Введение к работе
. Актуальность темы.
Вопрос о сверхпроводимости в неупорядоченных системах относится к числу фундаментальных проблем физики и до сих пор не имеет законченного решения [1,2]. Наиболее интересным является случай двумерных (2d) систем, в которых электронные состояния локализованы при сколь-угодно слабом беспорядке и в отсутствие сверхпроводимости основное состояние при Т = О является непроводящим (изолятором) [3].
Для получения неупорядоченных (аморфных) пленок применяются конденсация металлов на холодную подложку [4], а также ионное распыление [5]. В настоящее время принято разделять металлические пленки на два класса. Пленки с беспорядком на атомном масштабе считаются однородными. Если не предпринимать специальных мер, то пленки обычно неоднородны на масштабах длин порядка 50А. Такие пленки считаются гранулированными. Сверхпроводимость проявляется в однородных и гранулированных системах совершенно различным способом. Считается, что в гранулированных пленках подавление сверхпроводимости связано с усилением флуктуации фазы сверхпроводящего параметра порядка. В однородных пленках подавление сверхпроводимости принято связывать с усилением кулоновского взаимодействия электронов при рассеянии на примесях [3]. В этом случае подавляется амплитуда параметра порядка и задача является локальной. Однако, в теоретическом описании сверхпроводимости в однородно неупорядоченных системах единой точки зрения до сих пор нет и имеются взаимоисключающие результаты [I, 2], одинаково хорошо описывающие эксперименты.
За последние 50 лет накоплен огромный экспериментальный материал о свойствах металлических пленок, однако имеются проблемы, затрудняющие получение однозначной и ясной физической картины.
Во-первых, только недавно стало ясно, что морфология пленок очень важна для сверхпроводящих свойств. Реальные системы находятся, обычно, в промежутке между двумя идеализированными случаями и в экспериментах, как правило, не предпринимается никаких попыток определить насколько "однороден" тот или иной образец. Несовпадение результатов для одних и тех же систем может свидетельствовать о разной степени однородности объектов исследования, что затрудняет правильную интерпретацию.
Во-вторых, полное подавление сверхпроводимости в тонких однородных пленках происходит при сопротивлении "на квадрат" iZD« 104Ом, т.е. за пределами применимости классических методов слабой локализации [3]. Свойства 2d систем в данной области беспорядка очень слабо изучены как экспериментально так и теоретически.
В-третьих, систематическое изучение тонких пленок показывает,
что критическая температура сверхпроводимости Тс уменьшается с
толщиной пленок d (обычно, 6ТС l/d [4, б]). Этот факт ис
пользуется, часто успешно, для объяснения подавления Тс тонких
пленок поверхностными эффектами, различными пароразрушающи-
ми механизмами на поверхности подложки (пленки) и (или) эф
фектом близости [7]. Ставится под сомнение роль беспорядка в
сверхпроводимости неупорядоченных систем. Таким представлениям
способствует то, что для получения однородных пленок используются
технологии, при которых условия на поверхности пленки не идеаль
ны: практически всегда применяются аморфные полупроводники в
качестве компонентов сплавов [5] или в качестве покрытий подложек
[4, 6]. Роль таких покрытий в проводимости и сверхпроводимости
ультратонких пленок до сих пор плохо изучена.
В данной работе предлагается принципиальное решение вопроса о механизмах, определяющих Тс тонких однородных пленок. Вначале приводятся экспериментальные доказательства однородности объектов. Затем исследуется как меняются свойства тонкой сверхпроводящей пленки при изменении условий на ее поверхности. С этой целью изучаются ультратонкие двухслойные системы из аморфного сверхпроводника и нормального металла или сверхпроводника с низким Тс.
С традиционной точки зрения напыление на поверхность сверхпроводящей пленки нормального металла всегда приводит к падению Тс системы [7]. Если низкое Тс тонкой пленки вызвано беспорядком, то оно определяется в первую очередь ее сопротивлением "на квадрат" Дп~ [(ерт)(йргі)]-1 [1]. Напыление металла на тонкую сверхпроводящую пленку приводит к уменьшению Да всей системы и, как следствие, к уменьшению локализационных эффектов. Для тонкой пленки сверхпроводника (большие Ra) при малой толщине металлического покрытия Тс системы возрастает, несмотря на эффект близости. Такой "аномальный" эффект близости в двухслойной системе неупорядоченный сверхпроводник - нормальный металл явля-
ется однозначным подтверждением определяющей роли беспорядка в сверхпроводимости двумерных однородно неупорядоченных систем.
