Введение к работе
Актуальность темы.
Данная работа посвящена исследованию нелинейных эффектов в электронном транспорте металлических наноструктур при низких температурах. Под нелинейными эффектами понимается изменение проводимости системы при определенных условиях в зависимости от приложенного постоянного напряжения.
Отклонения от закона Ома в нормальных металлах представляют особый научный интерес. Долгое время считалось, что в нормальном металле создать нелинейность по электрическому полю невозможно, за исключением простого разогрева образца электрическим током, когда нелинейность является следствием зависимости проводимости от температуры. Объемная проводимость металлов определяется плотностью состояний на уровне Ферми и длиной свободного пробега электронов проводимости. В силу особенности электронного спектра нормальных металлов, плотность .состояний определяется энергией Ферми, которая составляет порядка 10000 К. Это много больше всех характерных энергий, реализуемых в эксперименте. Кроме того, из-за высокой концентрации носителей тока дрейфовые скорости обычно очень маль по сравнению не только со скоростью Ферми, но и со скоростью зиука в металле. Длина свободного пробега определяется рассеянием электронов на несовершенствах кристаллической решетки, примесях, фононах и т. п., и кз зависит от приложенного электрического поля, решгазуемого ка эксперименте.
Нелинейные эффекты в проводимости имеют также и практическое значение, поскольку в основе работы многих электронных приборов лежат нелинейные вольт-амперные характеристики. Почему именно металлические структуры привлекают все больший интерес в последнее время? Дело в том, что миниатюризация полупровод-
никовых приборов близка к пределу. Одним из факторов, ограничивающих развитие полупроводниковой технологии, является то, что дальнейшее уменьшение размеров прибора приводит к нарушению статистических критериев надежности работы. Так в полупроводниковом приборе со степенью легирования, дающей концентрации носителей тока порядка 10,s ш\ с характерным размером 0.1 мкм содержится менее 1000 носителей тока, и флуктуации различного типа начинают существенно влиять на электронные свойства материала. В металлах же концентрации носителей тока на 4-5 порядков выше, что позволяет снижать размеры возможных устройств до нанометров. Такие фундаментальные размеры, как длина волны электронов проводимости, радиус экранирования, длина свободного пробега при комнатной температуре, находятся в нанометровом диапазоне. Более 80% элементов периодической системы Д.И. Менделеева являются металлами. Они представляют разнообразие электронных спектров, электрических, магнитных и оптических свойств. Таким образом, исследование свойств металлических наноструктур и поиск физических явлений, которые бы легли в основу работы металлической нано-электроники, является актуальной научной задачей.
Прогресс нанотехнологии в последнем десятилетии позволил создавать металлические структуры с размерами, не превышающими длину сбоя фазы электронов проводимости при гелиевых температурах. В таких структурах существенна квантовая интерференция электронов. Появляется возможность управлять проводимостью, влияя на фазу волновой функции, а не на ее модуль. Так в эффекте Ааронова-Бома проводимость структуры зависит от фазовых соотношений интерферирующих электронных волн, в свою очередь зависящих от приложенного магнитного полл. Другой пример - андреевское отражение, возникающее на границах раздела нормального металла со сверхпроводником. При андреевском отражении происходит передача макроскопической фазы конденсата нормальным электронам. Возникает возможность управления проводимостью нормальной части за счет изменения фазы сверхпроводника, которая может быть задана сверхпроводящим током.
В настоящей работе исследовались мезоскопические приборы второго поколения. Приборы первого поколения использовали достижения однослойной электронной литографии и представляли собой планарные однородные мезоскопические структуры. Второе поколение - это приборы, включающие элементы из разных
материалов. Это потребовало дальнейшего развития технологии, чтобы совмещать последовательные слои, создаваемые электронной литографией, с точностью выше 0.1 мкм. Стало возможным вводить дополнительные зонды, управляющие электроды, задавать определенные граничные условия и т. п., используя различные комбинации металлов с разными электрическими и магнитными свойствами. В таких гибридных структурах возникают новые физические явления, связанные с взаимодействием на границах раздела. Исследование этих явлений имеет как самостоятельный научный интерес, так и прикладное значение - создание элементной базы электроники нового поколения.
Цель работы.
Целью работы был поиск и изучение нелинейных явлений в проводимости металлических наноструктур.
Как отмечалось выше, создать нелинейность по электрическому полю в нормальном металле очень трудно. Для этого необходимо ввести взаимодействие, которое бы привело к существенной перестройке электронного спектра. Целью данной работы было осуществление такой перестройки за счет введения взаимодействия на границах раздела между металлами с разными электрическими и магнитными свойствами, в том числе сверхпроводниками. Таким образом, в работе ставились следующие задачи.
Исследовать гибридные структуры нормальный металл-сверхпроводник с сильными наведенными сверхпроводящими корреляциями в нормальной области. Размер нормальной части меньше длины когерентности нормального металла.
Исследовать гибридные структуры нормальный металл-сверхпроводник со слабыми наведенными сверхпроводящими корреляциями ч нормальной области. Размер нормальной части больше длины когерентности нормального металла. Нормальная область не переходит в сверхпроводящее состояние.
