Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Экспериментальная методика 14
1. Экспериментальная установка 14
2. Возбуждение и прием поверхностных акустических волн 17
3. Исследование нелинейных акустических процессов 20
4. Транспортные измерения 22
5. Изготовление слоистых структур пьезодиэлектрик сверхпроводник 24
ГЛАВА II. Поверхностные акустические волны в слоистой структуре rz-linb03 - металлическая пленка 28
1. Нелинейные акустические эффекты при распространении ПАВ на свободной поверхности ЫМзОз 35
2. Спектральные характеристики ПАВ в слоистой структуре LiNb03 - пленка РЬ 39
ГЛАВА III. Нелинейное акустоэлектронное взаимодействие в сверхпроводящих пленках свинца 46
1. Транспортные свойства пленок РЬ 59
2. Влияние поверхностных акустических волн на сверхпроводящее состояние пленок РЬ 61
ГЛАВА IV. Акустоэлектрический эффект в сверхпроводящих пленках 78
1. Транспортные свойства пленок УВа2Си307-д; 91
2. Акустоэлектрический эффект в монолитной слоистрй структуре 92
3. Акустоэлектрический эффект в слоистой структуре 96
4. Обсуждение экспериментальных результатов 98
5. Акустоэлектрический эффект в пленках 104
Заключение 107
Литература 110
- Возбуждение и прием поверхностных акустических волн
- Транспортные измерения
- Влияние поверхностных акустических волн на сверхпроводящее состояние пленок РЬ
- Акустоэлектрический эффект в монолитной слоистрй структуре
Введение к работе
Акустические и акустоэлектрические исследования являются эффективными методами изучения физических свойств твердых тел. Особый интерес вызывает распространение поверхностных акустических волн (ПАВ) и их взаимодействие с элементарными возбуждениями в пленках сверхпроводников. С одной стороны, эти исследования позволяют глубже понять природу физических процессов, происходящих в сверхпроводниках, а с другой - использовать полученную информацию для практических применений в быстроразви-вающихся областях науки и технике - акустике, акустоэлектронике, криоэлек-тронике.
Целью настоящей работы является экспериментальное изучение нелинейного акустоэлектронного взаимодействия интенсивных поверхностных акустических волн с носителями заряда в пленках сверхпроводников.
В качестве инструмента исследования акустоэлектронного взаимодействия были выбраны ПАВ рэлеевского типа, распространяющиеся в слоистой структуре пьезодиэлектрик LiNb03 - пленка сверхпроводника.
В качестве объекта исследований были выбраны пленки низкотемпературного сверхпроводника РЬ и высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu307-x для изучения особенностей воздействия ПАВ на материалы с различными сверхпроводящими свойствами.
РЬ обладает одной из самых высоких температур сверхпроводящего перехода среди простых металлов (Гс « 7.2 К). В поперечном магнитном поле тонкие пленки РЬ ведут себя как сверхпроводники II рода [1,2]. Отличительной особенностью свинца является аномально большая константа электрон-фононного взаимодействия (Яе.рі, « 1.5), что выделяет этот материал в класс сверхпроводников с сильной связью. Модель БКШ в ее оригинальном виде [3] оказывается неприменимой в этом случае и для описания сверхпроводящих свойств таких материалов используется модифицированная теория [4].
Новейшая история высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) берет свое начало с 1986 года, когда появилось сообщение о возможном наблюдении сверхпроводимости в соединении La-Ba-Cu-0 при температуре 35 К [5]. Следующим шагом в развитии ВТСП было обнаружение в 1987 году сверхпроводимости в соединении Y-Ba-Cu-О при температуре выше точки кипения жидкого азота [6]. В настоящее время семейство оксидных высокотемпературных сверхпроводников включает в себя соединения на основе висмута, таллия, ртути и др. Рекордная температура сверхпроводящего перехода достигает 164 К (для HgBa2Ca2Cii308+x под давлением).
На сегодняшний день наиболее хорошо изучены соединения типа УВагСизСЬ-х- Для х < 0.5 УВа2Сиз07-х имеет орторомбическую перовскитную . слоистую структуру с Тс между 92 и 40 К, что соответствует содержанию кислорода 0 < х < 0.5. При Т= 300 К элементарная ячейка УВа2Сііз07 имеет следующие параметры: а = 0.38227 нм, Ъ = 0.38872 нм, с = 1.16802 нм [7]. При х > 0.5 в УВагСіїзСЬ-х происходит фазовый переход из орторомбической в тетрагональную фазу, а при дальнейшем уменьшении содержания кислорода (х > 0.8) соединение теряет сверхпроводящие свойства.
