Разработка методики изготовления и исследование электрофизических характеристик сверхпроводящих металлоксидных структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МЕТАЛЛОКСИДНЫХ СТРУКТУР

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

Шадрин Антон Викторович

Москва - 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук Овсянников Г.А.,

доктор физико-математических наук Корнев В.К.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Снигирёв О.В.;

кандидат физико-математических наук, Гудков А.Л.

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им Н.В. Пушкова РАН.

Защита состоится "24" апреля 2009 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 002.231.03 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, г. Москва, ул. Моховая 11, корп. 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Автореферат разослан 23 марта 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н. М.И. Перцовский.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Использование макроскопических квантовых эффектов в сверхпроводниках позволяет создавать сверхпроводниковые джозефсоновские устройства, отличающиеся предельно высокой чувствительностью и рекордным быстродействием. Характерная частота f_c джозефсоновских переходов на основе низкотемпературных сверхпроводников, определяющаяся величиной характеристического напряжения

V_c = I_cR_N

(I_c - критический ток перехода, R_N - нормальное сопротивление), лежит в диапазоне сотен гигагерц, а в случае металлооксидных сверхпроводников (МОСП) с высокой критической температурой может достигать единиц и даже десятков терагерц. Кроме того, использование джозефсоновских переходов из МОСП с критической температурой 90 К и выше позволяет создавать устройства, работающие при более высоких температурах, в том числе, при температуре жидкого азота 77 К. Это определяет неослабевающий интерес к разработке новых более совершенных типов джозефсоновских структур на основе металлоксидных сверхпроводников. В качестве наиболее перспективных типов МОСП джозефсоновских переходов в настоящее время рассматриваются бикристаллические переходы и гетероструктуры с различным типом промежуточных слоев, включая прослойки из магнитоактивных материалов.

Джозефсоновские переходы на основе сверхпроводниковых гибридных структур с магнитоактивной прослойкой представляют интерес, как для фундаментальной физики, так и для практических приложений, поскольку обладают целым рядом необычных свойств. Например, в сверхпроводниковых структурах с магнитоактивной (M) прослойкой (антиферромагнитной - AF, или ферромагнитной - F) существует возможность управления их свойствами вследствие сильного влияния слабого внешнего магнитного поля на критический ток. Впервые на это обстоятельство было обращено внимание в работе Горькова и Кресина [1], в которой теоретически анализировался критический ток сверхпроводящих структур с AF прослойкой (S-AF-S, S-сверхпроводник) и предсказана аномально высокая чувствительность критического тока к магнитному полю. Аномально высокий эффект близости, а именно, большое значение плотности сверхпроводящего тока, был обнаружен в купратных оксидных гетероструктурах с толстой оксидной AF прослойкой [2].

В настоящее время наибольшей воспроизводимостью параметров характеризуются бикристаллические джозефсоновские переходы на основе металлоксидных сверхпроводников. Бикристаллические переходы формируются на подложке, состоящей из двух монокристаллических частей, кристаллографические оси которых развёрнуты на угол 2и. В процессе роста эпитаксиальных МОСП плёнок на такой бикристаллической подложке образуется граница раздела атомных размеров, которая представляет собой слабую связь двух сверхпроводящих пленок. Однако в процессе роста происходит зарастание пленки в ту или иную сторону от границы, что выражается в том, что бикристаллическая граница плёнки имеет вид ломаной линии. Типичный размер таких изломов (фасеток) составляет 10-100 нм [3]. Фасетирование бикристаллической границы вызывает значительный разброс параметров джозефсоновских переходов. Поэтому одной из актуальных современных задач является совершенствование существующих типов и создание новых типов бикристаллических джозефсоновских структур для достижения радикального уменьшения фасетирования бикристаллической границы.

В микроволновом диапазоне электромагнитного излучения (0,3ч7 ГГц) усилители на основе сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИДов) обладают шумовой температурой, близкой к квантовому пределу hf / k, где f - частота сигнала, h и k - постоянные Планка и Больцмана соответственно [4]. Такие высокие значения чувствительности усилителей в сочетании с широко обсуждающейся возможностью создания сверхпроводниковых приемных антенн открывают новые возможности в области разработок перспективных приемных устройств для систем беспроводной и спутниковой связи. В последнее время обсуждается также возможность применения сверхчувствительных СКВИД-устройств в качестве считывающих элемента в квантовых детекторов [5] и устройств обнаружения нового типа частиц - аксионов [6].

Несмотря на достаточно низкую шумовую температуру СКВИД-усилителей T_N 1…3 K [25], одновременно низкая температура насыщения T_sat ? 100…150 K [25]приводит к малому динамическому диапазону D = T_sat/T_N СКВИД-усилителей (порядка 10-15 дБ) в отсутствие цепи эффективной следящей обратной связи, использование которой, как известно, в низкочастотных СКВИДах позволяет получить динамический диапазон D до 100 дБ. Попытки реализации цепи эффективной обратной связи в гигагерцовом диапазоне частот пока не увенчались успехом.

Новые возможности открывает использование цепочек СКВИДов постоянного тока (цепочек двухконтактных интерферометров). Динамический диапазон как параллельной, так и последовательной цепочек увеличивается с ростом числа N ячеек цепочки пропорционально (при работе без цепи следящей обратной связи). Действительно, в случае параллельной цепочки максимальная величина отклика напряжения не зависит от N, а среднеквадратичное напряжение шумов уменьшается как 1/. В случае последовательной цепочки среднеквадратичное напряжение шумов увеличивается пропорционально , в то время как максимальная величина отклика напряжения растет пропорционально числу N ячеек. Переход от одного интерферометра постоянного тока к последовательной цепочке интерферометров позволяет также увеличивать амплитуду выходного сигнала и выходной импеданс. Значительное увеличение динамического диапазона дает возможность эффективной работы без цепи обратной связи.

