Влияние микроструктуры эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7-x на их электрофизические и нелинейные СВЧ свойства

Открытие купратных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) привело к развитию технологий создания эпитаксиальных пленок, а также керамических и монокристаплических образцов на их основе и проведению интенсивных исследований их свойств в широком спектре фундаментальных и прикладных задач. Особый интерес к изучению свойств пленочных ВТСП структур вызван, прежде всего, возможностью их приборного приложения в СВЧ электронике [Черпак и др. 2000] (фильтры, линии задержки, линии передач, резонаторы и т. д.) и радиометрии [Кгаш, 1996] (пленочные болометры и калориметры, работающие в широком спектральном диапазоне: от микроволнового до рентгеновского). Оба указанных направления предъявляют ВТСП материалу следующие требования: высокие значения критических параметров (критической плотности тока,/с, и критической температуры сверхпроводящего перехода, Тсу, низкий уровень нелинейных эффектов на частотах 1−100 ГГц и низкий уровень интенсивности шума (в частности, ВТСП пленки должны характеризоваться малым значением параметра Хоуге, «я) в температурном диапазоне 77 К < Т< Тс. Эти требования приводят к необходимости ориентироваться на использование высококачественных эпитаксиальных пленок ВТСП, близких к: монокристаллическим.

На сегодняшний день существует целый ряд многокомпонентных ВТСП оксидов с Тс ~ 40−140 К. Однако, высокая критическая температура Тс ~ 90 К, много выше азотнойотносительно «простые» химический состав и кристаллическая решетка, позволяющие получать как качественные монокристаллы, так и эпитаксиальные пленки и керамические образцы, позволили соединению УВа2СщС>7.х стать наиболее изученным с точки зрения фундаментальных свойств и широко используемым в прикладной области ВТСП материалом.

По окончании технологических этапов роста основным термодинамическим процессом, протекающим в объеме пленок, является релаксация упругой энергии [Оигеу1сЬ е1 а1, 1997; ВоЬу1 е! а1, 1997]. Этот процесс неизбежно должен сказываться на стехиометрии пленок и равновесном распределении дефектов в них. По этой причине особенности структуры эпитаксиальных ВТСП пленок и свойства сверхпроводящей и нормальной фаз этих пленок оказываются тесно взаимосвязанными. Действительно, исследования транспортных [Ш^епкатр & а1, 2002], магнитных [Ромашки е1 а1, 1996], высокочастотных [11лигауе1 е! а1, 2006] и шумовых [ВоЬу1 е! а1, 1997] свойств высококачественных пленочных УВа2Сщ07. х свидетельствуют о влиянии микроструктуры пленок на эти свойства. Однако, не смотря на то, что технология производства эпитаксиальных УВа2СщОу. х пленок находится на достаточно высоком уровне, вопросы об их структурном совершенстве и о том, каким образом особенности строения пленок воздействует на свойства сверхпроводящей и нормальной фаз остаются одними из центральных аспектов физики сверхпроводников. Как правило, в многочисленных работах, посвященных прикладным вопросам сверхпроводимости, описание структурных особенностей исследуемых пленок ограничивается фотографиями просвечивающей или атомно-силовой микроскопии. Однако в обоих случаях эта качественная информация не может быть использована для количественных корреляционных исследований, поскольку в первом случае отсутствует возможность получения статистически усредненных структурных параметров пленки. Кроме того, процедура приготовления образцов вносит дополнительную дефектность, не всегда Идентифицируемую на изображениях. Во втором случае, микроскопические изображения поверхности пленки не отражают ситуаций, возникающих в объеме пленки, где непосредственно происходит протекание тока и взаимодействие с падающей электромагнитной волной в случае электрофизических или СВЧ исследований. Таким образом, открытым остается вопрос о том, использование какого параметра (параметров) позволит.

• наиболее полно и эффективно характеризовать структурное совершенство эпитаксиальных УВа2Сщ07. х пленок;

• аналитически связать структурные особенности эпитаксиальных УВа2СщОу. х пленок с широким спектром их физических свойств. т.