УВа2Сиз07-х является сверхпроводником II рода с ярко выраженной анизотропией транспортных и магнитных свойств в сверхпроводящем состоянии. Критическое поле Нс2 при Т -> 0 обнаруживает сильную анизотропию вдоль оси с (НС2 ~ Юб Э) и в плоскости (ab) (ЯС2 ~ 105 Э) [8]. Оценки для длины когерентности , в рамках теории Гинзбурга - Ландау приводят к следующим значениям: аьФ) ~ 1-5 нм, 4с(0) » 0.3 нм. Из измерений глубины проникновения магнитного поля следует, что ЯаЬ(0) = 130 -ь 180 нм, а Яс(0) = 500 4- 800 нм, что дает величину анизотропии Лс(0)/ЯаЬ(0) ~ 5, близкую к анизотропии #C2h
Транспортные свойства в нормальном состоянии также проявляют анизотропное поведение. Температурная зависимость удельного сопротивления р в
6 YBa2Cu307.x, измеренная в плоскости {ab)} имеет металлический вид, а р{Т) вдоль оси с демонстрирует полупроводниковый характер [9].
Для изучения физических свойств сильно анизотропных ВТСП материалов необходимы монокристаллы или качественные эпитаксиальные или монокристаллические пленки. Химические и структурные особенности оксидных сверхпроводников не позволяют выращивать однородные и бездефектные монокристаллы с достаточно большими размерами. Поэтому особенное внимание привлекают пленки ВТСП материалов. Благодаря малой толщине и доступности поверхности пленки для внешних воздействий здесь, как показывает практика, легче достигается однородность и однофазность, легче регулируется содержание кислорода, а, следовательно, и сверхпроводящие свойства. При надлежащем выборе подложки, метода и условий нанесения пленок, оказывается возможным получать эпитаксиальные и даже монокристаллические пленки [10]. К тому же, критические значения плотности тока и магнитного поля в пленках могут быть очень высокими, что очень существенно с практической точки зрения. Ввиду большей воспроизводимости характеристик, пленки ВТСП удобны и для изучения механизма сверхпроводимости, относительно которого по-прежнему существуют противоречивые мнения.
В [11] показано, что с учетом сильной электрон-фононной связи и высокой температуры Дебая в оксидных сверхпроводниках (Яе.я/, ~ 2, во « 500 К) электрон-фононный механизм может, в принципе, объяснить явление высокотемпературной сверхпроводимости, по крайней мере, в отношении высоких значений Тс. Аргументом в пользу участия фононов в формировании сверхпроводящих свойств ВТСП материалов является и обнаружение ненулевого изотопического эффекта [12]. Однако величина Тс - это лишь одна из характеристик сверхпроводника и, сказанное не гарантирует, что в оксидных сверхпроводниках фононный механизм является основным механизмом сверхпроводящего спаривания. Кроме того, в рамках фононного механизма трудно объяснить обнаруженные экспериментально сильную анизотропию сверхпроводящего па-
раметра порядка (см., например, обзор [13] и цитируемую в нем литературу) и большие значения отношения 2А(0)//свГс = 5-7 (2А(0) - величина энергетической щели при Т= ОДв - постоянная Больцмана) [11]. Тем не менее, как подчеркивается в [14], "нельзя полностью игнорировать роль фононного механизма в оксидных сверхпроводниках, хотя этот механизм и не является единственным, определяющим все свойства этих материалов".
Акустические методы сыграли важную роль в исследованиях низкотемпературных сверхпроводников. Эксперименты по поглощению объемного звука в индии [15] и олове [16] послужили проверкой правильности теории БКШ, а результаты экспериментов дают возможность определить температурную и угловую зависимости сверхпроводящей щели [17]. На фоне большого числа экспериментальных работ, в которых изучалось влияние сверхпроводимости на распространение звука, обращает на себя внимание отсутствие исследований обратного процесса, то есть влияния звука на сверхпроводящее состояние. По-видимому, практическое отсутствие экспериментов в области нелинейной акустики сверхпроводников обусловлено экспериментальными трудностями. Непосредственное разрушение сверхпроводящих пар звуком требует очень высоких частот, а достичь порога нелинейности на низких частотах не удается из-за малой интенсивности объемной звуковой волны. В связи с этим, представляется перспективным использовать поверхностные акустические волны (ПАВ). Благодаря локализации энергии ПАВ в тонком (несколько десятков микрон) приповерхностном слое твердого тела интенсивность поверхностной акустической волны может на несколько порядков превосходить интенсивность объемных волн, что позволяет расширить возможности изучения нелинейных акустических и акустоэлектронных эффектов в сверхпроводниках.
В случае высокотемпературных сверхпроводников традиционные методы линейной акустики не принесли пока существенных достижений из-за отсутствия качественных монокристаллических образцов достаточно большого размера. Можно констатировать, что исследование электрон-фононного взаи-
модействия в ВТСП материалах требует привлечения новых независимых методик. Особенно перспективными представляется изучение акустоэлектрического эффекта - увлечения акустической волной носителей заряда. Из-за элек-трон-фононного взаимодействия это увлечение обусловлено передачей квазиимпульса акустической волны непосредственно системе носителей заряда. В принципе это дает возможность непосредственно изучать акустоэлектронную релаксацию.