Недавно были предложены цепочки с нерегулярной структурой (с некратными площадями СКВИД-ячеек) - сверхпроводящие квантовые интерференционные фильтры (СКИФ) [7]. Отклик напряжения СКИФ на приложенное магнитное поле характеризуется одним большим пиком в области нулевого значения поля H, а все боковые пики оказываются подавленными вследствие интерференции сигналов от различных СКВИД-ячеек. Отметим, что в работах не учитывалось влияние фраунгоферовской зависимости I_C(H) в джозефсоновских переходах. Результаты измерений на постоянном токе подтвердили преимущество использования таких СКИФ-структур в качестве нуль детекторов магнитного поля [8]. Более того, результаты ряда последних работ (см.. например, [26]) свидетельствуют о том, что линейность отклика устройств на основе СКИФ-цепочек может быть существенно увеличена за счет структурной оптимизации и использования дифференциальных схем.

Таким образом, актуальность задач в области разработок и исследований новых типов джозефсоновских переходов на основе металлоксидных сверхпроводников и многоэлементных структур позволяет сформулировать основные цели данной работы.

Цель диссертационной работы.

· Разработка технологии изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/ M /YBa₂Cu₃O_7-x на основе эпитаксиальных сверхпроводящих металлоксидных плёнок YBa₂Cu₃O_7-х, где M - прослойка магнитоактивного материала из манганитов или антиферромагнитных купратов. Исследование электронного транспорта в полученных гетероструктурах в диапазоне температур 4,2-0,3 K.

· Совершенствование методов создания бикристаллических джозефсоновских переходов с высоким значением характерного напряжения и малым разбросом параметров в пределах одного чипа на основе технологии металлоксидных сверхпроводящих пленок (МОСП).

· Создание многоэлементных джозефсоновских структур, пригодных для реализации на их основе высокочувствительных приемных устройств гигагерцового диапазона частот.

· Исследование характеристик многоэлементных джозефсононовских структур на постоянном токе, а также высокочастотных характеристик в гигагерцовом диапазоне частот.

Научная новизна.

- Экспериментально показано, что в гибридных гетероструктурах с манганитной прослойкой толщиной 5 нм и более отсутствует сверхпроводящий ток во всем диапазоне рассмотренных температур 4,2-0,3 K, что, по всей вероятности, является следствием магнитного упорядочения в манганитной прослойке, которое возникает даже в отсутствие легирующего материала в пленке. В то же время, для гетероструктур с прослойкой из антиферромагнитных купратов при температуре T = 4,2 K критический ток наблюдался для толщин прослойки от 10 до 80 нм.

- Экспериментально показано соответствие критической частоты, определенной из электрофизических параметров, измеренных на постоянном токе, с частотой, определенной из динамических (СВЧ) параметров для созданных бикристаллических МОСП джозефсоновских переходов с наклоном базовых (a-b) плоскостей вокруг направления [100].

- Предложен новый режим работы многоэлементных джозефсоновских структур на основе тонкопленочных МОСП переходов, при котором вольт-полевая зависимость, V(H), определятся фраунгоферовской зависимостью критического тока от магнитного поля и эффектом фокусировки магнитного потока в джозефсоновских переходах.

Практическая значимость работы.

- Разработана методика изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/ M /YBa₂Cu₃O_7-x площадью от 1010 до 5050 мкм ² на основе эпитаксиальных сверхпроводящих металлоксидных плёнок YBa₂Cu₃O_7-х с магнитоактивной прослойкой (M) двух типов: (i) антиферромагнитный слоистый купрат Ca_1-xSr_xCuO₂ (x = 0,15 или 0,5) и (ii) манганит La_1-yCa_yMnO₃ (y = 0 и y = 0,3 - ферромагнитная и антиферромагнитная фазы соответственно). Предложенный тип джозефсоновских гетероструктур весьма перспективен для создания на их основе фазовых и потоковых кубитов - элементной базы квантового компьютера.

- Созданы бикристаллические джозефсоновские переходы с большим характеристическим напряжением и малым разбросом параметров на подложках, пригодных для высокочастотных применений, что делает их привлекательными элементами для применения в сверхпроводниковой электронике. Получены переходы с плотностью критического тока j_c=(25)*10⁵ A/см ², V_С=0,6-0,9 мВ при температуре T=77 K.

- Отработаны основные технологические этапы изготовления многоэлементных металлоксидных джозефсоновских структур на бикристаллических подложках из галлата неодима. Проведена оптимизация роста тонких эпитаксиальных с-ориентированных металлоксидных сверхпроводящих плёнок (МОСП) для получения на их основе высококачественных джозефсоновских структур.

- Разработана топология, созданы экспериментальные образцы многоэлементных бикристаллических джозефсоновских структур на основе с - ориентированных металлоксидных сверхпроводящих плёнок для построения на их базе высокочувствительных устройств СВЧ диапазона.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Разработана методика изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/ М /YBa₂Cu₃O_7-x площадью от 1010 до 5050 мкм ² на основе эпитаксиальных сверхпроводящих металлоксидных плёнок YBa₂Cu₃O_7-х с магнитоактивной прослойкой (M) двух типов: (i) антиферромагнитный слоистый купрат Ca_1-xSr_xCuO₂ (x = 0,15 или 0,5) и (ii) манганит La_1-yCa_yMnO₃ (y = 0 или 0,3). Разработана методика изготовления высокочастотных многоэлементных джозефсоновских структур на бикристаллических подложках из галлата неодима.

2) Экспериментально показано, что критическая частота бикристаллических МОСП джозефсоновских переходов с наклоном базовых (a-b) плоскостей вокруг направления [100], определенная из параметров, измеренных на постоянном токе (I_C - критический ток и R_N-нормальное сопротивление), совпадает с точностью до 7 % с частотой, определенной из СВЧ измерений.

3) Предложен и исследован новый режим работы цепочек, последовательно соединенных тонкопленочных МОСП СКВИДов с некратными площадями - СКИФов, при котором напряжение на цепочке определяется фраунгоферовской зависимостью критического тока от магнитного поля и эффектом фокусировки магнитного потока в бикристаллических переходах.

