Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников. Модели нелинейного СВЧ отклика и методы исследования 19
1.1 Введение 19
1.2 Нелинейные эффекты в сверхпроводниках 21
1.3 Экспериментальные методики исследования нелинейного СВЧ отклика в сверхпроводниках 22
1.4 Механизмы нелинейности 27
1.4.1 Нелинейный СВЧ отклик в теории Гинзбурга-Ландау 27
1.4.2 Джозефсоновский механизм нелинейности 31
1.4.3 Тепловой механизм нелинейности 36
1.4.4 Вихревая нелинейность 39
1.5 Краткие выводы 42
2 Метод нелинейной ближнепольной СВЧ микроскопии 43
2.1 Введение 43
2.2 Блок-схема экспериментальной установки 44
2.3 Криогенная система 46
2.4 Расчет нелинейного СВЧ отклика сверхпроводника в приближении слабой нелинейности 49
2.5 Выводы 57
3 Применения метода ближнепольной нелинейной СВЧ микроскопии для исследования сверхпроводящих свойств сверхпроводников 58
3.1 Введение 58
3.2 Характеристики образцов. Методики транспортных и магнитных измерений 3.3 Корреляция нелинейного СВЧ отклика и транспортных измерений. Бесконтактная методика определения критической температуры сверхпроводников 63
3.4 Определение характерного критического тока нелинейности в сверхпроводниках 71
3.5 Исследования фазового состава сверхпроводников 78
3.6 Тестирование однородности сверхпроводящих пленок и сверхпроводящих структур на их основе 80
3.7 Магнитные свойства сверхпроводников 84
3.8 Выводы 88
4 Влияние микроструктуры эпитаксиальных пленок YBa2Cu307 x на их нелинейные СВЧ свойства 89
4.1 Введение 89
4.2 Параметры образцов 91
4.3 Структурные исследования 92
4.4 Зондовые исследования 93
4.5 Экспериментальные результаты. Корреляция структурных и сверхпроводящих параметров 97
4.6 Феноменологическая модель композитного сверхпроводника 99
4.7 Выводы 109
5 Нелинейные СВЧ свойства пленок Nb во внешнем магнитном поле 110
5.1 Введение П0
5.2 Параметры образцов 112
5.3 Экспериментальные результаты 11З
5.3.1 Поведение температурной зависимости мощности третьей гармоники в пленках Nb во внешнем постоянном магнитном поле 11З
5.3.2 Корреляция транспортных и нелинейных СВЧ свойств пленок Nb во внешнем магнитном поле 117
5.4 Обсуждение экспериментальных результатов 118
5.4.1 Область слабых магнитных полей 119
5.4.2 Область сильных магнитных полей 125
5.5 Выводы 128
Выводы 129
Список публикаций автора по теме диссертации 132
Список цитированной литературы
- Экспериментальные методики исследования нелинейного СВЧ отклика в сверхпроводниках
- Криогенная система
- Тестирование однородности сверхпроводящих пленок и сверхпроводящих структур на их основе
- Поведение температурной зависимости мощности третьей гармоники в пленках Nb во внешнем постоянном магнитном поле
Введение к работе
Актуальность темы
С момента открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) прошло более двадцати лет. Однако, несмотря на большое количество работ [1], посвященных изучению физических свойств ВТСП, остается много нерешенных проблем: механизм ВТСП, симметрия параметра порядка ВТСП, вихревые состояния в сверхпроводниках и т.д. Исследования нелинейных СВЧ свойств открывают широкие возможности для изучения фундаментальных свойств сверхпроводников. В частности, теоретически было показано, что возрастание нелинейности в области низких температур может свидетельствовать о (і-симметрии параметра порядка ВТСП [2]. На основе измерений нелинейного отклика изучались вихревые состояния на фазовой диаграмме ВТСП [3]. Кроме этого, из температурной зависимости мощности сигнала на частоте третьей гармоники было определено время релаксации параметра порядка в низкотемпературном сверхпроводнике [4]. Таким образом, экспериментальное изучение нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников представляют интерес с точки зрения фундаментальной физики.