Вышесказанное определяет актуальность темы настоящей работы, целью которой было исследование влияния микроструктуры эпитаксиальных пленок УВагСщОу. х на их электрофизические и нелинейные СВЧ свойства путем:

• проведения комплексных исследований структурных, электрофизических и СВЧ свойств нормальной и сверхпроводящей фаз;

• разработки теоретических моделей, описывающих корреляции между структурными, электрофизическими и нелинейными СВЧ свойствами.

Для достижения этой цели в задачи работы входило изучение следующих вопросов:

• определение и выбор структурных параметров эпитаксиальных пленок УВй2Сщ07. х, наиболее полно и эффективно характеризующих структурное совершенство эпитаксиальных УВа2Сщ07. х пленок;

• исследование нелинейных СВЧ свойств эпитаксиальиых пленок УВа2Си⁰⁷.х вблизи критической температуры сверхпроводящего перехода;

• исследование электрофизических свойств эпитаксиальиых пленок Ва2Сщ07. х в нормальной фазе и в окрестности Тс.

• исследование шумовых характеристик эпитаксиальиых пленок УВа2Сщ07. х вблизи Тс.

• построение модели двухфазного сверхпроводника, позволяющей аналитически связать структурные особенности эпитаксиальиых УВа2Сщ07. х пленок с их нелинейными СВЧ и электрофизическими свойствами при температурах, близких к Тс.

• применение концепции и-минус центров, позволяющей аналитически связать структурные особенности эпитаксиальиых УВа2Сщ07. х пленок с их нормальными электрофизическими свойствами;

• разработка болометра для регистрации синхротронного излучения мягкого рентгеновского диапазона на основе эпитаксиальиых пленок УВа2СщОу. х, проведение расчетного моделирования характеристик этого болометра и определение его предельных рабочих параметров.

Научная новизна работы определяется положениями, которые выносятся на защиту:

1. обнаружена корреляция между ширинами пиков 1) температурной зависимости мощности третьей гармоники, 2) напряжения, индуцированного электронным зондом, и средним размером области когерентного рассеяния (блока);

2. в рамках разработанной модели двухфазного сверхпроводника выявлена физическая природа этой корреляции:

• в эпитаксиальиых пленках УВа2СщОу. х с большими блоками (> 0.5 мкм) нелинейный СВЧ отклик определяется внутриблочным пиннингом вихрей, а с малыми — пиннингом на межблочных границах.

• трёхкратное увеличение размера блока приводит к уменьшению ширины сверхпроводящего перехода с 3.6 К до 0.15 К и 100-кратному уменьшению коэффициента нелинейности /?;

3. экспериментально обнаружена зависимость величины параметра с кристаллической решетки и крутизны Г-зависимости сопротивления нормальной фазы оптимально легированных эпитаксиальных УВагСщОу. х пленок от среднего размера блока. Анализ этих зависимостей в рамках модели И-минус центров позволяет:

• описать линейную температурную зависимость сопротивления р (Г) оптимально легированных пленок УВазСщЬу-х в нормальной фазе.

• описать зависимость крутизны сопротивления нормальной фазы йр (Г)/с1Т от среднего размера блока, а и объяснить эту зависимость постростовой релаксацией кислорода;

4. создан болометр для абсолютной радиометрии синхротронного излучения на основе эпитаксиальных пленок УВагСщОу.х. Технология включает контроль и оптимизацию структурных параметров исходных пленок, проектирование и разработку конструкции болометра. Болометр обладает высокой чувствительностью (от 1 мкВт), высокой точностью измерения (< 1%), обладает возможностью работы на модулированном потоке излучения (до 1 кГц) в широком спектральном диапазоне (150−3000 эВ).