Апробация работы. Работы А.В. Шадрина докладывались на международных и российских конференциях: Applied Superconductivity Conference (ASC' 2007), International Superconductive Electronics Conference (ISEC' 2005), European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS' 2003, 2005), 1-ая и 3-я международная конференция по фундаментальным проблемам высокотемпературной сверхпроводимости (Звенигород, 2004, 2008), 34-е совещание по физике низких температур (Ростов на Дону, 2006), Euro-Asian Symposium Magnetism on a Nanoscale (Kazan, 2007), XII международный симпозиум, "Нанофизика и Наноэлектроника" (Н. Новгород, 2008), 16 International Symposium "Nanostructures: Physics and Technology" (Владивосток, 2008), "Quantum Dynamics in Dots and Junctions Coherent Solid State Systems" (Italy, 2008), The Eighth International Workshop on Low Temperature Electronics (Germany 2008), и публиковались в ведущих специализированных изданиях: Applied Physics Letters, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Письма в ЖТФ, ЖЭТФ, "Нелинейный мир". Всего по результатам работы подготовлено более 20 публикаций (статей и тезисов конференций). Список основных публикаций приведен ниже.

Вопросы авторства и публикация результатов. Основное содержание диссертационной работы отражено в 7 печатных работах.

В работе [A1] автор занимался совершенствованием технологии и изготовлением экспериментальных образцов.

В работах [A2, A3, A4] автором были изготовлены металлоксидные бикристаллические переходы на бикристаллических подложках с наклоном базовых плоскостей вокруг направления [100] МОСП с большим характеристическим напряжением и малым разбросом параметров на подложках, пригодных для высокочастотных применений.

В работе [A5] автором изготовлены многоэлементные джозефсоновские структуры на основе тонкопленочных МОСП переходов. Также автором были проведены измерения электрофизических и магнитных параметров созданных структур.

Созданная и оптимизированная автором технология изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/M/YBa₂Cu₃O_7-x на основе эпитаксиальных сверхпроводящих плёнок YBa₂Cu₃O_7-х с магнитоактивной прослойкой (M) описана в работе [A6].

В работе [A7] автором изготовлены многослойные многоэлементные джозефсоновские структуры с интегрированной линией задания сигнала. Проведены расчеты зависимости входного импеданса усилителя и коэффициента усиления в диапазоне частот 1-2 ГГц.

В публикациях конференций [А 8-А 23] авторское участие Шадрина А.В. полностью аналогично указанной выше авторской части в работах [А 1-А 7]. гетероструктура магнитоактивный металлоксидная джозефсононовская

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы и списка публикаций автора по теме диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование выбора темы диссертации, формулировка целей и задач, описание структуры диссертации.

Глава 1 является обзором литературы, в котором на примере YBa₂Cu₃O_7-х (YBCO) рассматриваются особенности джозефсоновских переходов из металлоксидных сверхпроводников, обусловленные их кристаллической структурой и существованием в них d-симметричной компоненты сверхпроводящего параметра порядка. Также рассматриваются вопросы создания и применения многоэлементных структур на основе джозефсоновских переходов, их преимущества и недостатки.

В разделе 1.1 описывается кристаллическая структура и фазовая диаграмма YBCO и их связь с его сверхпроводящими свойствами. Содержание кислорода в решетке YBCO, определяющее форму кристаллической решётки (тетрагональную или орторомбическую) и, как следствие, сверхпроводниковые свойства материала, зависят от условий получения [9, 10]. В процессе охлаждении образца от температур формирования до комнатной температуры происходит насыщение кислородом и переход из тетрагональной модификации в орторомбическую, являющуюся сверхпроводящей. Контроль содержания кислорода в пленке является важным этапом изготовления МОСП пленок. Подложки для эпитаксиального роста YBCO плёнок выбираются в соответствии с постоянными трансляции, которые должны быть близки или кратны постоянным решетки YBCO.

В разделе 1.2 рассмотрена s- и d-симметрия сверхпроводящего параметра порядка и ее влияние на свойства джозефсоновских переходов (ДП) на основе YBCO плёнок. d-симметрия сверхпроводящего параметра порядка в МОСП была подтверждена большим количеством экспериментальных результатов [11]. В YBCO реализуется комбинированная d+s симметрия параметра порядка [12], в результате чего, свойства ДП на основе YBCO значительно отличаются от свойств переходов на основе сверхпроводников с изотропным типом симметрии параметра порядка, т. е. s-сверхпроводников. Так, d-симметрия параметра порядка вызывает появление второй гармоники в ток-фазовой зависимости (ТФЗ), а связанные андреевские состояния, возникающие на границе d-сверхпроводника, дают дополнительный канал протекания тока [3, 13].

В разделе 1.3 рассматриваются способы формирования структур на основе МОСП. Рассматриваются однослойные и многослойные МОСП ДП.

Разделе 1.4 посвящён бикристаллическим ДП. Особенностью бикристаллической границы МОСП плёнки является её фасетированность за счёт зарастания МОСП пленки в ту или иную сторону от бикристаллической границы. Размер фасеток зависит от технологии формирования бикристаллической пленки и по порядку величины составляет 5-10 нм при лазерном напылении пленки, 40-80 нм при магнетронном напылении и 100-800 нм при катодного распыления в разряде постоянного тока при большом давлении кислорода [14]. В свою очередь неоднородность бикристаллической границы и d-симметрия параметра порядка определяют особенности поведения ток-фазовой зависимости (ТФЗ), а также вызывают значительный разброс параметров джозефсоновских переходов.

Раздел 1.5 посвящён особенностям ТФЗ ДП на основе МОСП. ТФЗ определяет динамические параметры ДП, такие как джозефсоновская индуктивность, СВЧ импеданс, спектральный состав собственной джозефсоновской генерации и т. д. В структурах на основе МОСП можно получать так называемые пи-контакты, которые характеризуются основным состоянием с разностю фаз:

₀ = р,

а ТФЗ выглядит следующим образом:

I_S() = I_csin( + р) [15, 16].

