Диссертация (Многощелевая сверхпроводимость допированных купратов), страница 6

Астатическимсистемам, однако, свойственны динамические ошибки, которые могут быть оченьвелики при быстром изменении контролируемого параметра (в динамическом режимеинтеграл должен быстро меняться во времени).Нам удалось полностью исключить и динамическую ошибку при записи dI(V)/dV– кривых, переведя нашу систему в квазистатический режим. Было использованоестественное свойство нашей системы - ее дискретность. Как уже отмечалось,смещение на туннельный контакт подается с одного из ЦАПов, который питаетсявнутренним постоянным напряжением. Напряжение на контакте, таким образом,можно менять только дискретно (если не применять специальных фильтров). В нашей36программе во время измерения динамической проводимости напряжение смещения наобразце фокусируется, измерение очередной точки происходит, таким образом, прификсированной динамической проводимости контакта, а переход к следующей рабочейточке разрешается только после записи предыдущего измерения в массив.Измерительный цикл программы, длящийся 30 мс, можно разделить на триосновных этапа.

На первом этапе производятся только операции, формирующиеуправляющий сигнал и связанные с балансировкой цифрового моста (элементарныйуправляющий цикл длится примерно 500 мксек). За это время напряжение напотенциальных контактах туннельного перехода успевает остановиться. На второмэтапе к управляющим операциям добавляется цикл для определения усредненногонапряжения смещения на образце, (усреднение позволяет исключить ошибки,связанные с присутствием на потенциальных контактах туннельного переходамодуляционного напряжения и напряжения наводок). После получения усредненногозначения напряжения смещения происходит переход к заключительному этапу, вкоторомкоперациямуправлениядобавляютсяоперациисамотестирования:проверяется величина сигнала ошибки (сигнала разбаланса моста) и его перваяпроизводная в реальном времени.

В случае, когда сигнал ошибки и его перваяпроизводная оказываются меньше установленных в программе значений (близких кнулю), дается разрешение на запись в массив величины усредненного смещения наобразце,атакжеинтегральнойкомпонентыуправляющегокода(КРМ)dt,пропорциональной динамической проводимости туннельного контакта dI(V)/dV встатическом режиме. Только после этого устанавливается новое смещение на образце иизмерительный цикл повторяется.При подключении параллельно диодной сборке омического сопротивленияdI(V)/dV – характеристика пробного образца смещается вверх по шкале проводимости37строго параллельно, что является большим практическим преимуществом системзаписи динамической проводимости (по сравнению с системами записи динамическогосопротивления).Измерения температуры были также автоматизированы. В качестве датчикаиспользовался германиевый резистор, калибровочная кривая которого, предварительноразбитая по всему температурному диапазону на пять частей, была аппроксимированаэкспоненциальными функциями, с помощью которых компьютер, определяя величинусопротивления датчика, ставил в соответствие определенное значение температуры.Для определения сопротивления германиевого резистора использовалась схемастандартного включения датчика и эталонного сопротивления, в которой былизадействованы два канала АЦП и один ЦАП многофункционального устройства.

Былиприменены режимы минимизации и коммутации тока, а также режим многократногоизмерения, в результате чего удалось минимизировать влияние внешних ЭДС и эффектсаморазогрева датчика. Работоспособность системы была проверена на реперныхточках.38§ 2.2 Приготовление контактов на микротрещине в ВТСП монокристаллах иполикристаллических образцахДеградация поверхностного слоя ВТСП является одной из трудностей,возникающихприисследованиисверхпроводящихслоистыхкупратов.Деградированный слой полностью или частично теряет сверхпроводящие свойства, чтосильно затрудняет исследование свойств объемной сверхпроводимости. Если длинакогерентности сверхпроводника ζ окажется меньше толщины деградированногоповерхностного слоя, то протуннелировавшие через такую поверхность частицы уже небудут нести информацию об объемных свойствах сверхпроводника.

Один из способоврешения этой проблемы заключается в использовании естественного барьерашотковского типа, возникающего на поверхности криогенного скола в контакте намикротрещине (“break junction”), что гарантирует наивысшее качество поверхности посравнению с другими способами изготовления туннельных контактов.

