Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Транспортные свойства слабосвязанных сверхпроводников 10
1.1. Теоретические исследования транспортных свойств слабых связей 10
1.2. Экспериментальные исследования транспортных свойств слабых связей 20
1.2.1 Транспортные свойства слабых связей на основе НТСП 20
1.2.2 Транспортные свойства слабых связей на основе ВТСП 24
1.3. Постановка задачи 34
Глава II. Методики экспериментального исследования гетерогенных ВТСП 36
2.1. Введение 36
2.2. Синтез поликристаллических ВТСП и композитов на их основе 36
2.3. Измерения электросопротивления, критического тока и ВАХ образцов при различных температурах 37
2.4. Измерения магнитных свойств образцов 43
Глава III. Транспортные свойства композитов из ВТСП и металлооксида 45
3.1. Введение 45
3.2. Экспериментальные результаты 45
3.3. Сравнение экспериментальной ВАХ с теоретическими зависимостями напряжение - ток для S-N-S контакта 50
3.4. Выводы 55
Глава IV. Транспортные свойства контактов на микротрещине с непосредственной проводимостью в поликристаллических ВТСП 56
4.1. Введение 56
4.2. Экспериментальные результаты 57
4.2.1. Контакт на микротрещине в Уо75Ьио25Ва2Сиз07 57
4.2.2. Контакт на микротрещине в Lai ssSro 15С1Ю4 64
4.3. Обсуждение полученных результатов 69
4.4. Выводы 77
Глава V. Кроссовер "чистый" - "грязный" предел в композитах на основе ВТСП 78
5.1. Введение 78
5.2. Экспериментальные результаты 78
5.3. Обсуждение 89
5.4. Выводы 94
Заключение 96
Литература 99
Приложение 120
- Транспортные свойства слабых связей на основе НТСП
- Синтез поликристаллических ВТСП и композитов на их основе
- Сравнение экспериментальной ВАХ с теоретическими зависимостями напряжение - ток для S-N-S контакта
- Контакт на микротрещине в Уо75Ьио25Ва2Сиз07
Введение к работе
Актуальность работы. К настоящему времени на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) практически проведены все базовые эксперименты, подобные поставленным ранее на низкотемпературных сверхпроводниках (НТСП), которые позволили в свое время объяснить явление низкотемпературной сверхпроводимости в металлах и подтвердить применимость теории Бардина - Купера - Шриффера к описанию свойств НТСП. Однако несмотря на многочисленные проведенные исследования на ВТСП, природа сверхпроводимости в этих металлооксидах остается неясной.
Одним из основных критических экспериментов является наблюдение эффектов Джозефсона на туннельных контактах сверхпроводник - диэлектрик - сверхпроводник. Эффекты Джозефсона, стационарный и нестационарный, определяющие протекание тока через слабые связи типа сверхпроводник -нормальный металл - сверхпроводник, качественно отличаются от джозефсоновских эффектов в туннельных контактах. Исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) джозефсоновских слабых связей сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник является мощным инструментом изучения физических процессов, определяющих токоперенос через такие контакты, и, возможно, может служить критическим экспериментом, раскрывающим особенности высокотемпературной сверхпроводимости.
Широкие возможности экспериментального исследования протекания тока через слабые связи на ВТСП предоставляет использование, как объектов исследования, композитов на основе ВТСП. Двухфазные композиты на основе ВТСП являются физической моделью сети слабых джозефсоновских связей с заранее заданными параметрами. Ввиду относительной простоты технологии приготовления композитов по сравнению с одиночными джозефсоновскими
контактами, на этих гетерогенных материалах появляется возможность целенаправленно изучить особенности протекания сверхпроводящего тока по слабым связям различного характера, формируемыми "искусственными" границами разделяющими сверхпроводящие кристаллиты. Кроме этого, сопоставление результатов исследований композитов на основе ВТСП с данными, полученными на поликристаллических ВТСП с "естественными" межкристаллитными границами, позволяет установить природу "естественных" межкристаллитных границ.
Сравнение экспериментальных результатов с существующими в литературе теориями позволяет пролить свет на их применимость к ВТСП и идентифицировать физические процессы, определяющие протекание тока через эти материалы, что в настоящее время является важной научной задачей.
