Фазочувствительный электронный транспорт в гибридных металлических наноструктурах Шайхайдаров, Раис Шайхинурович

Введение к работе

Актуальность темы.

Исследование низкоразмерных систем является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов физики твердого тела. Такие системы представляют как научный, так и практический интерес. Тенденция к дальнейшей миниатюризации электронных приборов требует поиска новых материалов для создания элементов нано-метровых размеров. Использование полупроводниковых технологий встречает ряд трудностей на пути миниатюризации. Так, например, дальнейшее уменьшение размеров полупроводниковых приборов ведет к достижению физического предела их использования. Перспективным материалом для наноэлектроники будущего могут стать металлы. В металлах концентрация электронов проводимости порядка 10²² см"³, т.е. на 4 порядка больше, чем в полупроводниках. Кроме того, для металлов характерные длины, важные для возможных приложений, такие как длина свободного пробега при комнатной температуре, радиус экранирования, длина волны электронов проводимости, глубина проникновения электромагнитного поля в оптическом диапазоне порядка 1-10 нм. Среди металлов можно найти многообразие электронных, магнитных и оптических свойств. Таким образом, исследование металлических наноструктур и поиск новых физических явлений, которые могли бы стать основой для создания элементной базы металлической наноэлектроники, является актуальной задачей.

Данная работа посвящена исследованию фазочувствительного транспорта в гибридных металлических наноструктурах. Были созданы экспериментальные структуры с элементами из различных металлов, с размерами, сравнимыми с длиной когерентности нормального металла и длиной сбоя фазы электронных волн. В таких структурах заметный вклад дают поправки к проводимости, связанные с квантовой интерференцией электронных волн. Изменяя набег фазы электронных волн можно управлять интерференцией, а, следова-

тельно, и величиной поправки к проводимости. Наглядным примером такого управления является эффект Ааронова-Бома, где проводимость мезоскопического кольца из нормального металла осциллирует при изменении магнитного потока через его площадь. В реальных структурах амплитуда интерференционных поправок относительно мала и не превышает кванта проводимости е²/Й. Кроме того, она сильно зависит от условий на границах проводника, которые играют роль, аналогичную зеркалам в оптических интерферометрах. В связи с этим привлекательной выглядит идея использования материалов с отличающимися электронными свойствами для создания электронных "зеркал". В качестве таких материалов в работе выбраны сверхпроводники и полуметаллы. В первом случае граничные условия определяются Андреевским рассеянием электронов на границе между нормальным металлом и сверхпроводником. Во втором случае граница раздела служит полупрозрачным зеркалом вследствие резкого различия электронного строения металлов и полуметаллов.

Создание мезоскопических гибридных наноструктур требует дальнейшего совершенствования технологий: многослойной электроннолучевой литографии, с высокой, 50-100нм, точностью совмещения слоев, низкоэнергетического ионного травления, различных видов нанесения тонких пленок.

Таким образом, тема работы - исследование фазочувствительного электронного транспорта в гибридных металлических наноструктурах является актуальной и представляет как научный, так и практический интерес.

Цель работы.

Целью настоящей работы было экспериментальное исследование фазочувствительного электронного транспорта в гибридных металлических наноструктурах, включающих элементы с существенно отличающимися электронными свойствами, и поиск путей управления электрической проводимостью за счет изменения фазы электронных волн. Были поставлены следующие задачи.

Исследование фазочувствительных эффектов в гибридных мезоскопических структурах из нормальных неупорядоченных металлов с полуметаллическими границами.

Исследование фазочувствительного электронного транспорта в гибридных мезоскопических структурах из нормальных металлов со сверхпроводящими границами.

Одной из целей работы было совершенствование технологических процессов, позволяющих создавать экспериментальные гибридные наноструктуры с размерами 50-1000нм, с контролируемой геометрией и качеством границ между различными элементами, включая многослойную электронно-лучевую литографию с высокой точностью совмещения слоев, ионное травление, с последующим нанесением тонких пленок без прерывания вакуума.

Научная новизна.

Были исследованы гибридные мезоскопические структуры, состоящие из нормальных металлов и полуметаллов. Впервые было обнаружено, что амплитуда эффекта Ааронова-Бома для серебряных колец с висмутовыми электродами значительно превосходит амплитуду эффекта для серебряных колец с серебряными электродами, а также с электродами из металла с подобным серебру электронным спектром.