Актуальность темы связана с возможностью изучения взаимодействия акустических волн с носителями заряда в ВТСП материалах с помощью акустоэлектрического эффекта. Исследования акустоэлектрического эффекта могут предоставить важную информацию о системе носителей заряда и характеристиках сверхпроводящего состояния, что является принципиально важным для определения механизма спаривания и создания микроскопической теории высокотемпературной сверхпроводимости.
Исследование влияния интенсивных ПАВ на сверхпроводящие материалы представляет интерес с точки зрения изучения нелинейных эффектов аку-стоэлектронного взаимодействия в сверхпроводниках и открывает новые возможности изучения особенностей сверхпроводящего состояния. В практическом плане такие эксперименты интересны как способ управления сверхпроводимостью.
Научная новизна диссертации состоит в том, что в работе реализован новый подход к акустическим исследованиям сверхпроводников, а именно, изучается влияние мощного звука на сверхпроводящее состояние. Использование интенсивных ПАВ, распространяющихся в слоистой структуре пьезодиэлек-трик - сверхпроводник, позволило впервые:
1. Исследовать влияние ПАВ на сверхпроводящее и смешанное состояния пленок РЬ и установить, что интенсивная звуковая волна: а) изменяет Тс и
температурную зависимость сверхпроводящего перехода; б) ПАВ вызывает де-пиннинг вихрей магнитного потока и уменьшает величину критического тока.
2. Провести всестороннее изучение акустоэлектрического эффекта в
пленках УВа2Сиз07-х для пьезополевого и деформационного механизмов взаи
модействия ПАВ с носителями заряда и показать, что: а) в сверхпроводящем
состоянии АЭ эффект обусловлен деформационным взаимодействием ПАВ с
вихрями магнитного потока; б) анализ температурной зависимости акустоэдс
при Т < Тс указывает на наличие электронных и дырочных участков на поверх
ности Ферми (ПФ) и сильную анизотропию сверхпроводящего параметра по
рядка в пленках УВагСизСЬ-х; в) большой деформационный вклад в АЭ эффект
свидетельствует в пользу сильного электрон-фононного взаимодействия в
.YBa2Cu307.x.
3. Провести температурные исследования нелинейных акустических эф
фектов, сопровождающих распространение интенсивных ПАВ на свободной и
металлизированной поверхностях LiNb03. Обнаружить аномально большой
эффект локализации энергии ПАВ в области проводящей пленки.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
Экспериментально продемонстрирована возможность модуляции сверхпроводящего параметра порядка ('Тс - волна") в пленке сверхпроводника при Т < Тс поверхностной акустической волной. Показано, что глубина модуляции определяется интенсивностью ПАВ и чувствительностью 7с сверхпроводника к давлению.
Экспериментальное обнаружение сильной анизотропии сверхпроводящего параметра порядка в пленках YBa2Cu307-x свидетельствует в пользу спаривания с/-типа в ВТСП материалах данного состава.
По результатам исследований акустоэлектрического эффекта сделаны количественные оценки топологических параметров поверхности Ферми и анизотропии сверхпроводящего параметра порядка в пленках YBa2Cu307.x.
Исследования упругой нелинейности в LiNbCb могут найти применение в нелинейных устройствах на ПАВ (генераторы акустических гармоник, кон-вольверы, корреляторы и др.) и быть использованы при разработке линейных устройств, таких как, линии задержки и фильтры на ПАВ.
Обнаруженный сильный эффект "затягивания" энергии акустической волны в область металлической пленки может найти применение в создании волноводов для ПАВ.
К защите представляются следующие основные результаты и выводы, полученные в диссертации:
1. Результаты исследования упругой нелинейности, состоящие в следую
щем:
а) интенсивная гармоническая ПАВ при распространении по свобод
ной поверхности ЫИЬОз трансформируется в поверхностную волну ударного
типа. Понижение температуры приводит к ослаблению нелинейных процессов;
б) определена температурная зависимость эффективного нелинейного
параметра LiNb03;
в) металлизация поверхности ІЛМЮз приводит к ослаблению разви
тия нелинейности в ПАВ и вызывает существенное (~ 50%) "затягивание"
энергии акустической волны в область пленки со свободной поверхности
звукопровода;
г) дисперсия фазовой скорости ПАВ, обусловленная металлизацией
поверхности LiNb03, имеет линейный характер.