Для объяснения нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников было предложено большое количество моделей нелинейности: нелинейность, связанная с подавлением модуля параметра порядка сверхтоком [5]; с наличием джозефсоновских связей между гранулами в исследуемых образцах [6]; с движением вихрей в непараболическом потенциале пиннинга [7]; с тепловой нелинейностью [8] и др. Однако при температурах близких к Тс все величины критических токов, характеризующих различные механизмы нелинейности, стремятся к нулю, и многие механизмы могут давать вклад в полный отклик. Поэтому вопрос о том, как экспериментально выделить различные вклады в нелинейном СВЧ отклике сверхпроводника в области температур близких к Тс, остается до сих пор актуальным.
Экспериментальные исследования показали, что нелинейный СВЧ отклик сверхпроводников может определятся не только фундаментальными свойствами сверхпроводника, но и влиянием краев образца или дефектами структуры. Поэтому для исключения источников нелинейности технологического происхождения необходимо использовать локальные методы для исследования нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников. Для исследований линейных локальных
СВЧ свойств сверхпроводников 1990-х годах такие методы были развиты на основе ближнепольной СВЧ микроскопии [9, 10]. В то нее время, для исследований нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников эти методы практически не применялись. Поэтому экспериментальные исследования нелинейных СВЧ свойств с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии являются важной задачей для изучения механизмов нелинейности в сверхпроводниках.
Исследования механизмов нелинейности сверхпроводников интересны также с прикладной точки зрения. В настоящее время ВТСП широко используются в фильтрах, мультиплексорах, линиях задержки, резонаторах и т.д. [11, 12]. Однако, при увеличении мощности СВЧ сигнала нелинейность СВЧ отклика сверхпроводников приводит к возрастанию потерь в фильтрах и резонаторах или искажению сигнала в линиях передач, что ограничивает их применимость. Поэтому результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для минимизации этих эффектов в пассивных сверхпроводящих СВЧ устройствах.
Исследования нелинейных СВЧ свойств методом ближнепольной СВЧ микроскопии также валены для тестирования параметров пленок, которые используются при изготовлении сверхпроводящих СВЧ структур. Необходимым условием является сохранение качества поверхности образца в процессе диагностики, что может быть осуществимо только на основе бесконтактных неразрушающих методик. В то же время, при изготовлении сверхпроводящих структур валена их однородность. Поэтому для локальной бесконтактной диагностики были предложены различные методы ближнепольной СВЧ микроскопии, которые позволяют исследовать СВЧ свойства сверхпроводников и сверхпроводящих структур с достаточно высоким разрешением [9, 10]. Однако, методы тестирования основных сверхпроводящих параметров с помощью этих методик были не достаточно развиты. Поэтому развитие методов бесконтактной локальной диагностики сверхпроводящих параметров на основе изучения локальных нелинейных СВЧ свойств является важной задачей.
Цель работы
Целями настоящей диссертации являются:
- проведение экспериментальных исследований нелинейных СВЧ свойств с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии для определения механизмов, ответственных за нелинейный
СВЧ отклик в высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводниках;
- развитие методов локальной бесконтактной диагностики качества сверхпроводников и определение локальных сверхпроводящих параметров на основе изучения транспортных и нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.
Научная новизна
Впервые ближнепольный СВЧ зонд с индуктивной связью использован для изучения локальных нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников и сверхпроводящих структур.
Установлена корреляция между температурной зависимостью нелинейного СВЧ отклика и температурной зависимостью удельного сопротивления сверхпроводника для высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников.
Исследовано влияние микроструктуры пленок YBCO на их нелинейные СВЧ свойства при температурах близких к Тс.
Предложена феноменологическая модель, основанная на модели эффективной среды для анализа нелинейного СВЧ отклика гранулированных сверхпроводников.
Для пленок Nb при температурах близких к Тс обнаружена немонотонная зависимость амплитуды максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники от внешнего постоянного магнитного поля.