Актуальность вызвана также исследованием новых композитных материалов на основе ВТСП в материаловедческом и прикладном плане, как материалов, обладающих ценными для практического применения свойствами.
Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании транспортных свойств поликристаллических ВТСП с искусственно созданными и с "естественными" границами непосредственной проводимости, изучении процессов андреевского отражения, сопровождающих перенос тока через такие материалы и проведении моделирования протекания электрического тока через сеть слабых связей, реализующихся в композитах на основе ВТСП.
Согласно с этим были поставлены следующие задачи: 1. Синтезировать композиты из ВТСП Yo.ysLuo^sB^CusOy и металлооксида ВаРЬОз и экспериментально исследовать их ВАХ. Проанализировать и описать полученные результаты в рамках теории, рассматривающей андреевское отражение в слабых связях сверхпроводник - нормальный металл -сверхпроводник.
Экспериментально исследовать температурную эволюцию ВАХ контактов на микротрещине в поликристаллическом ВТСП Y0.75Luo.25Ba2Cu307 в температурном интервале 4.2 - 93.5 К и в поликристаллическом ВТСП Lai.85Sr0.i5CuO4 в температурном интервале 4.2 - 38 К с целью идентификации природы "естественных" межкристаллитных границ в этих ВТСП. Провести моделирование полученных ВАХ с использованием теории Кюммеля -Гунзенхаймера - Никольского.
Исследовать эволюцию транспортных свойств композитов Yo.75Lu0.25Ba2Cu307 + BaPbj.xSnx03 при кроссовере от "чистого" к "грязному" пределу при увеличении содержания Sn в BaPbi.xSnxC»3.
Научная новизна:
Впервые исследованы ВАХ композитных материалов ВТСП (Yo.75Luo.25Ba2Cu307) + металлооксид (ВаРЬОз). Впервые экспериментальные ВАХ описаны в рамках микроскопической теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Никольского.
Впервые исследована температурная эволюция ВАХ контактов на микротрещине в поликристаллических ВТСП составов Y0.75Luo.25Ba2Cu307 и Lai.85Sr0.i5CuO4. Разработана эвристическая модель, позволяющая описывать экспериментальные ВАХ контактов на микротрещине в поликристаллических ВТСП. Впервые произведено описание экспериментальных ВАХ с использованием разработанной модели и микроскопической теории Кюм-меля-Гунзенхаймера-Никольского.
Впервые экспериментально исследован кроссовер от "чистого" к "грязному" пределу в сети слабых связей сверхпроводник - нормальный металл -сверхпроводник, реализующейся в композитах Y0.75Luo.25Ba2Cu307 + BaPb!.xSnx03.
Проанализирована возможность практического применения исследованных
ВТСП материалов как активных элементов ограничителей тока короткого замыкания и как датчиков слабых магнитных полей, основанных на эффекте магнитосопротивления.
Практическая ценность Впервые на композитах Yo.75Lu0.25Ba2Cu307 + ВаРЬОз экспериментально исследованы ВАХ, демонстрирующие гистерезис-ную особенность. Также впервые проведено сравнение экспериментальных ВАХ с теоретическими кривыми, рассчитанными с использованием современной теории, что позволило идентифицировать физические процессы, формирующие ВАХ слабых связей сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник. Предложена модель, позволяющая описать ВАХ контактов на микротрещине с непосредственной проводимостью в поликристаллических ВТСП, исследовать природу межкристаллитных границ и процессы в них, сопровождающие протекание тока. Впервые в композитах Yo.75Luo.25Ba2Cu307 + BaPbi.xSnxC>3 исследован кроссовер от "чистого" к "грязному" пределу. Сделаны предложения по практическому применению исследованных материалов как активных элементов ограничителей тока короткого замыкания и как датчиков слабых магнитных полей, основанных на эффекте магнитосопротивления.
Структура диссертации
В первой главе (п. 1.1) проведен обзор теоретических работ, посвященных исследованию ВАХ, особенностей протекания тока и соответствующим физическим процессам в слабых связях сверхпроводник - нормальный металл -сверхпроводник.