2. Результаты исследования влияния интенсивных ПАВ на сверхпрово
дящие пленки РЬ, состоящие в следующем:
а) динамическое состояние сверхпроводящей пленки в поле интенсивной ПАВ определяется соотношением между частотой звуковой волны со и временем релаксации сверхпроводящего состояния rR\
б) при cotr » 1 (T ~ Тс) интенсивная ПАВ приводит к линейному по
интенсивности звука смещению сверхпроводящего перехода в область низких
температур. Магнитное поле усиливает эффект подавления сверхпроводимости
интенсивной ПАВ. Наблюдаемое явление обусловлено ослаблением сверхпро
водящего спаривания носителей заряда интенсивной звуковой волной;
в) при cotr «1 (Г < Тс) интенсивная ПАВ вызывает модуляцию
сверхпроводящего параметра порядка в пленке РЬ, но не приводит к возникно
вению областей с нормальным сопротивлением;
г) модуляция параметра порядка проявляется в усилении депиннинга
вихрей магнитного потока, что подтверждается нелинейной зависимостью со
противления пленки от интенсивности ПАВ и уменьшением критического тока
депиннинга под действием ПАВ;
д) в рамках модели термоактивированного крипа определена зависи
мость энергии активации вихрей в пленках РЬ от интенсивности ПАВ и пока
зано, что энергия активации уменьшается с ростом интенсивности звука, при
чем зависимость имеет нелинейный характер;
3. Результаты исследований акустоэлектрического эффекта в пленках высокотемпературного сверхпроводника УВа2Сиз07.х, состоящие в следующем:
а) впервые обнаружено аномальное поведение акустоэдс в области
сверхпроводящего перехода пленок YBa2Cu307-x;
б) показано, что. в сверхпроводящем состоянии акустоэлектрический
эффект обусловлен деформационным механизмом взаимодействия ПАВ с вих
рями магнитного потока;
в) анализ температурной зависимости акустоэдс при Т <ТС указывает
на наличие электронных и дырочных участков на поверхности Ферми и силь
ную анизотропию сверхпроводящего параметра порядка;
г) сделаны теоретические оценки анизотропии сверхпроводящей ще
ли и вкладов электронных и дырочных участков ПФ в акустоэлектрический
эффект;
д) проведено разделение вкладов пьезополевого и деформационного
механизмов акустоэлектрического эффекта и показано, что большой вклад де
формационного механизма свидетельствует в пользу сильного электрон-
фононного взаимодействия в пленках УВа2Сиз07-х-
Диссертация имеет следующую структуру. Она состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Литературный обзор не выделен в отдельную главу, а состоит из трех частей, каждая из которых, включена в соответствующую по тематике главу диссертации.
Первая глава посвящена технике эксперимента. В ней описаны экспериментальная установка, методики акустических, акустооптических, акустоэлек-трических и транспортных измерений. Рассматриваются технологические методы приготовления исследуемых слоистых структур.
Введении второй главы содержит краткое рассмотрение свойств ПАВ в изотропных, анизотропных и пьезодиэлектрических твердых телах. Дается обзор исследований нелинейных акустических эффектов, сопровождающих распространение интенсивных ПАВ на свободной поверхности LiNb03. Рассматривается роль металлизации поверхности ЬіїЧЮз в развитии упругой нелинейности.
В основной части второй главы представлены исследования нелинейных процессов при распространение интенсивных ПАВ на свободной поверхности LiNb03 в интервале температур 300 - 4.2 К и изучено влияние пленок РЬ на спектральный состав поверхностных акустических волн. Результаты третьей главы составляют первое (пункты а) - г)) защищаемое положение.
Введение к третьей главе содержит изложение основных механизмов электронного затухания акустических волн в металлах и слоистых структурах пьезодиэлектрик - сверхпроводник. Проводится обзор работ по влиянию
сверхпроводимости на распространение звука. Отдельно рассматриваются исследования обратного процесса - влияния звука на сверхпроводящее состояние.
В основной части третьей главы представлены результаты исследования влияния ПАВ на сверхпроводящее и смешанное состояние тонких пленок РЬ, из которых следует второе (пункты а) - д)) защищаемое положение.
Во введении к четвертой главе изложены физические основы акустоэлек-трического эффекта и приводятся результаты исследований акустоэлектриче-ского эффекта в слоистых структурах различного типа. Дается обзор современного состояния акустических исследований высокотемпературных сверхпроводников.
В основной части четвертой главы представлены результаты исследова-. ния акустоэлектрического эффекта в пленках YBd.2Cu2,0-j.x для пьезополевого и деформационного механизмов взаимодействия ПАВ с носителями заряда. Результаты исследований составляют третье (пункты а) - д)) защищаемое положение.
В заключение сформулированы основные результаты и выводы работы.
Материалы диссертации опубликованы в работах [18-24] и представлены на Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах (Новосибирск, 1986; С.-Петербург, 1998), Всесоюзных конференциях по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Черновцы, 1986; Кишинев, 1989; Ленинград, 1991; Сыктывкар, 1994), 12-ой Всесоюзной научной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987), Международном симпозиуме по акустоэлектронике (Москва, 1996; С.-Петербург, 1998), VIII-ой сессии российского акустического общества (Н. Новгород, 1998). Получено два авторских свидетельства [25,26].
