, France), The 1st International Conference on Unsolved Problems 'of Noise (September, 3-7, 199G, Szeged, Hungary), 14th International

-8- ,

Conference on Noise in Physical Systems aud 1/f Fluctuations, ICNF'97 (Lcuven, Belgium, July, 1997), X Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on HTSC, (N.Novgorod, Russia, September 1997),

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 17 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Список литературы содержит 121 наименование. Объем диссертации составляет 121 страницу, в том числе 21 рисунок.'