В п. 1.2 проведен обзор экспериментальных работ, в которых исследуются транспортные свойства сверхпроводящих слабых связей (одиночных переходов, регулярных мультиструктур и статистических сетей слабых связей) как на основе НТСП, так и на основе ВТСП.
В конце обзора дана постановка задачи.
Во второй главе описаны синтез и экспериментальные методики измерения транспортных характеристик поликристаллических гетерогенных ВТСП при различных температурах, основанные на стандартном 4-х зондовом методе. К транспортным характеристикам относятся плотность критического тока, электросопротивление, вольт-амперные характеристики.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования транспортных свойств композитов Yo.75Luo.25Ba2Cu307 + ВаРЬОз. Проведен анализ применимости существующих теорий к описанию полученных экспериментальных данных. Произведено сравнение экспериментальных ВАХ с теоретическими кривыми, полученными в рамках теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Никольского. Продемонстрировано согласие между экспериментальными и теоретическими ВАХ.
В четвертой главе приведены результаты исследования транспортных свойств контактов на микротрещине в поликристаллических ВТСП Yo.75Luo.25Ba2Cu307 и Lai.85Sro.i5Cu04. Предложена модель, позволяющая воспроизвести экспериментальные характеристики. Анализ полученных результатов проведен в рамках теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Никольского.
В пятой главе приведены результаты исследования транспортных свойств композитов Yo.75Luo.25Ba2Cu307 + BaPbj.xSnxC>3 с различным содержанием ингредиентов композита и различным содержанием олова в BaPbi.xSnx03. Иссле-
дован кроссовер от "чистого" к "грязному" пределу в композитах, при увеличении содержания Sn. Исследовано изменение зависимостей R(T) в слабых магнитных полях для различных значений транспортного тока.
В заключении сформулированы основные выводы данной работы.
В приложении изложены аспекты применения ВТСП материалов как активных элементов ограничителей тока короткого замыкания, предложена конструкция ограничителя тока короткого замыкания, приведены результаты тес-
тов созданного макета.
На защиту выносятся:
Результаты измерения ВАХ композитов из поликристаллического ВТСП (Y0.75Lu0.25Ba2Cu3O7) и металлооксида (ВаРЬ03). Анализ полученных результатов в рамках теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Никольского.
Результаты исследования температурной эволюции ВАХ контактов на микротрещине в поликристаллических ВТСП Y0.75Luo.25Ba2Cu307 и Lai.85Sr0.i5CuO4. Анализ полученных результатов в рамках теории Кюмме-ля-Гунзенхаймера-Никольского.
Результаты исследования зависимостей сопротивления от температуры композитов Yo.75Luo.25Ba2Cu3C>7 + BaPbi.xSnx03 для различного содержания ингредиентов композита и различного содержания олова в BaPbi.xSnx03.
Апробация. Материалы диссертации были представлены на международ-ных конференциях: 5 International Workshop «High-Temperature Superconductors and Novel Inorganic Materials Engineering (MSU-HTSC -V)», Moscow, March 24-29, 1998; 3th International Conference on New Theories, Discoveries, and Applications of Superconductors and Related Materials (New3SC-3), Honolulu, Hawaii, USA, January 15-19, 2001; XVIII международная школа-семинар "Новые магнитные материалы микроэлектроники", Москва, 24-28 июня, 2002; VI-bilateral Russian-German symposium "Physics and chemistry of advanced materials", Новосибирск, 18-27 августа, 2002; 7th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-Rio), Rio de Janeiro, Brazil, May 25-30, 2003, а также на XXXIII совещании по физике низких температур, Екатеринбург, 17-20 июня, 2003.
Транспортные свойства слабых связей на основе НТСП
Явление андреевского отражения наблюдалось при исследовании радиочастотного поверхностного эффекта на границе между нормальной и сверхпроводящей фазой [78] и в экспериментах по инжекции электронов через точечный контакт в тонкий чистый "сэндвич" металл - сверхпроводник и одновременной регистрации отраженного потока [79, 80].