Возбуждение и прием поверхностных акустических волн
В настоящее время наиболее распространенным устройством для возбуждения и приема ПАВ в пьезодиэлектрических подложках является встречно-штыревой преобразователь [27]. Привлекательность ВШП обусловлена низкими потерями на преобразование (минимальные потери обусловлены двуна-правленностью излучения и составляют 3 дБ), широким частотным диапазоном (10 Мгц - 1.5 ГГц) и возможностью применять для их изготовления хорошо развитые методы планарной технологии. В качестве подложки используются монокристаллы сильного пьезодиэлектрика ЬПЧЬОз YZ- среза (ось Z - направ ление распространения акустической волны, ось Y - перпендикулярна плоскости подложки). Схематически ВШП представляет собой двухфазную систему гребенчатых металлических электродов с пространственным периодом L, нанесенных на поверхность пьезодиэлектрика (Рис.1.2). Локальное упругое возмущение среды, возникающее вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта при приложении к электродам электромагнитного поля частотой/ эффективно возбуждает ПАВ на той же частоте (частоте синхронизма), если пространственный период L равен длине ПАВ Я (Я = КПАВ//5 где ГПАВ - скорость волны). Акустическая волна распространяется по поверхности подложки и преобразуется в выходной электрический сигнал вторым преобразователем. Отклонение от усло-вия синхронизма L = Я ведет к резкому уменьшению эффективности преобразования и, следовательно, к увеличению вносимых потерь. Резонансный характер преобразования проиллюстрирован на Рис.1.3, где изображена измеренная амплитудно-частотная характеристика линии задержки, состоящей из двух ВШП, нанесенных на 7Z-LiNb03. Каждый преобразователь состоит из 5 пар электродов, ширина которых, как и зазор между ними, равны 10 мкм; резо нансная частота преобразователей - 87 МГц. Потери в линии задержки на двойное преобразование определялись по формуле: ПП = 201g(t/BX//BbIX), где вх, 4ых - напряжение на входном и выходном ВШП, соответственно. Для сравнения на рисунке показана теоретическая АЧХ, рассчитанная согласно [28] для ВШП с такими же параметрами.
Различие между экспериментальной и теоретической характеристиками может быть отнесено на счет омических потерь, возникающих в электродах реальных преобразователей. В данной работе использовались звукопроводы из yZ-LiNbC с двумя встречно-штыревыми преобразователями, расположенными на поверхности пьезодиэлектрика. Расстояние между ВШП составляло 2.6 см, что обеспечивало хорошее разрешение во времени входного и выходного радиоимпульсов ( ПАВ= 3488 м/с при Г= 300 К [29]). ПАВ возбуждались в импульсном режиме на резонансной частоте ВШП/= 87 MHz (апертура ВШП - 3 мм, длина волны Я = 40 мкм, волновой вектор q I = 2я/Я = 1.6-103 см"1). Длительность импульсов ПАВ составляла 0.2 7 мкс, частота повторения - 50 Гц. Интенсивность ПАВ не зависела от длительности импульса звука и могла регулироваться от нуля до максимального значения ( 10 Вт/см2) ступенчатым аттенюатором с шагом в 1 дБ. Потери в ВШП на одно преобразование электромагнитной энергии в акустическую не превышали 6 - 7 дБ (точность измерений потерь на преобразование составляла ± 1дБ.). Высокая эффективность преобразования достигалась электрическим согласованием преобразователей с передающим и приемным устройствами, компенсацией межэлектродных емкостей преобразователей последовательно подключенными индуктивностями и минимизацией дифракционных потерь благодаря точной ориентации ВШП по отношению к кристаллографическим осям LiNbC 3.
В силу ряда технологических причин, в экспериментах по исследованию акустоэлектронного взаимодействия в пленках ВТСП использовалась "мостиковая" схема возбуждения и приема акустических волн, схематически изображенная на Рис.1.4. Поверхностная акустическая волна, распространяющаяся по поверхности подложки "опоры", через область акустического контакта возбуждает волну в подложке "мостике" за счет электрических полей, со- провождающих распространения ПАВ в пьезодиэлектрике [30]. Такая схема исключает необходимость изготовления ВШП на подложке с исследуемой пленкой. Как показали наши измерения, в этом случае дополнительные потери акустической энергии на один переход не превышают 3 - 5 дБ на частоте 87 МГц.
