Введение к работе
Актуальность темы. Неравновесные явления, к которым относится и эффект раоогрева электронов, занимают важное место в физике сверхпроводимости, поскольку непосредственно связаны с фундаментальными вопросами электрон-фононного взаимодействия и кинетики сверхпроводников. С другой стороны прикладная область криогенной микроэлектроники во многом базируется на неравновесных явления в сверхпроводниковых пленках.
Исследования неравновесных эффектов в пленках низкотемпературных сверхпроводников, проводившиеся начиная с 60-х годов, способствовали пониманию кинетики взаимодействия квазичастиц, куперов-ских пар и фононов и установлению иерархии характерных времен. Прикладной же аспект проблемы долгое время оставался разработа-ным недостаточно и, как следствие, в приборах криогенной микроэлектроники использовались лишь болометрический эффект и квантовые явления, такие как туннельный эффект и эффект Джозефсона. Разработка приборов на основе неравновесных явлений обещает значительное продвижение в части приемников, совмещающих уникальную широ-кополосность с предельным быстродействием, а также быстрых переключающих элементов, управляемых светом и током.
С открытием высокотемпературных сверхпроводящих металоксид-ных соединений возник мощный стимул для исследований в них неравновесных эффектов, который обусловлен с одной стороны отсутствием адекватных представлений о механизме высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), а с другой - легко прогнозируемым прогрессом в прикладной области. Действительно, повышение рабочей температуры приборов на основе ВТСП сулит снижение стоимости эксплуатации оборудования, а рост интенсивности квазичастичных взаимодействий при высоких температурах ведет к уменьшению характерных времен и, тем самым, к росту быстродействия и увеличению широко-полосности приборов.
Цель исследования. Экспериментальное изучение эффекта электронного разоогрева в пленках НТСП и ВТСП при воздействии электромагнитного излучения и тока и разработка приборов на его основе, в том числе
Создание комплекса аппаратуры для измрения характерных времен кинетических процессов с пшсосекундным разрешением в области спектра от субмиллиметровых волн до видимого света.
Исследование неравновесных явлений, возникающих в ультратонких пленках традиционных сверхпроводников под действием излучения. Выяснение условий реализации эффекта разогрева электронов и определение с его помощью параметров электрон-фононного взаимодействия
Исследование процессов переключения под действием импульсов тока тонких пленок КТСП к ВТСП иэ сверхпроводящего состояния в нормальное и определение предельных характеристик переключающих элементов. .
Исследование неравновесного и быстрого болометрического отклика пленок YBaCuO на электромагнитное излучение, включающее излучение теплофиоических характеристик границы пленка/подложка и спектральных характеристик неравновесного отклика.
Создание теории работы детектора и смесителя, основанных на явлении электронного разогрева.
Реализация широкополосных быстродействующих детекторов, смесителя терагерцового диапазона и управляемого током быстрого переключателя.
Научная новизна заключается в результатах исследования неравновесных явлений, возникающих в тонких пленках сверхпроводников при воздействии электромагнитного излучения и тока, в интерпретации этих явлений на основе предложенной модели разогрева электронов, а также в практической реализации и теоретическом обосновании работы приемных и переключающих устройств, основанных на эффекте разогрева электронов.
1. Обнаружен и исследован эффект разогрева электронов электромагнитным излучением в резистивном состоянии ультратонких разу-порядоченных пленок традиционных низкотемпературных сверхпроводников.
-
Экспериментально определены характерные времена электрон-фононного взаимодействия для ряда традиционных сверхпроводников и изучены их зависимости от температуры и степени разу-порядоченности.
-
Исследован процесс переключения тонких пленок нобия из сверхпроводящего состояние в нормальное под действием тока. Показано, что предельные времена переключения определяются временем электрон-фононного взаимодействия, а процесс переключения может быть описан в рамках модели разогрева электронов.
-
Исследован отклик пленок YBaCuO на излучение в широкой области спектра. Экспериментально выделены болометрический и неравновесный механизмы отклика.
-
Получена спектральная зависимость неравновесного квазичастичного отклика пленок YBaCuO на излучение.
-
Показано, что быстрый болометрический отклик в пленках YBaCuO связан с тепловым сопротивлением границы пленка/подложка, величина которого согласуется с моделью акустического согласования.
Практическая ценность
-
Разработана теория детектора и смесителя, основанных на эфф-фекте разогрева электронов.
-
Реализована серия широкополосных детекторов излучения с различным быстродействием и чувствительностью на основе тонких пленок традиционных сверхпроводников.
-
Реализованы пикосекундные импульсные детекторы из пленок NbN и YBaCuO, которые были использованы для анализа формы импульсов излучения газовых лазеров ИК диапазона.
-
Экспериментально изучены характеристики смесителя субмиллиметрового диапазона из тонкой пленки ниобия, продемонстрирована применимость модели разогрева электронов для описания его работы.
5. Продемонстрирована возможность создания управляемого током быстрого переключателя на основе тонкой пленки сверхпроводника и оценены основные характеристики такого устройства.
Защищаемые положения
-
Проведено комплексное исследование неравновесного эффекта увеличения сопротивления ультратонких пленок ниобия и нитрида ниобия в резистивном состоянии при воздействии на них электромагнитного излучения малой мощности. Величина эффекта и его инерционность не зависят от длины волны излучения в спектральном интервале от миллиметровых волн до видимого света. Показано, что эффект не связан с нагревом пленки относительно подложки и туннельными явлениями в межграяульных слабых связях, а сводится к формированию неравновесной функции распределения квазичастиц и обусловленному этим подавлению параметра порядка в то время как фононы в пленке остаются в равновесном состоянии.