По-видимому впервые явление слабосвязанной сверхпроводимости, т.е. протекание сверхтока через разделенные сверхпроводники, наблюдал Г. Мейснер [81] в 1957 г., еще до теоретического предсказания Джозефсоном этого эффекта. Измеряя ВАХ скрещенных оловянных проволочек, покрытых медью, Мейснер обнаружил, что при достаточно слабых токах и достаточно тонком медном покрытии при температуре ниже 3.1-3.4 К сопротивление перехода отсутствует, т.е. сверхток проходит через несверхпроводящую медную прослойку. В последующие годы были проведены многочисленные измерения транспортных характеристик слабых связей различных типов и на различных низкотемпературных сверхпроводниках (см. обзоры [82, 4, 13]). Помимо одиночных слабых связей, исследовались сети слабых связей, образованные либо соединением одиночных контактов [83], либо образующиеся в гранулированной сверхпроводящей среде [84].
Проведенные исследования слабосвязанной сверхпроводимости на НТСП установили, что транспортные свойства S-N-S контактов сильно зависят от толщины N-слоя d и от средней длины свободного пробега электронов / в нем. Протекание тока качественно изменяется при переходе от "чистого" предела (/ » d) к "грязному" пределу (/ d).
Следующие основные особенности наблюдаются на экспериментальных ВАХ слабых связей, измеренных в режиме заданного тока: а) участок протекания сверхтока, являющийся следствием фазовой когерентности между разделенными сверхпроводниками; б) участок малого дифференциального сопротивления, т.е. наличие регистрируемого падения напряжения ( 1 мкВ/см) на образце; в) линейный участок, параллельный омической зависимости, и смещенный относительно оси токов.
ВАХ некоторых слабых связей демонстрируют плавный переход от участка малого дифференциального сопротивления (б) к линейному участку (в). В ряде случаев такой переход происходит резко, скачком. При этом переход обычно сопровождается гистерезисом, т.е. при увеличении измерительного тока скачок возрастания напряжения происходит при большем значении тока, чем обратный скачок уменьшения напряжения при уменьшении измерительного тока. В области гистерезисной особенности зависимость напряжения от тока неоднозначна. Это ясно демонстрируют ВАХ, измеренные в режиме заданного напряжения [4, 13]. На таких ВАХ вместо гистерезисной особенности в соответствующем регионе наблюдается участок отрицательного дифференциального сопротивления. Очевидно на ВАХ, измеренных в режиме заданного напряжения, отсутствует участок нулевого сопротивления, т.к. участок малого дифференциального сопротивления начинается с нулевого напряжения и тока. В некоторых экспериментах, особенно часто при исследовании микромостиков и точечных контактов, на ВАХ наблюдались аркообразные особенности, см. например [85, 86]. Такие изменения тока при напряжениях, соответствующих долям энергетической щели U= 2А/еп, где п = 1, 2, 3..., называют субгармонической структурой. Как указывалось в п. 1.1, появление на ВАХ слабых связей этих особенностей вызвано многократным андреевским отражением [35, 42,46].
Помимо измерений зависимости напряжения от тока или тока от напряжения, часто исследуются дифференциальные ВАХ, т.е. зависимости dU/dl от U (дифференциальное сопротивление), или dl/dUoj U (дифференциальная проводимость). Исследования дифференциальных ВАХ позволяют наблюдать щелевые особенности, часто неразличимые на обычных ВАХ. Таким исследования посвящено много работ как на НТСП (см. например [87]), так на ВТСП (см. например [68]). Однако в известных нам публикациях одновременные исследования дифференциальных и обычных ВАХ очень редки.
Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию критического тока и/или сопротивления слабых связей, измерения ВАХ слабых связей проводились реже, что связанно с возникающими экспериментальными проблемами.