Исследовать гибридные структуры., состоящие из металлов с сильно отличающимися поверхностями Ферми- На примере структур нормальный металл-полуметалл исследовать влияние пространственного квантования электронного спектра на проводимость.
Для выполнения этих задач в цели работы также входило развитие технологических способов получения гибридных наноструктур, состоящих из металлов с различными электронными свойствами, включая сверхпроводники, с высокой точностью совмещения
различных элементов и малым электрическим сопротивлением границ раздела. Кроме того, была необходима разработка экспериментальных методик измерения электрических свойств наноструктур, где из-за малого поперечного сечения проводников необходимо проведение измерений при малых токах, что требует создания прецезионной, низкошумящей и помехозащищенной измерительной техники.
Научная новизна.
Научная новизна данной работы состоит в экспериментальном исследовании нелинейных электрических свойств гибридных наноструктур на основе нормальных металлов, являющихся новым поколением мезоскопических приборов. Исследованы гибридные структуры трех типов: полуметалл-нормальный металл, нормальный металл-сверхпроводник в планарной геометрии и нормальный металл-сверхпроводник в вертикальной геометрии с границами раздела параллельными классическим линиям тока.
Впервые были исследованы гибридные наноструктуры, состоящие из полуметалла (висмута) с токовыми контактами из нормального металла с высокой проводимостью (серебра). В таких структурах были обнаружены сильные отклонения от закона Ома, при этом в однородных структурах нелинейность отсутствовала.
В неоднородных пленках, находящихся в сверхпроводящем состоянии, с границами раздела нормальный металл-сверхпроводник параллельными классическим линиям тока обнаружено возрастание сопротивления структуры выше его значения в нормальном состоянии. В неоднородных сверхпроводящих кольцах обнаружена нелинейная зависимость максимальной амплитуды осцилляции Литтла-Паркса от измерительного тока, не превышающего критического.
Исследована нелинейная зависимость сопротивления наноструктур, состоящих из нормальных металлов, граничащих со сверхпроводниками. Впервые было показано, что характер нелинейности существенно зависит от разности фаз сверхпроводящего конденсата в точках контакта нормальный металл-сверхпроводник. Оказалось, что в структурах определенной симметрии нелинейность полностью исчезает при разности фаз между сверхпроводниками равной /г. Проведен количественный анализ экспериментальных результатов на основе микроскопической теории сверхпроводимости. Впервые было найдено значение эффективной щели на границе нормальный металл-сверхпроводник и построена ее зависимость от температуры и приложенного напряжения.
Практическая значимость.
Развита технология получения гибридных металлических наноструктур с чистыми интерфейсами. Отработана методика прецизионного измерения слабых сигналов через проводники с поперечным сечением порядка 10'" см2. Продемонстрирована возможность создания прибора, в котором вольт-амперная характеристика управляется путем влияния на фазу электронов проводимости. Созданы электронные устройства нанометровых размеров на основе гибридных металлических наноструктур с нелинейными вольт-амперными характеристиками.
Основные положения, выносимые на защиту:
возможность получения нелинейной вольт-амперной характеристики в гибридной наноструктуре нормальный металл/ полуметалл.
в неоднородных сверхпроводящих кольцах амплитуда осцилляции Литтла-Паркса нелинейно зависит от приложенного тока меньшего критического, что может быть связано с увеличением роли сверхпроводящих флуктуации типа Маки-Томпсона.
в гибридных структурах нормальный металл/сверхпроводник с границами раздела параллельными классическим линиям тока локализация андреевских состояний приводит к увеличению сопротивления вблизи сверхпроводящего перехода и является дополнительным источником отклонений от закона Ома.
вольт-амперная характеристика диффузного андреевского интерферометра оказывается нелинейной и зависящей от разности фаз между ^зерхпроводниками даже при расстоянии между сверхпроводниками существенно превышающим длину когерентности нормального металла.
используя вычисления вольт-амперных характеристик андреевского интерферометра по формулам микроскопической теории, можно найти значение эффективной сверхпроводящей щели на границе раздела нормальный металл/сверхпроводник.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на научных семинарах ИПТМ РАН и Лондонского университета (Англия), а также на следующих конференциях:
-
International Conference on The Physics and Technology of Metallic Nanostructures, Chernogolovka, Russia, 12-15 September, 1994.
-
International Simposium Nanostructures: Physics and Technology, St. Petersburg, Russia, 26 - 30 June, 1995.
-
International Conference PLDS-2, Dubna, Russia, 18-22 September, 1995.
-
XXXIst Rencontres de Moriond, Condensed Matter Physics Meeting "Correlated Fermions&Transport in Mesoscopic Systems", Les Arcs, Savoie, France, January 20-27, 1996.
-
Fifth Hitachi-Cambridge Seminar on Single Electronics, Cambridge, UK, 5 July 1996.
-
21st International Conference on Low Temperature Physics, Prague, August 8-14,1996.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка цитируемой литературы (72 наименования). Объем диссертации составляет 124 страницы машинописного текста, включая 32 рисунка и 3 таблицы.