Достоверность полученных результатов обеспечивается высоким уровнем проводимых экспериментов, использованием разнообразных методик, таких как сканирующая электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ, ближнепольная СВЧ микроскопия, низкотемпературная сканирующая микроскопия, исследование шумовых характеристик пленок УВа^См^-* при низких температурах, а также их соответствием с имеющимися в литературе экспериментальными и теоретическими данными по изучению пленок УВа2Сщ07-х.

Научная и практическая значимость работы определяется проведенными исследованиями влияния структурыэпитаксиальных пленок УВа2Сщ07. х на их электрофизические и СВЧ свойства вблизи температуры сверхпроводящего переходаисследованиями влияния структуры эпитаксиальных пленок УВа2Сщ07. х на их электрофизические свойства в нормальной фазеиспользованием полученных результатов исследований при создании болометра на основе эпитаксиальных пленок УВа2Сщ07. х для абсолютной радиометрии синхротронного излучения в диапазоне 150−3000 эВ. Апробация результатов работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на следующих отечественных и международных конференциях и семинарах:

IEEE international students seminar on MW applications of novel physical phenomena (St. Petersburg — 2002) — XXXIII и XXXV Неделя науки СПбГПУ: Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Санкт-Петербург-2005,2007) — EUCAS'05 (Vienna, Austria — 2005) — BIAMS'06 (St. Petersburg — 2006) — XXXIV Совещание по физике низких температур (HT-34) (Ростов-на-Дону — 2006), 2-ая Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» (Звенигород — 2006) — Прикладная оптика (Санкт-Петербург — 2006) — на семинарах лаборатории «Диагностики материалов и структур твердотельной электроники» ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) — на семинарах сектора сверхпроводимости Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород).

Публикации. По результатам исследований, изложенных в диссертации, имеется 7 публикаций. Список публикаций приведен в конце диссертации.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

152 Заключение.

1. Методом рентгеноструктурного анализа изучена структура эпитаксиальных пленок УВа2Сщ07-х. Обработка полученных данных в рамках блочно-мозаичной модели позволила определить структурные параметры, наиболее полно и эффективно характеризующие структурное совершенство этих пленок, а также использовать их для физической интерпретации экспериментально обнаруженных корреляций в качестве модельных параметров;

2. Комплексные исследования структурных свойств эпитаксиальных пленок УВа2Сщ07. I и их электрофизических, магнитных и нелинейных СВЧ свойств при различных температурах вблизи критической температуры сверхпроводящего перехода позволили установить, что механизм уширения сверхпроводящего перехода и температурной зависимости мощности третьей гармоники связан со структурным несовершенством этих пленок (со средним размером блока);

3. Анализ экспериментально полученных данных в рамках построенной модели двухфазного сверхпроводника позволил установить, что при больших размерах блоков нелинейный СВЧ отклик эпитаксиальных УВа2Сщ07. х пленок определяется внутриблочным пиннингом вихрей, а при малых — пиннингом на межблочных границах;

4. Комплексные исследования структурных свойств серии эпитаксиальных пленок УВа2СщОу. х и их электрофизических свойств в нормальной фазе позволили обнаружить корреляцию между величиной параметра с кристаллической решетки (уровнем содержания кислорода), крутизной Г-зависимости сопротивления и средним размером блока;

5. В рамках модели и-минус центров описана линейная температурная зависимость сопротивления р (Т) оптимально легированных УВй2Сщ07-х и зависимость с! р (Т)/с1Т от среднего размера блока, которая объясняется постростовой релаксацией кислорода в объеме пленок;

6. Создан болометр с электрическим замещением для абсолютной радиометрии синхротронного излучения на основе эпитаксиальных пленок УВй2Сщ07. х,.

7. Результаты комплексных исследований структурных, шумовых и электрофизических свойств эпитаксиальных пленок УВа2Сщ07. х и расчетного моделирования характеристик болометра на их основе позволяют заключить, что болометр обладает высокой чувствительностью (от 1 мкВт), высокой точностью измерения (< 1%) и возможностью работы на модулированном потоке излучения (до 1 кГц) в широком спектральном диапазоне (150−3000 эВ).