В разделе 1.6 рассматриваются применения структур на основе МОСП ДП в сверхпроводниковой электронике. Изложены результаты ранее проведённых исследований по использованию СКВИДа постоянного тока в качестве усилителя высокочастотных сигналов [17-19]. Приведены основные характеристики СКВИД-усилителей такие как передаточная характеристика СКВИДа по напряжению V и сигнального потока _i, определяющие выходное напряжение V₀; выражения для коэффициента усиления СКВИДа и шумовой температуры; динамический диапазон D верхняя граница которого определяется по уровню насыщения. Перспективными представляются МОСП СКВИДы постоянного тока за счёт более высокого значения характеристического напряжения по сравнению с ниобиевыми интерферометрами при Т = 4,2 К, что позволяет повысить рабочую частоту с сохранением высоких параметров.

В разделе 1.7 рассмотрены преимущества, связанные с использованием цепочек ДП и СКВИДов. Рассмотрены предложенные ранее [7, 8] непериодические цепочки сверхпроводящих квантовых интерферометров постоянного тока, так называемые СКИФы, отклик напряжения которых характеризуется единственным острым пиком в нуле магнитного потока. Представляется возможным синтезировать СКИФ-структуры, которые смогут обеспечить большой динамический диапазон [20]. В конце главы формулируются постановка задачи и цели диссертационной работы.

В Главе 2 описана технология изготовления планарных гибридных гетеропереходов (ГП) Nb/Au/M/YBCO с магнитоактивной прослойкой "M". Рассмотрена методика измерения электрофизических характеристик таких ГП.

Раздел 2.1 посвящён описанию методики лазерного распыления для роста эпитаксиальных сверхпроводящих плёнок YBCO. Представлены основные параметры роста эпитаксиальных плёнок. Рассмотрены параметры осаждения и морфология поверхности c-ориентированных YBCO плёнок, использовавшихся для изготовления ГП. Получены c-ориентированные плёнки YBCO с шероховатостью поверхности на уровне 4-5 нм и значениями температуры и ширины перехода в сверхпроводящее состояние T_C = 89 K и DT_C = 0.3 K соответственно.

Раздел 2.2 посвящён описанию технологии изготовления гибридных ГП Nb/Au/M/YBCO. Прослойка из магнитоактивного материала (M) формировалась из ферромагнитной пленки допированного манганита La_0.68Ca_0.32MnO₃ или антиферромагнитной пленки купрата Ca_0.5Sr_0.5CuO₂ или манганита LaMnO₃ толщиной 10-200 нм и осаждалась на поверхность YBCO без разрыва вакуума (in-situ) при температуре 760?С. Далее, после охлаждения до 100?С, на гетероструктуру M/YBCO in-situ осаждалась тонкая пленка Au толщиной 10-15 нм для предотвращения деградации поверхностного слоя вследствие диффузии (из него) кислорода и химического взаимодействия с атмосферой. Двухслойная пленочная структура Au/Nb, толщиной 20/200 нм, осаждалась на гетероструктуру Au/M/YBCO методами радиочастотного распыления и радиочастотного магнетронного распыления мишеней Au и Nb соответственно. Для формирования гибридных ГП использовалась оптическая фотолитография. Для травления Nb применялось плазмохимическое травление в смеси CF₄ и O₂. Травление пленок Au, YBCO и манганитной прослойки производилось ионно-лучевым травлением с низкой энергией ионов Ar+ 250 эВ и плотностью ионного тока 0.2 мА/см ², что уменьшало влияние ионной бомбардировки на поверхностный слой манганитной прослойки и YBCO пленки.

Раздел 2.3 посвящён описанию результатов измерений электрофизических характеристик, полученных гибридных ГП Nb/Au/M/YBCO. Для измерения электрофизических характеристик структуры использовались два контакта к верхнему электроду из Nb и два контакта к YBCO пленке. Измерения сопротивления магнитной прослойки и границы раздела Au/M проводились по 4-х точечной схеме. При этом были использованы данные предварительных измерений, согласно которым сопротивлениями пленок Au, Nb, M и границы раздела M/YBCO можно пренебречь [21, 22]. Используемая в измерениях He₃ система позволяла охлаждать образец до 0,3 К. Проводились измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) и зависимости дифференциального сопротивления от напряжения R_d(V). Измерения R_d(V) производились методом синхронного детектирования на частотах около 1 кГц.

В случае гетероструктур Nb/Au/M/YBCO с М-прослойкой как из допированного (ферромагнитного) манганита LCMO, так и недопированного (антиферромагнитного) манганита LMO, не было обнаружено сверхпроводящего состояния (критический ток равен нулю) во всем интервале использованных температур 4,2-0,3 К (см. рис. 1). В обоих случаях наблюдается слабая аномалия: пики проводимости при нулевом напряжении. Возможная причина появления пиков проводимости при нулевом напряжении - особенности плотности состояний структуры M/YBCO.

Изучение зависимости критического тока от магнитного поля I_C(H) в гетероструктурах с М-прослойкой из купрата CSCO выявило значительное уменьшение, более чем на порядок, величины внешнего магнитного поля H₁, при котором достигается первый минимума этой зависимости, по сравнению с S/N/S структурой Nb/Au/YBCO. Этот факт свидетельствует о существенном влиянии AF-слоя на механизмы транспорта тока в рассматриваемых гетероструктурах. Согласно [1] немонотонная зависимость I_C(H) с периодичностью, отличной от кванта магнитного потока в S-AF-S переходах, вызвана слабым изменением наклона магнитных моментов в ферромагнитных слоях под действием внешнего магнитного поля.



а) б)

Рис. 1. (а) - ВАХ и зависимость R_d(V) для гетероструктур Nb/Au/M/YBCO с М-прослойкой из допированного манганита LCMO, (б) - зависимость R_d(V) для гетероструктур с М-прослойкой из недопированного манганита LMO. Характеристики R_d(V) приведены для различных температур в диапазоне от 6 К до 0,3 K

В Главе 3 представлены результаты исследования электрофизических свойств ДП на основе металлоксидных сверхпроводящих пленок (МОСП), эпитаксиально сформированных на бикристаллических подложках. Описана технология изготовления МОСП структур и излагаются результаты измерений, как на постоянном токе, так и в диапазоне СВЧ.