Впервые наблюдалась немонотонная температурная зависимость амплитуды фазопериодических осцилляции сопротивления в структурах со сверхпроводником в качестве границы. Температура, при которой амплитуда осцилляции была максимальна, соответствовала энергии Таулесса. В структурах с высокой прозрачностью N/S-границ впервые наблюдалось гистерезисное поведение осцилляции сопротивления.

Экспериментально обнаружено, что нормальные металлические мезоскопические проводники с двумя сверхпроводящими границами, расположенными зеркально симметрично относительно линий тока, периодически переходят в нормальное состояние при приближении разности сверхпроводящих фаз, Лф, к значению А<р = (2п+1)к,

n = 0,1,2..., независимо от температуры и приложенного напряжения. При значениях Л(р = 2пл и малых приложенных напряжениях проводимость проходит максимум и приближается к нормальному значению при понижении температуры ("возврат", reentrance). При низких температурах явление возврата наблюдается при понижении приложенного к структуре напряжения. Обнаружено, что температура и напряжение, при которых начинается возврат, существенно зависит от разности фаз, что однозначно указывает на то, что в металлических структурах необходим учет следующих поправок к приближению "слабого" эффекта близости.

Впервые экспериментально обнаружено, что периодическая зависимость проводимости мезоскопических N/S структур от разности сверхпроводящих фаз, А(р, претерпевает качественные изменения при понижении температуры: максимумы проводимости при А<р = 2пк, п — 0,1,2..., сменяются минимумами, при этом вольтамперные характеристики при различных значениях разности фаз имеют точку пересечения.

Практическая значимость.

Отработаны технологические процессы, позволяющие создавать гибридные наноструктуры с характерными размерами 50-1000 нм и контролируемыми геометрией и качеством контактов между слоями. В частности, отработаны процессы многослойной литографии с высокой, 50-100 нм, точностью совмещения слоев, ионного травления с последующим нанесением тонких пленок без прерывания вакуума.

Развиты экспериментальные методики, позволяющие измерять слабые сигналы в проводниках с малым поперечным сечением при низких температурах.

Продемонстрирована возможность создания электронного прибора, в котором транспортные свойства управляются при помощи изменения разности фаз сверхпроводящего конденсата.

Основные положения, выносимые на защиту:

эффект Ааронова-Бома в мезоскопических кольцах из неупорядоченных металлов, с электродами из полуметалла может быть усилен более чем на порядок.

в мезоскопических структурах со сверхпроводящими границами, амплитуда фазопериодических осцилляции сопротивления немонотонна в зависимости от температуры. Температура, при которой амплитуда осцилляции максимальна, соответствует энергии Таулесса. В структурах с высокой прозрачностью N/S-границ можно наблюдать гистерезисное поведение осцилляции, связанное с возникновением неустойчивых состояний.

нормальные металлические мезоскопические проводники с двумя сверхпроводящими границами, расположенными зеркально симметрично относительно линий тока, периодически переходят в нормальное состояние при приближении разности сверхпроводящих фаз, Аср, между N/S границами к значению Аср = (2п+1)п, п = 0,1,2.., независимо от температуры и приложенного напряжения. При значениях Аср-2пк и малых приложенных напряжениях проводимость проходит через максимум и приближается к нормальному значению при понижении температуры. При последующем повышении напряжения проводимость растет, проходя через максимум. При отклонении разности фаз от значения Аср = 2пк максимумы смещаются в сторону низких температур и напряжений.

периодическая зависимость проводимости мезоскопических N/S структур от разности сверхпроводящих фаз, Аср, претерпевает качественные изменения при понижении температуры: максимумы проводимости при Аср = 2пк, п = 0,1,2.., сменяются минимумами, при этом вольтамперные характеристики при различных значениях разности фаз имеют точку пересечения при определенном значении приложенного напряжения.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научных семинарах ИПТМ РАН и Гетеборгского (Chalmers) Технологического Университета (Швеция), а также на следующих конференциях:

1. International Conference on the Physics and Technology of Metallic Nanostructures, Chernogolovka, Russia, 12-15 September 1994.

2. XXXIst Rencontres de Moriond, Condensed Matter Physics Meeting "Correlated Fermions& Transport in Mesoscopic Systems", Les Arcs, Savoie, France, January 20-27, 1996.

3. Fifth Hitachi-Cambridge Seminar on Single Electronics, Cambridge, UK, 5 July 1996.

4. 21^st International Conference on Low Temperature Physics, Prague, August 8-14, 1996.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (63 наименования). Объем диссертации составляет 115 страниц машинописного текста, включая 25 рисунков и 4 таблицы.