Транспортные измерения
Электрическое сопротивление пленок измерялось стандартным 4-х зон-довым методом со стабилизированным постоянным (/ /с) или импульсным (Ірі) транспортным током. Постоянный ток через пленку (10 - 100 мкА) задавался аккумуляторной батареей или стабилизированным источником питания. Для работы с импульсным током использовался генератор видеоимпульсов. Длительность импульсов тока w 2 мкс, а частота повторения - 50 Гц. Напряжение на пленке, пропорциональное ее сопротивлению, измерялось либо цифровым вольтметром в режиме постоянного тока, либо импульс напряжения принимался импульсным усилителем (полоса пропускания - 2 МГц, чувствительность - 4 мкВ, коэффициент усиления - 103) и регистрировался двухканальным осциллографом С1-79. В процессе измерений амплитуда импульса напряжения на входе усилителя поддерживалась постоянной с помощью ступенчатого аттенюатора. Для защиты усилителя от перегрузок ВЧ-наводками с входного и выходного ВШП использовался LC фильтр-пробка на 80 - 100 МГц с коэффициентом ослабления 103. Кроме этого, для ослабления влияния паразитных ВЧ-наводок были приняты меры по тщательному экранированию держателя образца и коаксиальных кабелей, а экраны всех проводов заземлялись в одной точке на корпусе криостата. Исследования акустоэлектрического эффекта в пленках УВагСизС -х проводились в режиме "разомкнутого образца". Регистрировался импульс аку-стоэдс, возникающий на пленке под действием акустической волны. Длительность импульса ПАВ выбиралась равной времени прохождения звука через всю пленку («3.5 мкс) для получения максимального отклика. При измерениях использовалось приемное устройство аналогичное, рассмотренному выше. Исследования акустоэлектрического эффекта поводились без транспортного тока через пленку. Особое внимание при подготовке и в процессе измерений обращалось на надежность и воспроизводимость полученных результатов. Для этого: а) измерялись вольт-амперные характеристик образцов для проверки омичности электрических контактов к пленке; б) измерения проводились в импульсном режиме, что позволяло разрешать во времени все принимаемые сигналы; электрический сигнал на образце возникал в момент прихода импульса звука на пленку с задержкой превышающем длительность импульса ПАВ; пространственное расположение импульса ПАВ по отношению к импульсу напряжения дополнительно контролировалось с помощью подвижного электростатического зонда; в экспериментах по влиянию ПАВ на сверхпроводящее состояние пленок свинца использовалась методика двух импульсов тока, один из которых подавался на пленку в момент прихода импульса звук, а временное положение второго импульса могло изменяться в зависимости от поставленной задачи; в) импульс напряжения на пленке наблюдался только в пределах полосы частот возбуждающего ВШП.
В целом, при разработке методики измерений главное внимание уделялось достижению предельно возможных интенсивностей ПАВ, высокой чувствительности измерительной аппаратуры и устранению паразитных эффектов. Изготовление звукопровода. Для возбуждения поверхностных волн в работе использовались подложки сильного пьезодиэлектрика ЫМЬОз У7-среза. Процесс изготовления звукопровода состоит из следующих этапов. Були монокристалла ниобата лития юстировались относительно кристаллографических осей с помощью рентгеноструктурного анализа с точностью около Г. Затем, .алмазным диском из були вырезались заготовки в форме прямоугольных брусков размером (3.2x1.0x0.15) см3. После резки подложки последовательно шлифовались на стекле с помощью алмазных порошков с зерном диаметром 14-10 мкм, 7-5 мкм, 5-3 мкм. Затем проводилась окончательная полировка зву-конесущей поверхности на смоле с использованием алмазных порошков с зерном диаметром 0.5 и 0.3 мкм. Основные требования, предъявляемые к готовым подложкам: плоскопараллельность - не хуже 0.1 мкм; плоскостность звуконе-сущей поверхности - не хуже 5"; чистота поверхности - 14 класс точности (допускается наличие царапин или раковин около 0.1 мкм). После механической обработки подложки проходили процедуру химической очистки поверхности от загрязнений, включающую: 1) обезжиривание спиртом; 2) кипячение в растворе H2O2-NH4OH (6:1); 3) кипячение в растворе Н202-НС1 (6:1); 4) промывание в дистиллированной воде. Изготовление встречно-штыревых преобразователей. ВШП формировались на звуконесущей поверхности ниобата лития из пленок алюминия методом оптической фотолитографии и химического травления. Для улучшения адгезии ("сцепления") пленок алюминия с ниобатом лития пыление алюминия осуществлялось в установке ионно-плазменного распы
Влияние поверхностных акустических волн на сверхпроводящее состояние пленок РЬ
Экспериментальная методика Поверхностные акустические волны на частоте/= 87 МГц возбуждались в импульсном режиме с помощью ВШП. Интенсивность ПАВ регулировалась от нуля до 104 Вт/см2. Пленка РЬ (толщина d = 60 - 150 нм) в виде меандра или полоски наносилась между двумя ВШП (Рис.1.7). Во всех случаях ширина пленки была меньше апертуры ВШП W. Транспортные измерения проводились с использованием двух импульсов тока, один из которых совпадал во времени с приходом импульса ПАВ на пленку РЬ, а второй импульс тока пропускался через пленку до или после импульса звука, в зависимости от экспериментальной задачи. Использование методики двух импульсов тока повышает точность и надежность измерений и позволяет в процессе эксперимента одновременно контролировать: а) характеристики невозмущенного звуком сверхпроводящего перехода; б) процесс разрушения сверхпроводимости под действием ПАВ; в) динамику тепловых процессов в слоистой структуре РЬ-ЫМЮз. Экспериментальные результаты и их обсуждение На Рис.Ш.З приведены результаты измерений температурной зависимости R(T)/R„ пленок РЬ в области сверхпроводящего перехода при разных уровнях мощности акустического воздействия Рас в нулевом магнитном поле и для поперечного магнитного поля Н± = 524 Э (кривые для других значений напряженности магнитного поля не приводятся, чтобы не загромождать рисунок). Из рисунка видно, что воздействие интенсивной ПАВ на пленку приводит к смещению сверхпроводящего перехода в сторону низких температур, его уширению и существенному увеличению "хвоста" сопротивлений.