В разделе 3.1 обсуждаются пути увеличения характеристического напряжения V_С. Это является крайне актуальной задачей, поскольку использование джозефсоновских переходов с высоким значением V_С позволяют существенно увеличить мощность насыщения и, следовательно, динамический диапазон СКВИДов и устройств на их основе в режиме работы без следящей обратной связи.

Раздел 3.2 посвящён описанию применения методики катодного распыления при высоком давлении кислорода для роста эпитаксиальных сверхпроводящих плёнок YBCO. Представлены основные параметры напылительной установки. Осаждение пленок производилось при давлении 2,9 мбар и температуре подложки 750-770 С. Плотность тока на мишени составляла около 15 мА/см ². По окончании осаждения пленки выполнялась процедура насыщения пленки кислородом: образец выдерживался 1-2 часа в протоке кислорода 20 см ³/мин. С помощью описанной методики были получены с-ориентированные сверхпроводящие плёнки с критической температурой T_C = 88-89 K и максимальной шероховатостью поверхности не более 6 нм при толщине пленки 150-200 нм. Описана методика формирования джозефсоновских структур с помощью оптической фотолитографии с последующим сухим травлением в ионном пучке (Ar+) либо жидкостным травлением в 0,5 % растворе брома (Br₂) в этаноле.

В разделе 3.3 описываются особенности планарных (с разориентацией осей базовых а-b плоскостей вокруг направления [001] металлоксидных сверхпроводящих пленок (МОСП)) и наклонных (с разориентацией с-осей, т.е. с разориентацией базовых а-b плоскостей вокруг направления [100] МОСП) бикристаллических переходов (планарных БП и наклонных БП). Для формирования базовой плоскости наклонных БП была выбрана плоскость подложки из галата неодима (110) NGO, на которой наблюдается рост пленки (001) YBa₂Cu₃O_x (YBCO) и выполняется условие эпитаксии [100] YBCO// [001] NGO. Основным преимуществом наклонных БП по сравнению с планарными БП является слабое фасетирование бикристаллической границы МОСП [23, 24].

В разделе 3.4 представлены результаты исследований электрофизических параметров наклонных БП. Были получены переходы с плотностью критического тока j_C = (25)10⁵ А/см ² и характеристическим напряжением V_С = I_CR_N = 0.6ё0.9 мВ при азотной температуре T = 77 K. Величина разброса критических токов I_C и характеристических напряжений V_C на одном чипе для наклонных БП оказалась меньше в 3 раза, чем для планарных БП, и составила 9 % и 15 % (для I_C и V_C соответственно).

В разделе 3.5 представлены результаты исследований динамических параметров наклонных БП. Для экспериментального определения возможного отклонения динамических параметров переходов от параметров, измеренных на постоянном токе, были исследованы ВАХ под влиянием монохроматического излучения частотой f_e = 56 ГГц (рис. 2). Экспериментально полученное максимального значение величины первой ступени, нормированной на критический ток, составило (I₁/I_С)_max= 0,46, в то время как теоретический расчет для соответствующего нормированного значения частоты воздействия f_e/f_С = 0,23 дает величину ступени (I₁/I_С)_max= 0,43. Сопоставление этих величин позволяет говорить о небольшом уменьшении (~ 7 %) эффективного значения критического тока в диапазоне СВЧ, вследствие неоднородного распределения протекающего тока.

В разделе 3.6 рассмотрены особенности наклонных асимметричных бикристаллических переходов (наклонных АБП). Одна из его рабочих поверхностей таких переходов имеет ориентацию YBa₂Cu₃O_7-х - (001)_, а другая разориентирована относительно (001) YBa₂Cu₃O_7-х на асимметричный бикристаллический угол г вокруг направления, лежащего в плоскости подложки. Проведены исследования электрофизических параметров наклонных АБП для нескольких значений бикристаллического угла г.

Рис. 2. Экспериментально полученные зависимости величины критического тока (квадраты) и высоты первой ступени Шапиро (заполненные кружки) на ВАХ от амплитуды внешнего воздействия с частотой f_e = 56 ГГц

Сплошные линии и пунктир - теоретические зависимости критического тока и первой ступени Шапиро от амплитуды (в единицах критического тока I_С) воздействия с нормированным значением частоты:

f_e/f_С = 0.23 f_С = 2eI_СR_N/h,

где I_С и R_N - величина критического тока и величина нормального сопротивления, измеренные на постоянном токе.

В Главе 4 представлены результаты исследований многоэлементных джозефсоновских структур и их электрофизических характеристик. Был предложен новый режим работы многоэлементных джозефсоновских структур на основе тонкопленочных МОСП (СКИФов), при котором выходное напряжение, V(H), определятся фраунгоферовской зависимостью критического тока от магнитного поля и эффектом фокусировки магнитного потока в джозефсоновских переходах.

В разделе 4.1 приведены преимущества использования многоэлементных джозефсоновских структур по сравнению с одиночными СКВИДами. Так, использование синхронно работающих цепочек ДП, в частности, изготовленных на основе МОСП значительно увеличивает динамический диапазон D. Влияние разброса параметров на характеристики прибора может быть уменьшено в цепочках СКВИДов (последовательных или параллельных) с некратными площадями петель - сверхпроводящих квантовых интерференционных фильтрах (СКИФ).

В разделе 4.2 приведены основные параметры многоэлементных джозефсоновских СКИФ-структур, изготовленных по методике, описанной в Главе 3.