Неоднократно исследовались ВАХ оловянных микромостиков [28, 89, 85, 88, 90]. Все исследованные ВАХ обладали уверенно наблюдаемыми аркообразными щелевыми особенностями. Работа [28] посвящена исследованию ВАХ тонкопленочных оловянных микромостиков с Тс 3.8 К и протяженностью мостика d= 6000 А. Гистерезис на ВАХ наблюдается при Т 3.7 К. Сделана попытка объяснения вида ВАХ с помощью разработанной авторами [28] модели движения вихрей в контакте. Другая группа [88] также исследовала тонкопленочные оловянные микромостики с 2000 k d 8500 А. ВАХ измерялись до минимальной температуры 3.5 К. В этом температурном диапазоне гистерезис на ВАХ отсутствовал. Была проведена попытка описать ВАХ с помощью теории Асламазова-Ларкина [22] и Голуба [23]. Подробные исследования температурной эволюции ВАХ тонкопленочных оловянных микромостиков переменной толщины провели В.Н. Губанков, В.П. Кошелец и Г.А. Овсянников [85, 89, 90]. На ВАХ наблюдались субгармонические особенности и избыточный ток, изменяющиеся с изменением температуры. Вызывает сомнение методика определения авторами, в работе [90]; избыточного тока из экспериментальных ВАХ, что, возможно, привело к неверной интерпретации его температурной эволюции..
Синтез поликристаллических ВТСП и композитов на их основе
Технология синтеза поликристаллических ВТСП Yo.75Luo.25Ba2Cu307 и Lai.85Sro.i5Cu04 - стандартная керамическая. Для Yo.75Luo.25Ba2Cu307, частичное замещение Lu - Y в классической структуре 1-2-3 не изменяет кардинально сверхпроводящих свойств (критический ток, температура перехода), но упрощает технологический режим синтеза иттриевой керамики. Время окончательного обжига составило 40 ч. при 910 С. На дебаеграмме наблюдались только рефлексы, соответствующие структуре 1-2-3. Металлооксид ВаРЬОз, обладающий характерными металлическими свойствами и слабой зависимостью сопротивления от температуры [146, 124], играет роль нормального металла в системе Yo.75Luo.25Ba2Cu307 + ВаРЬОз. ВаРЬОз, ВаРЬ0.9бз$п0.оз70з, ВаРЬо Зпо. Оз и BaPbo.75Sno.25O3 были получены методом твердофазного синтеза из Ва02, РЬО, БпОг при температуре 950 С в течении 160 часов с 13 промежуточными помолами. Указанный режим обеспечивает надежное "растворение" атомов олова в структуре перовскита ВаРЬ03 [121, 124]. Дебаеграммы полученных материалов показали рефлексы, соответствующие структуре ВаРЬОз. Композиты синтезировались по следующей схеме. На первом этапе создания композитов были синтезированы исходные компоненты. Нужные пропорции полученных порошкообразных ингредиентов будущих композитов тщательно перетирались в агатовой ступке, а затем прессовались в таблетки. Таблетки помещались в предварительно нагретые лодочки и вносились в рабочую зону печи, разогретую до 910 С. Там они выдерживались в течение 4 мин, и затем помещались в печь с температурой 400 С, где выдерживались в течение 6 часов, после чего охлаждались вместе с печью.
Слабое химическое взаимодействие Yo.75Lu0.25Ba2Cu307 с ВаРЬОз в0 время совместного отжига [121] позволяет приготовить композиты с четкими границами между гранулами ингредиентов. Короткое время отжига приводит к реализации сети слабых связей [101, 120], т.е. ток протекает и через сверхпроводящие и через металлические гранулы.
Существует ряд методов исследования транспортных характеристик (зависимостей от температуры электросопротивления /?(7) и критического тока /с(7), вольт-амперных характеристик) ВТСП - керамик. Эти методы подразделяются на прямые и косвенные. Среди косвенных методов можно выделить индукционный метод, в котором измерения проводятся на кольце, вырезанном из сверхпроводника [147-149]. Проведенные таким .методом измерения на гетерогенных сверхпроводниках (композитах) показали, что точность определения, например, критического тока крайне недостаточна. Кроме того, при интерпретации результатов, полученных индукционным методом, возникает проблема, связанная с определением внутригранульных и межгранульных токов.
В прямом методе непосредственно измеряется падение напряжения на образце при протекании по нему транспортного тока. Ток, текущий по ВТСП- керамике, с неизбежностью протекает как по гранулам, так и по границам, разделяющим зерна ВТСП. Из прямых методов наиболее распространен четырех-зондовый, позволяющий измерять с высокой точностью очень малые (до 10"6 Ом см) значения удельного сопротивления, что очень важно при измерениях сверхпроводников. В ряде случаев при измерениях несверхпроводящих компонентов композитов с большим удельным сопротивлением используется двухзондовый метод, менее точный, но более приемлимый для высокоомных образцов.