Уникальнымдостоинством контакта на микротрещине является возможность его регулировки впроцессе эксперимента при низких температурах, что позволяет сравнительно легкопереводить контакт из туннельного режима (джозефсоновская спектроскопия,туннельная и внутренняя туннельная спектроскопия) в микроконтактный режим(андреевская спектроскопия). Последнее дает возможность получить разностороннююинформацию о сверхпроводящих параметрах исследуемого материала в одномэксперименте.Микротрещина в кристаллах создавалась при изгибной деформации столика собразцом с помощью микрометрического винта при гелиевой температуре, какпоказано на рис. рис. 2.3.

Токовые и потенциальные контакты на образцах создавалисьс помощью жидкого In - Ga припоя. В контактах на микротрещине туннельная39структура реализуется при механическом контакте двух криогенных сколов – в местеразлома образца, как показано в нижней части рис. 2.3.Поликристаллы HgBa2Can-1CunO2n+2+δ с n = 1, 2 и 3 синтезировались нахимическом факультете МГУ [51,52], и приготавливались в виде таблеток. Таблеткиразрезались на образцы прямоугольной (0.3x0.7x2.0 мм3) с помощью алмазнойпроволочной пилы фирмы MTI, которые затем монтировались на специальноподготовленную подложку из фольгированного гетинакса.

Фольга подложки разрезанана четыре прямоугольника, служащих электрическими контактными площадками.Короткий разрез в фольге подложки выполнен относительно глубоким и служитконцентратором механических напряжений. В углах к контактным площадкамприпаяны проводники: два токовых и два потенциальных.

Образец монтируетсяпосередине подложки. Электрическое соединение образца с контактами подложкиосуществляется жидким при комнатной температуре индий - галлиевым припоем. Этомягкое при комнатной температуре соединение предохраняет образец от поломки принеизбежных деформациях подложки в процессе монтажа. Застывая при охлаждении, InGa припой крепко удерживает образец в нужном месте площадки.Подложка предварительно приклеивалась к П-образной латунной пружинетолщиной 0.2 мм. При нажиме на пружину с обратной стороны концоммикрометрического винта подложка прогибалась вдоль концентратора напряжений, акрепко удерживаемый застывшим In-Ga припоем образец ломался именно надконцентратором.Генерациятрещиныипоследующаярегулировкаплощадиконтактапроизводились в жидком гелии, а берега контакта при этом не разводились на большоерасстояние.Темсамымисключалосьвоздействиегелиянаповерхность40сверхпроводника.

Примеры резистивных переходов R(T) у исследованных образцовHgBa2Can-1CunO2n+2+δ приведены на рис. 2.4 – рис. 2.6.Рис. 2.3. Схематическое изображение устройства для создания разлома и туннельногоили андреевского контакта в монокристаллах сверхпроводников при гелиевойтемпературе.41Рис. 2.4. Резистивный переход у исследованного в настоящей работе образца AN1фазыHg-1201 (Tc = 94 K).

R- красные кружки, dR/dT – синие точки.Рис. 2.5. Резистивный переход у исследованного в настоящей работе образца фазыHg-1212 (Tc1 = 110,6 K, Tc2 = 120,5 K). R- красные кружки, dR/dT – синие точки.42Рис. 2.6. Резистивный переход у исследованного в настоящей работе образца A52 фазыHg-1223 (Tc=124 K). R- красные кружки, dR/dT – синие точки.§ 2.3 ОбразцыВ диссертационной работе исследовались купраты HgBa2Can-1CunO2n+2+δ:однослоевой ртутный купрат Hg-1201, двухслоевой ртутный купрат Hg-1212 итрехслоевой ртутный купрат Hg-1223 и слоистые купраты сверхпроводниковBi2Sr2Can-1CunO2n+4+, YBa2Cu3O7-x, Tl2Ba2Can-1CunO2n+4+ с помощью андреевской итуннельной спектроскопии.Таблетки поликристаллов HgBa2Can-1CunO2n+2+δ с n = 1, 2 и 3 синтезировались нахимическомфакультетеМГУ[51-53].Монокристаллыиполикристаллы43Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+ синтезировались в университете Humboldt (Берлин) и МГУ[54,55].В таблицах 2.1, 2.2 и.2.3 приведены характеристики исследованных образцов иих некоторые параметры.