В разделе 4.3 представлены результаты исследований электрофизических характеристик СКИФ-структур последовательного типа. Величина критического тока для СКИФа, состоящего из 20 последовательно соединённых СКВИДов, при нулевом магнитном поле составила I_C ? 600 мкА, а нормальное сопротивление R_N = 22 ?. Разброс критических токов ДП в цепочке СКИФа при нулевом магнитном поле по оценкам составил I/О_C = 30±10 %. По зависимости критического тока от приложенного магнитного поля I_C(H) была получена оценка индуктивности петли СКВИДа площадью S = 35 мкм ², которая составила L = (15±5) пГн. Было проведено сравнение вольт-полевых характеристик последовательной СКИФ-структуры, одиночного СКВИДа с площадью S_S = 5х 7 мкм ² = 35 мкм и цепочки из 20-ти одинаковых СКВИДов. В случае СКИФ-структуры интерференция откликов V_i(H) отдельных СКВИД-ячеек с разными размерами петель приводит к подавлению боковых пиков, сглаживанию склона основного пика фраунгоферовской зависимости, а также возникновению небольшого центрального пика на вершине фраунгоферовой зависимости при малых значениях H. В результате сглаживания склона фраунгоферовской зависимости возрастает амплитуда вольт-полевой зависимости СКИФ и увеличивается диапазон линейности крутизны отклика напряжения. Коэффициент преобразования магнитного потока в изменение напряжения на СКИФ-структурах (с числом ячеек N = 20) составил ?V/?Ц = 40 мВ/Ц₀, что значительно превосходит значение ?V/?Ц = 1 мВ/Ц₀, полученные для одиночного СКВИДа. В оптимальной рабочей точке I_b = 0,65 мА крутизна вольт-полевого преобразования составила 65 мВ/Гс. Экспериментально полученный вид зависимости V(H) полностью соответствует результатам численного моделирования данной структуры, которое было выполнено с помощью программного пакета PSCAN с учетом экспериментально определенных значения индуктивностей петель СКВИД-ячеек и фраунгоферового закона зависимости критических токов ДП от приложенного к ним магнитного потока.

В Главе 5 приведены результаты экспериментального исследования частотных и шумовых характеристик многоэлементных СКИФ-структур. Раздел 5.1 посвящён описанию особенностей топологии СКИФ-структуры для СВЧ измерений (рис. 3), а также описанию измерительной системы. Представлены результаты моделирования и предложена конструкция согласованной платы заведения и снятия сигнала, на которой разваривался чип со СКИФ-структурой.

Рис. 5.1 Топология СКИФ-структуры для СВЧ измерений. СКИФ состоит из 20-ти последовательно соединённых двухконтактных СКВИДов с распределением площадей в диапазоне от 35 до 700 мкм². Ширина бикристаллических джозефсоновсих переходов w = 10 мкм. На верхней вставке представлен в увеличенном виде фрагмент СВИФ-структуры. На нижней вставке приведена эквивалентная схема последовательной СКИФ-структуры, с заданием тока смещения I_B , и линией задания входного сигнала

В разделе 5.2 приведены результаты измерений частотных и шумовых зависимостей СКИФов. По полученным оценкам, возникновение широкополосного шумового сигнала на СКИФ-структуре вызвано процессом вольт-потокового преобразования. Оценочная величина чувствительности разработанной СКИФ-структуры в полной полосе измерительной системы составила Ф = 10^-4 Ф ₀. Эта величина соответствует приведенной чувствительности ~ 2*10^-6 Ф ₀/vГц. В этих оценках использовалась величина эффективной площади джозефсоновских переходов, полученная из экспериментально наблюдаемой вольт-полевой характеристики V(H). Амплитуда 1-й и 2-й гармоник выходного сигнала от СКИФ-структуры из 20 петель, при задании входного сигнала с частотой 900 Гц и смещения по току I_b/I_c = 1,1, имеет квазилинейную зависимость в диапазоне 60 дБ. Во всём диапазоне изменения амплитуды выходного сигнала величина наблюдающихся нелинейных искажений, измеряемая как отношение амплитуды второй гармоники к амплитуде основного тона, оставалась на уровне 1 %. Оценочная величина коэффициента усиления по мощности

для значений импеданса СВЧ источника R_s = 50 W, динамического сопротивления СКИФ-структуры R_d = 30 W, коэффициента взаимной индукции M = 2.4 10^-11 Гн, геометрическго коэффициента связи = 0,2 и экспериментально полученного коэффициента преобразования dV/dФ = 2·10¹³ с^-1, составила G = 20 дБ.

Раздел 5.3 посвящён обсуждению путей совершенствования топологии СКИФ-структуры, а также использованию дифференциальной схема включения двух последовательных или параллельных СКИФ-структур. Согласно результатам численного моделирования, использование дифференциальной схемы на основе параллельных СКИФ-структур со специально заданным законом распределения площадей ячеек позволяет получить высокую линейность отклика напряжения (до 100 дБ), при относительно небольшом числе ячеек (N ~ 30…40).

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработана методика изготовления гибридных гетероструктур Nb/Au/M/YBa₂Cu₃O₇ площадью от 1010 до 5050 мкм ² (Nb - металлический сверхпроводник) на основе эпитаксиальных сверхпроводящих металлоксидных плёнок YBa₂Cu₃O₇ с магнитоактивной прослойкой (M) двух типов: (i) антиферромагнитный слоистый купрат Ca_1-xSr_xCuO₂ (x = 0,15 или 0,5), (ii) манганит La_1-yCa_yMnO₃ (y = 0 и y = 0,3 - ферромагнитная и антиферромагнитная фаза соответственно). Экспериментально показано, что в гибридных гетероструктурах с манганитной прослойкой толщиной 5 нм и более отсутствует сверхпроводящий ток во всем диапазоне рассмотренных температур 4,2-0,3 K, что, по всей вероятности, является следствием магнитного упорядочения в манганитной прослойке, которое возникает даже в отсутствие легирующего материала в пленке. В то же время, для гетероструктур с прослойкой из антиферромагнитных купратов при температуре 4,2 K критический ток наблюдался для всех толщин прослойки от 10 до 80 нм. При гелиевых температурах в гетероструктурах с купратной прослойкой толщиной 20 нм наблюдался сверхпроводящий ток с максимальной плотностью тока 300 А/см ².