Все результаты, приведенные в данной работе, получены четырехзондо-вым методом. Методически четырехзондовый метод достаточно прост: измеряется падение напряжения на центральной части образца между потенциальными контактами, при протекании через него транспортного тока, подводимого по токовым контактам. Основным преимуществом четырехзондового метода перед двух-зондовым является отсутствие контактной разности потенциалов. При выделении джоулева тепла на контактах на них возникает термо-ЭДС и другие контактные явления, которые могут исказить реальную величину падения напряжения. При четырехзондовом методе транспортный ток не течет через измерительные потенциальные контакты, поэтому на них не выделяется тепло, а поскольку они находятся при одинаковой температуре, то термо-ЭДС равна нулю, и контактная разность потенциалов вычитается. Падение напряжения в четырехзондовом методе измеряется непосредственно на сверхпроводящем образце, минуя сопротивление токовых контактов и токоподводящих проводов. При использовании четырехзондового метода регистрируется падение напряжения относительно нуля, а не на фоне нескольких милливольт, как это имеет место в двухзондовом методе. Поэтому токовый шум в четырехзондовом методе меньше, чем в двухзондовом.
Однако, при всей его методической простоте, при поведении измерений четырехзондовым методом сушествует ряд проблем, с которыми пришлось столкнуться; в ходе выполнения данной работы. Первая проблема -саморазогрев образцов, вторая - подведение тока к образцам. Остановимся подробно на каждой из них.
В случае композитных образцов ВТСП + ВаРЬОз, которые изучаются в данной работе, наибольшие абсолютные значения плотности критического тока могут достигать 250 А/см2. При сечении рабочей части образца 1.5 х 2.5 мм аппаратурный ток может превышать несколько ампер, что приводит к выделению тепла на контактах и разогреву системы в среднем на 4-5 К. Для устранения этого эффекта уменьшалось (на сколько позволяли механические свойства образца) сечение рабочей части. Для этого из таблетки композита выпиливался образец прямоугольной формы сечением 0.8 х 1.5 мм, а затем центральная часть образца спиливалась до сечения 0.2 х 1.5 мм. Это позволило снизить транспортный ток, и тем самым избежать разогрева. При таком значении площади поперечного сечения во время измерения зависимостей R(T) не наблюдалось смещения температуры начала перехода в сверхпроводящее состояние.
Сравнение экспериментальной ВАХ с теоретическими зависимостями напряжение - ток для S-N-S контакта
Известные теории [35, 42, 44] позволяют рассчитать лишь дифференциальные проводимости (сопротивления) слабых связей и не применимы для описания обычных ВАХ. Для того чтобы выбрать теорию, наиболее подходящую для описания наших экспериментальных ВАХ, необходимо установить характеристические размеры исследуемой слабой связи d, /, и выяснить ее тип: плоский трехмерный контакт (S » $2); двумерный контакт (ширина А « % ); точечный контакт (диаметр и d Е,о); сужение (диаметр l$,d 0) и т. д. [4].
Для ВТСП структуры 1-2-3 4о = Ю А [158]. Для ВаРЬ03 / = 220 А [146]. В [121] для композитах 7.5 % ВаРЬ03 была оценена, на основании сравнения экспериментальных и теоретических [12] зависимостей /с.( 7), средняя толщина металлического региона между гранулами ВТСП, d 70 А.
По-видимому, отдельная слабая связь в композите, т.е. сети слабых связей, формируется гранулой ВаРЬОз между гранулами или группой гранул ВТСП. Микрофотографии композитов показывают, что площадь взаимного контакта гранул сравнима с размером самих гранул. Следовательно выполни-ются условия S » 4о, d» , и данный S-N-S контакт является трехмерным и выполняется условие / d.