При этом смещение кривых на уровнях R(T)/Rn = 0.9 - 0.3 линейно зависит от Рас, а в об ласти "хвоста" сопротивлений, определяемого чувствительностью измерительной аппаратуры ( 0.1 Ом), эта зависимость существенно нелинейна (Рис.Ш.4). Переходя к обсуждению полученных результатов, прежде всего, следует отметить, что наблюдаемое влияние ПАВ на сверхпроводящий переход не сводится к тепловому (болометрическому) эффекту, связанному с диссипацией акустической энергии. В этом случае эффект наблюдался бы только в пределах ширины сверхпроводящего перехода. В нашем же случае отклик смещен в сторону низких температур и имеет выраженный асимметричный характер. Нагрев пленки AT, учитывающий возможные механизмы диссипации акустической энергии в слоистой структуре Pb-LiNb03 (электронное и решеточное затухание, термоупругий эффект, дислокационное трение), был непо средственно определен по величине изменения сопротивления пленки свинца МрЬ в нормальном состоянии при Т « 7.5 К в момент прохождения через нее импульса ПАВ максимальной мощности: AT = ARn(dT/dR)Txl5K, где (dT/dR)T 15K 5-Ю"2 К/Ом. Величина нагрева даже для максимальной акустической мощности не превышала 10 мК (АЯРь 0.2 Ом), что меньше наблюдаемого смещения кривых R(T)/R„. Сравнительно небольшая величина разогрева пленки при большой интенсивности ПАВ обусловлена, во-первых, слабым поглощением звука в ЫЫЬОз и тонкой пленке РЬ и, во-вторых, тем, что, как показали наши измерения, время прихода тепла к пленке от ВШП и поглотителей акустической энергии равно 60 - 80 мкс, что гораздо больше и длительности импульса ПАВ 1.5-2 мкс, и времени распространения импульса звука от вход- ного ВШП до пленки свинца ( 3 мкс). При этом за время между двумя импульсами ПАВ (20 мс) тепло успевало полностью диссипировать (Рис.Ш.5).
Таким образом, ни качественно, ни количественно изменение сверхпроводящего перехода в поле акустической волны не может быть объяснено в рамках теплового воздействия. Мы предполагаем, что влияние звука на сверхпроводящий переход обусловлено созданием механическими деформациями акустической волны в пленке свинца локальных периодических неоднородностей с различной Тс С учетом нелинейного характера ПАВ и эффекта "затягивания" акустической энергии в область пленки, при мощности Рас 10 Вт амплитудное значение продольной компоненты деформации szz = quz « (3 - 4)-10- (ІЇ.1). Согласно данным по гидростатическому сжатию свинца dlnTc/dlnVs = 2.57 (Vs - объем образца) [96], при указанной величине деформации Б22 амплитуда изменения Тс составляет величину порядка 0.1 К. Это оценка по максимуму, поскольку в эксперименте мы имеем дело не с гидростатической, а с динамической деформацией. Однако такая интерпретация требует существенного уточнения. Дело в том, что температурное поведение рассматриваемой системы определяется соотношением между частотой звуковой волны со и временем релаксации сверхпроводящего состояния TR. При этом необходимо учитывать, что вблизи Тс, согласно теории динамических критических явлений (см., например, [98]), флуктуации параметра порядка имеют большие времена релаксации: где t = Т/Тс, Ш - характерный масштаб времен релаксации, а показатель степени - динамический критический индекс ZQ 2. В результате в непосредственной близости от сверхпроводящего перехо-да corR » 1 и в сверхпроводящей системе не успевает устанавливаться пространственно-временная модуляция, навязываемая звуковой волной. Воздействие звуковой волны усредняется по времени, что приводит просто к перенормировке температуры сверхпроводящего перехода пленки. Линейный по ам
Акустоэлектрический эффект в монолитной слоистрй структуре