-
Предложена модель разогрева электронов, адекватно описывающая отклик ультратонкой грязной пленки Nb и NbN в резистивном состоянии на электромагнитное излучение. Показано, что неселективность эффекта обязана определяющей роли электрон-электронных столкновений в формировании неравновесной функции распределния квазичастиц и что время релаксации сопротивления вблизи сверхпроводящего перехода соответствует времени релаксации параметра порядка, а в области меньших сопротивлений и в нормальном состоянии - времени электрон-фононного взаимодействия reph.
-
Исследована зависимость времени reph от температуры и степени разупорядоченности в пленках Nb и NbN. Показано, что в области температур 1.6-10 К для ниобия тер^ ос Т~21~г, а для нитрида ниобия те1)ь ос Т-1'6^-1, где I длина свободного пробега электронов. Зависимость герд(/) в обоих случаях соответствует изменениям с длиной свободного пробега матричного элемента электрон-фононного взаимодействия, а температурная зависимость свидетельствует о модификации фононного спектра в тонких пленках.
-
Исследовано переключение импульсами тока тонких пленок Nb из сверхпроводящего(З) состояния в нормальное(М). Показано, что
процесс S-N перехода описываеться в рамках модели разогрева электронов, а предельные времена переключения определяются характерным временем электрон-фононного взаимодействия. Обнаружено, что при переключении в узкой области токов формируется электронно-резнстивныи домен. Определена скорость движения его границ « 105 см с—1, находящаяся в соответствии с теоретическими представлениями о диффузионном движении неравновесных квазачастнц вдоль пленки.
-
Обнаружен двухкомпонентный отклик пленок ВТСП на пикосе-кундные импульсы оптического излучения, быстрый пикосекунд-ный компонент которого соответствует неравновесному квазнча-стичному механизму, а медленный наносекундный обязан тепловой релаксации пленки относительно подложки. Впервые получена спектральная зависимость амплитуды неравновесного отклика ос А1'2, свидетельствующая об относительно слабой эффективности каскадного размножения неравновесных квазичастиц при энергиях много больших кТ и обязанная сильному фонон-фононному взаимодействию в YBaCuO. Определена температурная зависимость времени релаксации неравновесного отклика т ос Г-1.
-
Исследованы режимы тепловой релаксации пленки YBaCuO на различных подложках. Показано, что баллистический режим ухода фононов сменяется диффузионным режимом при временах порядка времени возврата фонона из подложки в пленку. Коэффициенты прозрачности границы для фононов, полученные из времени возврата и времени ухода, удается согласовать между собой и теорией акустического импенданса, привлекая температурные поправки к модели Дебая.
-
На основе модели разогрева электронов излучением построены теории электронно-разогревных детектора и смесителя. Показано, что электронно-разогревный детектор является предельным случаем обычного болометра, обеспечивающим наилучшую достижимую совокупность чувствительности и быстродействия по параметру 1о, представляющему собой произведение обнаружительной способности детектора и обратного квадратного корня из постоянной времени. Рассчитаны характеристики электронно-разогревного
смесителя, покалывающие перспективность его применения в тера-герцовом диапазоне.
-
Разработаны детекторы пз Nb, NbN и YBaCuO, экспериментально получены соответствующие расчетам характеристики. Для детектора ио Nb достигнуто предельное значение 1о = 7 1015 см Дж-1. Продемонстрировано, что получаемая в эксперименте величина и температурная зависимость потерь преобразования смесителя ио Nb соответствует теоретическим расчетам.
-
Сформулированы принципы построения управляемого током переключателя на основе тонкой пленки сверхпроводника, а также способы достижения предельно малого времени переключения и минимизации рассеиваемой мощности. Показано, что переключатель из тонкой пленки YBaCuO может обладать при температуре 77 К временем переключения около 1 пс и средней рассеиваемой мощностью меньше 10 мкВт.
Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались на Всесоюзных и Международных конференциях в том числе
Российско-германский семинар по проблеме ВТСП (Karlsruhe 1990, Ленинград 1991, Kloster Banz 1992)
Международная конференция по прикладной сверхпроводимости (Snowmass 1990, Chicago 1992)
Международная конференция по сверхпроводниковой электронике (Osaka 1989, Glasgow 1991)
Всесоюзное совещание по физике низких температур (Кишинев 1982, Тбилиси 1986, Ленинград 1988, Донецк 1990)
Всесоюзное совещание по тепловым приемникам излучения (Ленинград 1984,1988)
Международная конференция по ВТСП и локализационным явлениям (Москва 1992)
Международная конференция стран членов СЭВ по физике низких температур (Варна 1983)
в III Всесоюзный симпозиум по миллиметровым и субмиллиметровым волнам (Горький 1980)
Всесоюзное совещание по проблемам высокотемпературной сверхпроводимости (Свердловск 1987)
II Всесоюзная конференция по ВТСП (Киев 1989)
Всесоюзная научно-техническая конференция "Твердотельная электроника СВЧ" (Киев 1990)
III Международная конференция по материалам и механизмам ВТСП (Kanazawa 1991)
Международная конференция "Рассеяние фононов в твердых телах" (New York, 1992)
I Украинский симпозиум "Физика и техника ММ и СубММ волн" (Харьков 1991)
Европейская конференция по ВТСП пленкам и монокристаллам (Ustron. 1989)
Кроме того результаты работы защищены авторским свидетельством и опубликованы в 54 печатных работах.
Структура и объем работы. Доклад состоит из введения, пяти глав и заключения, списка работ автора,в которых опубликованы основные результаты диссертации, 1 таблицы, 26 рисунков.