Для описания ВАХ таких контактов возможно применить теории КГН [46] и Гунзенхаймера - Заикина [49], удовлетворяющие данным условиям. Однако теория Гунзенхаймера - Заикина разработана для случая / » d (/ 10000-1000000 d [49]). Теория КГН применима в области более длинных контактов для разных значений величины dll, что соответствует реальным экспериментам. КГН описывает появление участков ОДС на ВАХ S-N-S контакта, в отличие от большинства прочих рассмотрений, пренебрегающих вкладом в протекание тока от связанных состояний в S-N-S контакте [56]. Использование КГН удобно и потому, что она оперирует с отношением d/l, как параметром слабой связи, определяющим вид ВАХ и ее особенностей. В свете вышеперечисленного, теория КГН применялась для описания экспериментальных ВАХ исследуемых материалов.
N регионе с толщиной d и средней длиной свободного пробега / (см. уравнение (2.19) [46]); е - заряд и т - эффективная масса электрона; п - число андреевских отражений, испытываемых квазичастицей, начавшей движение с андреевского уровня, характеризующегося набором квантовых чисел к, перед тем как покинуть потенциальную яму; А а(Ек -elf/2), A (Et +eU/2) - амплитуды вероятности п андреевских отражений квазичастиц с направлением распространения дырок по (+) или против (-) электрического поля (см. уравнение (А.32), (А.ЗЗ) [46]); ISfl /-ток Шарвина [159] (см. также уравнение (3.22) [46]).
При вычислениях использовались следующие параметры ВТСП структуры 1-2-3: Тс = 93.5 К, А = 17.5 мэВ, kF = 10"8 см 1 [158, 160], а также результаты работ [161, 162]. Металлический слой между сверхпроводящими берегами, ВаРЬОз, характеризовался величиной dll = 70 А /220 А = 0.318.
Вычисленная по формуле (3.1) с указанными параметрами кривая представлена на рис. 6. Теоретическая ВАХ обладает участком малого дифференциального сопротивления при U стремящемся к 0, участком отрицательного дифференциального сопротивления и линейным участком, смещенным вдоль оси токов на величину избыточного тока. Рассчитанная кривая удовлетворительно воспроизводит экспериментальную ВАХ. Смоделированный участок отрицательного дифференциального сопротивления соответствует гистерезисной особенности. OJ6 ВАХ композита 92.5 об. % У0.75Ьио.25Ва2Сиз07 + 7.5 об. % ВаРЬ03. Эксперимент - точки, теория - сплошная линия. Несколько причин могут вызывать отсутствие аркообразных щелевых особенностей на экспериментальной ВАХ: 1) Данные особенности могут не наблюдаться в режиме заданного тока (попадать в область гистерезиса, как демонстрируют приведенные ниже результаты численного моделирования). 2) Разброс параметров слабых связей и их ориентации в случайной сети, т.е. собственно в композите, может приводить к сглаживанию мелких особенностей [63, 163]. 3) К этому же приводит конечная прозрачность S-N границы, вызывающая увеличение нормального отражения электронов [37, 46, 50]. К этому может приводить различие физических свойств компонентов композита, например, различная эффективная масса электронов в Y-Ba-Cu-0 (5те [158]) и в ВаРЬОз (0.3тД146]). 4) В работе [61] проведен анализ теории [46] с дополнительным учетом угловой зависимости параметров порядка сверхпроводников. Авторами [61] сделан вывод, что наличие узлов параметра порядка (обращение в ноль при некоторой ориентации), что характерно, например, для d - волновой симметрии, приводит к сильному подавлению щелевых особенностей. Исключить такой механизм на сегодняшний день нельзя, т.к. до сих пор вопрос о симметрии параметра порядка остается спорным [75]. Следует отметить, что аркообразные особенности наблюдались на ВАХ в некоторых исследованиях ВТСП системы Y-Ba-Cu-0[112].
