Экспериментальные исследования токовых состояний низкоразмерных сверхпроводников (1097964), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Рентгенографические исследованияэтих микропроводов показали, что они состоят из крупно гранулированныхполикристаллов с длиной свободного пробега электрона порядка диаметраобразца. Методика роста и основные физико-химические свойства нитевидныхмонокристаллов подробно освещались [2]. В отличии от микропроводов,вискеры – практически идеальные монокристаллы.Однако "ручное"изготовление микроструктур на базе вискеров является исключительнотрудоемким процессом с крайне низким выходом "рабочих" образцов.Авторомбыларазработанановаяметодикаполучениягибридныхмикроструктур.
"Телом" образца являлся оловянный вискер, а контактыизготовлялисьметодомэлектронно-лучевойлитографиипослепредварительной планаризации струкутуры жидким SOG-полимером (spin-onglass) и плазмо-химической чистки (Рис.1А) [3].Методвзрывнойэлектронно-лучевойлитографиипозволяетвоспроизводимое изготовление структур с минимальным размером порядка 20нм. Более тонкое разрешение связано с серьезными технологическимитрудностями, многие из которых до сих пор не разрешены. Для полученияобразцов сверхмалых размеров, вплоть до суб-10 нм, автором был разработан[4] и запатентован [5]метод уменьшения размеров наноструктур при помощифизического травления направленным ионным пучком инертного газа (Рис.1Б).Методика дает возможность исследовать развитие некого размерного эффекта14на одном и том же образце последовательно стравливая поверхность с шагомдо 1 нм.
Метод является практически не разрушающим: при ускоряющихнапряжениях порядка 1 кэВ глубина проникновения ионов аргона в матрицуметалла не превосходит 2 нм, что сравнимо с типичной толщиной окисногослоя на поверхности. В настоящей работе качество всех образцов проверялосьоптическим и электронным растровым микроскопами, и в большинстве случаев-дополнительно-сканирующимсиловыммикроскопом(Рис.1).Гальваномагнитные измерения проводились только на тех структурах, которыене обнаруживали очевидных дефектов.Рис. 1. (А) Электронная микрофотография гибридной микроструктуры наподложке из оксидированного кремния, покрытого SOG-полимером (spin-onglass).
Яркая горизонтальная полоса - оловянный нитевидный монокристалл(вискер). Литографически изготовленные медные контакты имеют типичнуюширину 500 нм и толщину 200 нм [3]. (Б) Низкоэнергетическое ионноетравление. Результат измерения сканирующим силовым микроскопомалюминиевой нанополоски на кремниевой подложке после нескольких цикловтравления. Горизонтальная плоскость соответствует начальному положениюповерхности кремния, яркие цвета выше - металл, темные ниже - кремний.Следует обратить внимание не только на уменьшение размеровметаллической наноструктуры, но - и на полировку поверхности [4].Для исследования использовалось три типа криогенных систем.
В первойсистеме откачкой паров 4He внутреннего криостата диффузионным насосомудавалось охладиться до температуры 0.95 К при стабильности δΤ∼0.1 мК,достигаемой при помощи электронного маностата и ПИД контроллера. Втораясистема – самодельный рефрижератор растворения153He4He с минимальнодостижимой температурой ∼50 мК – использовался для быстрого тестированияобразцов. Основные измерения (при сверхнизких температурах) проводились врефрижераторе растворения 3He4He Oxford Instruments Kelvinox400 с базовойтемпературой 8 мК. Криостат был смонтирован в экранированной комнате надемпфирующих подставках, снижающих уровень механических вибраций.Вспомогательная электроника и насосы находились в смежной комнате.
Всевакуумныелиниибылимеханическииэлектрическиразвязанысрефрижератором.Дляизмеренияиспользоваласьуглубленномгальваномагнитныхдостаточноописании.стандартнаяОднакохарактеристикметодика,спецификойнеV(T,I,B)нуждающаясяисследованиямикро-винаноструктур при низких и сверхнизких температурах является повышеннаячувствительность к помехам.