2. Разработана технология изготовления сверхпроводящих металлоксидных многоэлементных структур на бикристаллических подложках из галлата неодима. Проведена оптимизация роста тонких эпитаксиальных с-ориентированных сверхпроводящих металлоксидных плёнок (МОСП), осаждаемых методом катодного распыления на постоянном токе из стехиометрической мишени.

3. Созданы и исследованы джозефсоновские бикристаллические переходы (БП) нового типа, с наклоном базовых (a-b) плоскостей вокруг направления [100], значительно превосходящие по своим характеристикам традиционные БП с разориентацией осей в базовой плоскости a-b. Получены БП с большим характеристическим напряжением V_С, достигающем величины 0,6-0,9 мВ, плотность критического тока j_c = (25)*10⁵ A/см ^2, при азотной температуре T = 77 K. Экспериментально показано, что критическая частота бикристаллических переходов, определенная из параметров, измеренных на постоянном токе: критического тока I_c и нормального сопротивления R_N, совпадает с точностью до 7 % с частотой, определенной из СВЧ измерений.

4. Предложен и исследован новый режим работы цепочек, последовательно соединенных тонкопленочных МОСП СКВИДов с некратными площадями - СКИФов, при котором выходное напряжение на цепочке, V(H), определяется фраунгоферовской зависимостью критического тока от магнитного поля и эффектом фокусировки магнитного потока в бикристаллических переходах.

5. Разработана топология чипа с многоэлементной СКИФ-структурой и согласующей платы задания входного СВЧ сигнала и снятия выходного сигнала для изучения воздействия и усиления слабых сигналов СВЧ диапазона. На основе полученных экспериментальных данных рассчитан коэффициент усиления, полоса и центральная частота, сделана оценка динамического диапазона СВЧ усилителя на основе СКИФ-структуры. Предложены пути дальнейшего совершенствования топологии таких структур за счет использования дифференциальной схемы включения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

[A1] Н.В. Кленов, К. Корнев, И.И. Соловьев, А.В. Шадрин, И.В. Борисенко, К.И. Константинян, Г.А. Овсянников. "Нетривиальная ток-фазовая зависимость в джозефсоновских переходах из анизотропных сверхпроводников: механизмы и применение". Нелинейный мир, т.3, N1-2, 75-91 (2005).

[A2] I.V. Borisenko, I.M. Kotelyanski, P.V. Komissinski, A.V. Shadrin, G.A. Ovsyannikov "Characterization and Dynamics of [100] tilted YBCO bicrystal junctions on NdGaO₃" IEEE Tr. On Appl. Superconductivity, v.15, N2, p.165-168 (2005).

[A3] И.М. Котелянский, И.В. Борисенко, А.В. Шадрин, Г.А. Овсянников, В.А. Лузанов, Ф.В. Комиссинский "Металлоксидные бикриcталлические джозефсовские переходы нового типа с высокими критическими параметрами". Письма в ЖТФ, т.31, N5 c.22-29 (2005).

[A4] И.В. Борисенко, А.В. Шадрин, Г.А. Овсянников, И.М. Котелянский, Ф.В. Комиссинский. Джозефсоновские параметры бикристаллических переходов нового типа из металлоксидных сверхпроводников. Письма в ЖТФ, т.31, N8, 38-46 (2005).

[A5] А.В. Шадрин, К.И. Константинян, Г.А. Овсянников "Квантовые интерференционные фильтры на оксидных сверхпроводниковых переходах для высокочастотных применений.", Письма в ЖТФ, т.33, вып 5, 17-24 (2007).

[A6] Ю.В. Кислинский, К.И. Константиня, Г.А. Овсяников, Ф.В. Комисинский, И.В. Борисенко, А.В. Шадрин "Магнитозависящий сверхпроводящий транспорт в оксидных гетероструктурах с антиферромагнитной прослойкой" ЖЭТФ, т. 133, с. 914-920 (2008).

[A7] A.V. Shadrin, K.Y. Constantinian, G.A. Ovsyannikov, S.V. Shitov, I.I. Soloviev, V.K. Kornev, J. Mygind. "Fraunhofer Regime of Operation for Superconducting Quantum Interference Filters" Appl. Phys. Lett. v.93, 262503 (2008).

[A8] G.A. Ovsyannikov, I.V. Borisenko, I.M. Kotelyanski, A.V. Shadrin, P.V. Komissinski,. Josephson dynamics of [100] tilted YBCO bicrystal junctions on NdGaO₃ European Applied Superconductivity Conference (EUCAS'03), Italy, Abstract p.167 (2003).

[A9] А.В. Шадрин, И.В. Борисенко, Г.А. Овсянников, И.М. Котелянский, Ф.В. Комиссинский " Металлоксидные сверхповодящие джозефсоновские переходы с высокими критическими параметрами". 1-ая международная конференция по фундаментальным проблемам высотемпературной сверхпроводимости, Звенигород, Россия (2004).

[A10] N.V. Klenov, V.K. Kornev, G.A. Ovsyannikov, A.V. Shadrin and N.F. Pedersen, "The energy level splitting for unharmonic dc SQUID", Extended Abstracts, Int. Supercond. Electronics Conf. (ISEC'05), Vienna (2005).

[A11] N.V. Klenov, V.K. Kornev, N. Pedersen, G.A. Ovsyannikov, Anton Shadrin, "The unharmonic dc SQUID energy level splitting", Abstracts of European Conf. on Applied Superconductivity (EUCAS'05) (2005).

[A12] А.В. Шадрин, К.И. Константинян, Г.А. Овсянников "Квантовые интерференционнные фильтры на оксидных сверхпроводниковых переходах для высочастотных применений" 34-е совещание по физике низких температур, Ростов на Дону, т.2 с. 236-237 (2006).

[A13] G.A. Ovsyannikov, P.V. Komissinskiy, Y.V. Kislinskii, I.V. Borisenko, K.Y. Constantian, A.V. Shadrin, "Josephson effect in hybrid oxide heterostructures with antiferromagnetic interlayer", Euro-Asian Symposium Magnetism on a Nanoscale, Kazan, Russia, Abstract book, p.142 (2007).