Контакт на микротрещине в Уо75Ьио25Ва2Сиз07
В синтезированном поликристаллическом Yo.75Luo.25Ba2Cu307 температура сверхпроводящего перехода Тс, найденная из магнитных измерений, совпадает с началом резистивного перехода на зависимости R{T) и равна 93.5 К. Контакты на микротрещине в Yo.75Luo.25Ba2Cu307 обладают R 1н-2 Ом при Т Тс и критическим током 1С 1-И 0 мА при 4.2 К, что соответствует уменьшению S соответственно в 102-И03 раз по сравнению с объемным образцом тех же внешних размеров. На рис. 7, 86 приведены типичные примеры экспериментальных ВАХ при 4.2 К. Они характеризуются наличием критического тока, участком с нели нейной зависимостью U(I) и следующим за ним скачкообразным увеличением U (в некоторых случаях - неоднократным, рис. 7), сопровождающимся гистерезисом. В области больших значений / и U зависимость U(I) близка к линейной, ее экстраполяция к значению U = 0 дает величину избыточного тока 1ех, существование которого подтверждает металлический характер проводимости получившихся контактов [4, 58].
На рис. 9 представлена температурная эволюция ВАХ, показанной на рис. 86. Аркообразные особенности присутствуют на ВАХ, как и в работе [119], но слабо различимы при данной точности измерений. На приведенных ВАХ не происходит резкого перехода от участка малого дифференциального сопротивления к линейному участку, как это наблюдалось на ВАХ образца из композита 92.5 об. % Уо.75Іліо.25Ва2Сиз07 + 7.5 об. % ВаРЬ03 (глава III, рис. 4). В 4.2 К гис-терезисная особенность наблюдается на ВАХ в регионе от 85 до 100 мА и от 21 до 29 мВ. Далее на ВАХ (/ 100 мА, U 30 мВ) следует линейный участок. Избыточный ток 1ех = 24 мА при 4.2 К и стремится к нулю, при повышении Г до Тс. Площадь гистерезисной особенности также уменьшается при увеличении температуры. Гистерезисная особенность не наблюдается на ВАХ при Т 70 К. Рис. 13 демонстрирует изменение координат Uiovm и Uup гистерезисной особенности. Возможно, существует пропорциональность t/down и иир энергетической щели ВТСП, что требует дополнительных исследований.
Проведенные ранее в лаборатории СМП ИФ СО РАН исследования природы межгранульных областей косвенно свидетельствуют в пользу металлической проводимости (см. [99] и ссылки в ней). Поэтому разумно предположить возможность описания экспериментальных ВАХ поликристаллических ВТСП в рамках теории КГН [46], использованной в главе III для описания ВАХ композитов 92.5 об. % Yo.75Luo.25Ba2Cu307 + 7.5 об. % ВаРЬОз. Успешное применение теории [46] для моделирования ВАХ композитов ВТСП + нормальный металл позволяет использовать сравнение экспериментальных данных с теоретическими ВАХ как критерий, устанавливающий природу проводимости межгранульных областей.
Параметры сверхпроводящего состояния ( ), Д, Тс) для ВТСП Lai.85Sr0.i5CuO4 отличаются от параметров ВТСП УолзЬио ВагСизО?. Это определяет интерес к проведению сравнительного исследования транспортных свойств этих поликристаллических ВТСП.
При измерениях ВАХ поликристаллических ВТСП проблема саморазогрева образцов более серьезна, по сравнению с образцами из композита Yo.75Luo.25Ba2Cu307 + ВаРЬОз из-за большей величины критического тока. Поэтому создавались и исследовались контакты на микротрещине (см. главу II). Использование контактов на микротрещине позволяет провести измерения участков ВАХ, отражающих физические процессы в слабых связях на ВТСП. В ходе выполнения исследований были изготовлены контакты на микротрещине из поликристаллических Yo.75Lu0.25Ba2Cu307 и Lai.85Sro.i5Cu04. Измерена температурная эволюция ВАХ контактов на микротрещине с непосредственной проводимостью в поликристаллических ВТСП Yo.75Luo.25Ba2Cu307 и Lai.85Sro.i5Cu04 в температурном диапазоне от 4.2 К до Тс. Проведено сравнение экспериментальных данных с зависимостями напряжение - ток для S-N-S контактов в теории КГН [46].
Относительно низкие величины транспортного тока (до 150 мА) и падения напряжения на образце (до 100 мВ) позволили уменьшить влияние саморазогрева при измерении ВАХ (см. главу II).