Поэтому в работе особое внимание уделялосьподавлению электромагнитных шумов. Внутри экранированной комнатынаходилисьтолькозапитываемыеотбатарейпредусилители,ивсевходящие/выходящие линии проходили через многоступенчатую систему RLCфильтров. С использованием указанной системы фильтрации эффективнаяэлектронная температура Τe составляла от 30 мК до 45 мК на уровне фононнойтемпературы ∼20 мК, что является вполне достойным результатом, неуступающим лучшим мировым аналогам.В Главе 2 приводятся результаты исследования индуцированного токомнеравновесного состояния квазиодномерных сверхпроводящих каналов.Уже на самых ранних этапах исследования сверхпроводимости былообнаружено, что в макроскопических образцах разрушение бездиссипативногосостояния током, превышающим критическое значение Ic, происходит за счетрезкого перехода в нормальное состояние.
Процесс описывается модельюлавинообразного распространения "горячего" домена нормальной фазы,зарождающегося на поверхности образца в тонком токонесущем слое порядкаглубины проникновения магнитного поля λL(T). Однако эта модель несправедливадляквазиодномерныхсистем16схарактернымдиаметромdeff=√σ≲min[λL(T),ξ(T)], где σ - площадь сечения провода. В этом случаесуществует только один канал протекания сверхтока, и, соответственно,сверхпроводящая и нормальная фазы не могут сосуществовать "поперек"образца.В данном разделе диссертации исследовались гальваномагнитныехарактеристики гибридных микроструктур на базе оловянных вискеров идлинных монокристаллических микропроводов в стеклянной оболочке. Дляпервогоклассарезультаты,(коротких)полученныеструктурнанаиболеенизкоомныхинтереснымиобразцахсоказалиськонтактнымсопротивлением порядка 1 Ом.
Независимо от материала контактов (золото илимедь), у этих образцов на R(T) зависимостях обнаруживается четкаяступенчатая структура, и сопротивление не достигает нулевого значения дажепри температурах существенно ниже критической (Рис. 2, левая панель) [3].Следует отметить, что наблюдаются действительно ступеньки сопротивления, а- не напряжения: в пределах экспериментальных погрешностей R(T)зависимости, измеренные на различных токах - совпадают (вставка к левойпанели на Рис. 2).
Необходимо сразу заметить, что речь идет о весьма малых, вабсолютном масштабе, величинах сопротивления - на несколько порядковменьших квантового RQ=h/(2e)²=6.47 кОм. Приложение слабого магнитногополя H≪Hc(0) лишь слегка сдвигает высокотемпературную часть R(T)перехода, оставляя ступенчатую структуру при низких температурах практически без изменений.
Аналогичные ступенчатые R(T) зависимостисообщались и ранее [6]. Однако, несмотря на более чем 40-летнюю историюнаблюдения – эффект до сих пор не имеет общепринятого объяснения. Внастоящей работе было обращено внимание, что ступенчатые R(T) зависимостинаблюдается исключительно в системах с электродами из нормальныхметаллов и низким контактным сопротивлением. Из сказанного разумнопредположить, что их происхождение может быть неким образом связано сэффектом близости.17При температурах, достаточно близких к критической |T-Tc|≲ 30 мК, наВАХ квазиодномерных монокристаллических сверхпроводников наблюдаетсячеткая ступенчатая структура (Рис. 2, правая панель).
Подобные ВАХисследовались и ранее на коротких сверхпроводящих нитевидных кристаллах(вискерах) и микромостиках [6, 7]. Эффект объясняется процессом активации,так называемых, центров проскальзывания фазы (ЦПФ), индуцированныхсильным током.Рис 2. Левая панель: сверхпроводящий переход V(T), измеренный напеременном токе I= 10 мкА, участка с длиной L=6 мкм монокристаллическогообразца на базе оловянного вискера с литографически изготовленнымимедными наноконтактами (Рис.
1А). Стрелками показаны направления снятияV(T) зависимостей. Небольшой гистерезис связан с приборным эффектомотставания считывания данных термометра и не имеет отношения к физикепроцесса. На вставке приведен фрагмент аналогичных зависимостей R(T),измеренных на различных токах [3]. Правая панель: экспериментальные ВАХиндиевого микропровода с длиной ∼1 см и с диаметром 6 мкм при различныхтемпературах ниже критической. Стрелками обозначены расчетные значенияположений ступенек на ВАХ, измеренной при температуре T-Tc=-19 мК [10].Было показано, что для идеализированного, исключительно однородногосверхпроводящего канала с длиной L зарождение нового ЦПФ должнопроисходить в точках с максимальным значением усредненного по временисверхтока<jS>,достигающегокритическогозначенияjc[8].Вблизисуществующего ЦПФ величина <jS> ослаблена за счет переноса заряда18нормальной компонентой, экспоненциально затухающей на характерной длинеΛQ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