Все изученные контакты в образцах Hg-1201, Hg-1212,Hg-1223, Bi-2201, Bi-2212, Bi-2223, Tl-2212 и Tl-2223 [58] должны рассматриваться какнаноконтакты в баллистическом режиме шарвиновского типа. Это будет понятно вдальнейшем из результатов, приведенных в следующих главах.На рис. 2.7 приведены различные типы металлических контактов.

Длямакроскопического металлического контакта выполняется закон Ома – сопротивлениеR линейно зависит от длины L и удельного сопротивления :R  L / S(2.1)Для классического точечного контакта (максвелловское сопротивление RM),когда радиус контакта а существенно больше длины свободного пробега электрона l –а>>l:RM   / 2a(2.2)Для баллистического (l>>a) точечного контакта шарвинского типа [59] сопротивлениеравно [57-60]RS  (4 / 3)(l / a 2 ) ,(2.3)где  - объемное удельное сопротивление металла, a2 – площадь сечения контакта.44Рис. 2.7. Различные типы металлических точечных контактов: a) классическийточечный контакт (а >> l), b) баллистический контакт Шарвина (l >>а), c) квантовыйточечный контакт (a~F) [57-60].Так как произведение l практически не зависит от температуры, сопротивлениеШарвина RS определяется только размером прокола.

В нормальных металлахl10 Ом∙м2, и для реализации баллистического режима радиус контакта долженсоставлять величину менее 50 нм. Из формулы Шарвина следует соотношение,связывающее радиус контакта с его сопротивлениема[нм]RS[Ом]  400.(2.4)ВАХ большинства таких контактов содержит от 5 до 7 андреевскихособенностей. Для однощелевых сверхпроводников величина щели определена сдостаточной точностью из линейной зависимости Vn(1/n) и приведена в табл. 2.1 табл. 2.3). Результаты настоящего исследования для однощелевых (n=1) и двухщелевых(n=2) купратов находятся в хорошем согласии с данными других авторов (смотри,например, [26] и таблицу 1). Из-за слоистой структуры купратов транспортный токчерез наноступеньки на поверхности криогенного скола направлен в основном вдоль45c-оси.

Измерена максимальная величина щели max как для туннельного, так и дляандреевского режима.Таблица 2.1. Сверхпроводящие параметры HgBa2Can-1CunO2n+2+δn = 1, 2, 3),полученные в настоящем исследовании. Для сравнения приведены данные публикаций[26,61].образец, meVТС, К2/kTCисточникHg – 1201, поликристаллические образцыAN1D1194266.4HG120193266.5настоящееисследование[26]Hg – 1212, поликристаллические образцыPCD01A120336.4настоящееисследованиеHg – 1223, поликристаллические образцыA52D10124OP = 49 meVIP = 12 meV2OP/kTC = 9.22IP/kTC = 2.25настоящееисследованиеHG1223132OP = 37.8 meVIP = 55.9 meV2OP/kTC = 6.62IP/kTC = 9.8[61]Таблица 2.2 Сверхпроводящие параметры Bi2Sr2Can-1CunO2n+4+n = 1, 2, 3),полученные в настоящем исследовании.образецТС, К, meV2/kTCисточник10,4настоящееисследование7.1настоящееисследованиеBi – 2201, монокристаллыK3D,передопированный177,6Bi – 2212, монокристаллыKA3A.недодопированный7824Bi– 2223, поликристаллические образцыTEO2,недодопированный104OP = 42 meVIP = 5.7 meV2OP/kTC = 9.42IP/kTC = 1.3настоящееисследование46Таблица 2.3 Сверхпроводящие параметры Tl2Ba2Can-1CunO2n+4+n = 2, 3), полученныев настоящем исследовании.образецТС, К, meV2/kTCисточникTl – 2212, поликристаллические образцыоптимальнодопированный105357.7настоящееисследованиеTl– 2223, поликристаллические образцыоптимальнодопированный118OP1 = 50 meVOP2 = 45 meVIP = 5.5 meV2OP1/kTC = 9.82OP2/kTC = 8.82IP/kTC = 1.1настоящееисследование47§ 2.4 Многократные андреевские отражения в SnS контактах шарвинского типаКачественный характер вольт-амперных характеристик (ВАХ) нормальныйметалл-сверхпроводник(N-S)N-S-интерфейсовможнопонятьизследующихфизических аргументов.