[A14] Y.V. Kiskinskii, I.V. Borisenko, K.Y. Constantinian, P.V. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, A.V. Shadrin, "Magnetic field behavior of superconducting heterostructures with antiferromagnetic layer", Euro-Asian Symposium Magnetism on a Nanoscale, Kazan, Russia, Abstract book, p.165 (2007).

[A15] A.V. Shadrin, K.I. Constantinian, G.A. Ovsyannikov, V.K. Kornev, J. Mygind "Microwave Dynamics and Noise of HTS Serial SQIF", European conference on Applied Superconductivity, Brussels, Belgium (2007).

[A16] Y.V. Kislinskii, I.V. Borisenko, K.Y. Constantinian, P.V. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, A.V. Shadrin "Superconductor - magnetically active layer - superconductor thin film structures", Moscow International Symposium of Magnetism (MISM), Book of Abstracts, p. 418-419 (2008).

[A17] A.V. Shadrin, K.Y. Constantinian, G.A. Ovsyannikov, I.I. Soloviev, V.K. Kornev, Jesper Mygind "HTS Superconducting Quantum Interference Filters for Microwave Signal Processing", 8-th International Workshop on Low Temperature Electronics (WOLTE-8), Book of Extended Abstracts, p. 73 (2008).

[A18] Ю.В. Кислинский, Г.А. Овсянников, Ф.В. Комиссинский, К.И. Константинян, А.В. Шадрин, И.В. Борисенко, А.В. Зайцев. "Аномальный эффект близости в сверхпроводниковых оксидных гетероструктурах с магнитоактивной прослойкой". XII международный симпозиум, "Нанофизика и Наноэлектроника", Н. Новгород, материалы, изд. Института физики микроструктур, стр 57-59 (2008).

[A19] Y.V. Kislinskii, I.V. Borisenko, K.Y. Constantinian, P.V. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov and A.V. Shadrin. "Millimeter wave dynamics of Josephson junctions with antiferromagnetic layer". 16 international symposium "Nanostructures: physics and technology", Vladivostok, proceedings, published by Ioffe physico-technical Institute, St. Petersburg, p. 7-8 (2008).

[A20] Y.V. Kislinskii, G,A. Ovsyannikov, P.V. Komissinskiy, K.Y. Constantinian, A.V. Shadrin, I.V. Borisenko. "Electron transport in oxide superconducting heterostructures with manganite interlayers". Третья международная конференция "фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости", Звенигород. Сборник трудов: издание ФИАН им. Лебедева, стр. 88-89 (2008).

[A21] K.Y. Constantinian, G.A. Ovsyannikov, P.V. Komissinsiy, Y.V. Kislinskii, A.V. Shadrin, and J. Mygind. "Magnetic field impact on microwave dynamics in Josephson junctions with an antiferromagnetic interlayer". "Quantum Dynamics in Dots and Junctions Coherent Solid State Systems", Lago di Garda, Italy, Program brochure p. 71 (2008).

[A22] G.A. Ovsyannikov, K.Y. Constantinian, Y.V. Kislinski, A.V. Shadrin, P.V. Komissinski, A.V. Zaitsev, V.V. Demidov, I.V. Borisenko, and D. Winkler. "Quasiparticle and superconducting transport in hybrid oxide superconducting heterostructure with magnetic interlayer". "Quantum Dynamics in Dots and Junctions Coherent Solid State Systems", Lago di Garda, Italy, Program brochure p. 89 (2008).

[A23] A.V. Shadrin, K.Y. Constantinian, G.A. Ovsyannikov, I.I. Soloviev, V.K. Kornev, J. Mygind "HTS Superconducting Quantum Interference Filters for Microwave Signal Processing" The Eighth International Workshop on Low Temperature Electronics, June 22-25, Jena/Gabelbach, Germany (2008).

Список цитируемой литературы:

1. L.P. Gorkov, V.Z. Kresin, Physica C, 367, 103 (2002).

2. I. Bozovic, G. Logvenov, M. A.J. Verhoeven, et al., Phys. Rev. Lett., 93, 157002-1 (2004).

3. H.H. Hilgenkamp, J. Mannhart, Rev. Mod. Phys., 74, 485 (2002).

4. M. Muck, C. Welzel, J. Clarke Appl. Phys. Lett, 82, 3266 (2003).

5. R. Bradley, J. Clarke, D. Kinion, et al., Rev. Mod. Phys, 75, 777 (2003).

6. A.A. Clerk Phys.Rev.Lett., 96, 056801 (2006).

7. J. Oppenlaender, Ch. Haeussler, and N. Schopohl, Phys. Rev. B, 63, 024511-1 (2001).

8. V. Schultze, R.I. Jsselsteijn, H. -G. Meyer, J. Oppenlдnder, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 13, 775 (2003).

9. И.Э. Грабой, А.Р. Кауль, Ю.Г. Метлин, "Химия твёрдого тела" 6, 3 (1986).

10. Г.А. Овсянников, И.В. Борисенко, К.И. Константинян, и др., Письма в ЖТФ, 25, 65 (1999).

11. C.C. Tsuei and J.R. Kirtley, Rev. Mod. Phys. 72, 969 (2000).

12. J.R. Kirtley, C.C. Tsuei, A. Ariando, et al., Nature physics, 2, 190, (2006).

13. T. Lofwander, V.S. Shumeiko, G. Wendin, Superconductor Science and Technology, 14, R53-R77 (2001).

14. Z.G. Ivanov, E.A. Stepantsov,. T. Claeson et al., Phys. Rev., B57, 602 (1998).

15. C.C. Tsuei, J. R. Kirtley, C.C. Chi, Phys. Rev. Lett., 73, 593 (1994).

16. D.A. Wollman, D.J. Van Harlingen, W.C. Lee, et al., Phys. Rev. Lett., 71, 2134 (1993).

17. C. Hilbert and J. Clarke, Appl. Phys. Lett., 43(7), 694 (1983).

...