Температурная зависимость удельного сопротивления р пленки УВа2Сиз07-х (YBCO), напыленной на FZ-срез LiNbCb, показана на Рис.IV. 1,а. При Т = 300 К р = 0.57 мОм-см. С понижением температуры р монотонно уменьшается вплоть до области сверхпроводящего перехода. При Т = 170 - 220 К наблюдается изменение наклона линейной зависимости р(Т), отмеченное ранее в монокристаллах УВа2Сиз07.х [160] и отнесенное авторами на счет возможного фазового перехода. В нулевом магнитном поле сверхпроводящий переход происходит при Tc 5R" = 94 К с шириной перехода АТсл 9)Л"« 4 К. Поперечное магнитное поле Н= 1 кЭ понижает 7с до 91.3 К и растягивает переход (ДГС 11 К). На Рис.ГУ.1,б показана зависимость р{Т) пленки УВагСизСЬ-х, напыленной на срез (001) монокристалла MgO. Пленка имеет следующие параметры: р Величина критического тока при Т= 77 К для пленок на разных подложках изменялась от 104 до 105 А/см2. Экспериментальная методика Исследование АЭ эффекта в монолитной структуре проводились на .пленках YBCO, выращенных на ZZ-срезе ЫЫЬОз. Длина пленок составляла 11 мм, ширина - 2 мм, а толщина - 140 - 400 нм. Геометрия образца показанамкм, волновой вектор q = 1.6-Ю3 см 1) с максимальной интенсивностью Ф = 2 -3 кВт/см" (Рас = 2-3 Вт) возбуждалась в импульсном режиме с помощью ВШП. Во всех случаях апертура ВШП была больше ширины пленки. Исследования АЭ эффекта проводились в режиме "разомкнутый образец", т.е. регистрировался импульс напряжения (акустоэдс), возникающий на пленке под действием ПАВ. Транспортный ток через пленку YBCO отсутствовал. Измерения при Т= 300 К показали, что при включении ПАВ на контактах образца, с задержкой на время распространения звука от ВШП до пленки, возникает импульс акустоэдс VAE « 50 - 200 мкВ (в зависимости от пленки) (кривая 1 на PHC.IV.2). Знак импульса акустоэдс соответствовал проводимости дырочного типа, что согласуется с результатами исследований эффекта
Холла в образцах аналогичного состава [161]. Для подтверждения акустоэлектрической природы наблюдаемого эффекта были проведены исследования зависимости знака акустоэдс от направления волнового вектора ПАВ. Мы обнаружили, что при изменении направления распространения звука на противоположное полярность импульса VAE меняется на обратную (кривая 2 на PHC.IV.2), т.е. эффект является нечетным по волновому вектору q, как это и должно быть в случае классического АЭ эффекта [124]. Кроме этого, в работе были подробно исследованы зависимости величины акустоэдс от мощности и длительности т импульса ПАВ в температурном интервале 77 - 300 К. Типичные результаты, полученные при Т= 300 К, представлены на PHC.IV.3. ЭТИ измерения демонстрируют линейную зависимость УАЕ от Рас. Зависимость VAE{T) также имеет линейный характер до тех пор, пока пространственная протяженность импульса ПАВ не становится примерно равной длине пленки. При дальнейшем увеличении т наблюдается насыщение зависимости VAE(T). Такая зависимость VAE от Рас и г также полностью соответствует тому, что следует ожидать в случае импульсного АЭ эффекта. Результаты измерений температурной зависимости акустоэдс показаны на Рис.ГУА Как видно из рисунка, зависимость VAE{T) (кривая 1) имеет размытый максимум, коррелирующий по температуре с изменением наклона в температурной зависимости удельного сопротивления. В области сверхпроводящего перехода (Г « 95 К) происходит резкое уменьшение величины акустоэдс до нуля, а затем обращение полярности импульса VAE и его нарастание по абсолютной величине до максимума при Т » 90 К с последующим спадом до нуля (Т = 78 - 81 К). Следует отметить хорошую воспроизводимость результатов и отсутствие заметного гистерезиса (скорость изменения температуры « 0.3 К/мин). В процессе измерений амплитуда импульса ПАВ на выходном ВШП была постоянной с точностью ± 1 дБ во всем исследованном интервале температур. Кривая 2 на PHC.IV.4 показывает, как изменяется зависимость VAE(T) в магнитном поле Н± = 1 кЭ. В поведении акустоэдс можно выделить две области. В нормальном состоянии магнитное поле не влияет ни на температурную зависимость, ни на величину VAE. При Т Тс включение поля приводит к уменьшению амплитуды акустоэдс приблизительно в два раза, а температурная область существования АЭ эффекта значительно растягивается - акустоэдс наблюдается при температурах ниже Тс на 30 К.