Целью диссертационной работы была разработка методики, позво-ляющей создавать ультратонкие однородно неупорядоченные пленки и двухслойные системы; исследование возникновения и изменения с толщиной проводимости и сверхпроводимости в пленках аморфных сверхпроводников и изучение влияния металлических, сверхпроводящих и неметаллических покрытий на свойства ультратонких однородно неупорядоченных сверхпроводящих пленок.
Основными объектами исследования были холодноосажденные пленки аморфного висмута. Такой выбор определялся как большим числом работ по аморфному висмуту, что позволило сконцентрироваться на принципиальных аспектах проблемы, так и особым интересом к ультратонким пленкам висмута, в которых полное подавление сверхпроводимости происходит при Дп« Л/(2е)2 ~ 6.45кОм [б].
Научная новизна диссертации определяется оригинальными ре-зультатами, впервые полученными в данной работе, и заключается в основных положениях, выносимых на защиту:
-
Разработана методика воспроизводимого получения ультратонких однородно неупорядоченных холодноосажденных пленок и двухслойных систем.
-
Изучено влияние металлических (Au, Ag, Mg), сверхпроводящих (Zn) и неметаллических (Ge, Sb) покрытий на проводимость и сверхпроводимость ультратонких (<50А) однородных пленок аморфного висмута. Обнаружено, что тонкие металлические покрытия повышают Тс в системе неупорядоченный сверхпроводник - металл. Совокупность полученных данных подтверждает современные представления о влиянии беспорядка на электрон-электронное взаимодействие и сверхпроводимость в неупорядоченных квази-двумерных системах. Обнаружено, что аморфные полупроводники (Ge, Sb) подавляют Тс тонких однородных пленок аморфного висмута.
-
Обнаружено образование при низкой (<15К) температуре соединений на границе раздела двух пленок: висмут-сурьма - металлического, висмут-магний - неметаллического, золото-сурьма - сверхпроводящего.
-
Исследованы электрические и сверхпроводящие свойства хо-
лодноосажденных пленок висмута, золота и цинка и обнаружено, что проводимость в таких пленках появляется при субмонослойных толщинах (<4.5А), а переход к режиму слабой локализации происходит при толщинах менее 6А, до появления сверхпроводимости. В режиме слабой локализации из исследований магнетосопротивле-ния получена оценка времен неупругой релаксации фазы электронов. Соответствующие длины сбоя фазы Ьф ультратонких высокоомных (> 2кОм) пленок чрезвычайно малы (Ьф(4К)< 2 102А).
5. Измерена температурная зависимость верхнего критического поля однородно неупорядоченных пленок аморфного висмута в диапазоне толщин 8.5-100А. Значения наклона верхнего критического поля Н'с2{Тс) находятся в соответствии с теорией для двумерных однородно неупорядоченных сверхпроводников.
Научное и практическое значение работы. Совокупность результатов^ полученных в данной работе, подтверждает определяющую роль электрон-электронного взаимодействия в свойствах неупорядоченных сверхпроводников.
Разработанная методика и полученные результаты позволяют применить их при исследовании двумерных и слоистых структур, в особенности для моделирования транспортных свойств высокотемпературных сверхпроводников. Новая информация, полученная при изучении ультратонких однородных пленок, способствует развитию представлений о сверхпроводимости в неупорядоченных системах.
Апробация работы.
Результаты изложенные в диссертации докладывались автором на: Международной конференции по физике низких температур LT-20 (Орегон, США, 1993), а также на научных семинарах Института Физических Проблем имени П.Л.Капицы Российской Академии Наук.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в двух статьях:
И.Л. Ландау, Д.Л. Шаповалов, И.А. Паршин. Повышение температуры сверхпроводящего перехода тонкой пленки при напылении на ее поверхность нормального металла. Письма в ЖЭТФ, 51, (1991), с.332-335.
Д.Л. Шаповалов. Локализация и эффект близости в ультратонких сверхпроводящих пленках. Письма в ЖЭТФ, 60, (1994), с.193-198.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 126 страниц, из них 70 страниц текста, 45 рисунков и список литературы из 89 наименований.