Показано, что в постоянном магнитном поле менее 500 Гс при высокой СВЧ мощности нелинейные СВЧ свойства пленок Nb обусловлены нелинейной вязкостью вихрей.
Научная и практическая значимость
Научная значимость работы состоит в изучении локальных нелинейных СВЧ свойств высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников методом ближнепольной СВЧ микроскопии с целью определения механизмов нелинейного СВЧ отклика в них.
Практическая значимость результатов заключается в возможности их использования для:
бесконтактной диагностики локальных параметров высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводников и сверхпроводящих структур, выполненных на их основе с помощью метода нелинейной ближнепольной СВЧ микроскопии;
уменьшения нелинейных СВЧ эффектов в пленках YBCO за счет увеличения среднего размера кристаллита;
уменьшения нелинейных СВЧ потерь в ниобиевых СВЧ резонаторах.
Основные положения, выносимые на защиту
Метод ближнепольной СВЧ микроскопии, основанный на использовании зонда с индуктивной связью, может быть применен для исследований нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников.
Критической температура, измеренная с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии, коррелирует с критической температурой, определенной из резистивных измерений, для различных сверхпроводников.
Полуширина температурной зависимости мощности третьей гармоники коррелирует со средним размером кристаллита и критическим током пиннинга для пленок YBCO.
В пленках YBCO при больших размерах микрокристаллитов нелинейный СВЧ отклик определяется внутрикристаллитным пиннингом вихрей, а при уменьшении их размеров появляется дополнительный вклад в отклике, связанный с пиннингом магнитного потока на джозефсоновской сетке межкристаллитных границ.
При температурах близких к Тс амплитуда максимума температурной зависимости мощности третьей гармоники пленок Nb немонотонно зависит от внешнего постоянного магнитного поля.
Личный вклад автора в получение результатов
- равнозначный вклад (совместно с Ю.Н. Ноздриным и В.В. Ку
риным) в разработку метода ближнепольной СВЧ микроско
пии, основанного на использовании зонда с индуктивной связью
[А2,А4,А5,А7];
равнозначный вклад (совместно с Ю.Н. Ноздриным) в экспериментальное исследование нелинейного СВЧ отклика различных сверхпроводников в зависимости от температуры, магнитного поля и пространственных распределений мощности третьей гармоники для пленок ВТСП и основной вклад в анализ экспериментальных данных [А1-А20];
основной вклад в измерение температурных зависимостей мощности третьей гармоники и величины тока пиннинга для пленок YBaCuO с различным размером кристаллита и равнозначный вклад (совместно с В.В. Куриным) в проведение анализа экспериментальных данных в рамках феноменологической модели двухфазной среды [А21-А25];
основной вклад в измерения нелинейного СВЧ отклика и вольт-амперных характеристик пленок Nb во внешнем постоянном магнитном поле и обработку экспериментальных данных на основе моделей нелинейной вязкости вихрей, джо-улева нагрева сверхпроводника и крипа магнитного потока [А4, А7,А11,А12, А14, А26, А27].
Апробация работы и публикации
Диссертация выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте физики микроструктур РАН в период с 1997 по 2012 год.
Основные результаты были представлены на Всероссийских совещаниях по физике низких температур (Казань — 2000 г., Екатеринбург — 2003 г., Ростов-на-Дону—2006 г.); 2-4-ая, Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (Звенигород - 2006, Звенигород -2008, Звенигород -2011); на международной конференции по прикладной сверхпроводимости (Virginia Beach—2000 г.), на международной конференции по сверхпроводящей электронике (Osaka—2001 г.), на 11 международном студенческом семинаре по СВЧ приложениям (Санкт-Петербург—2004 г.), международной конференции по современным проблемам сверхпроводимости (Ялта—2002 г.), 9-ой международной микроволновой конференции (Севастополь—1999 г.) и опубликованы в работах [А1-А27]. Основные результаты диссертационной работы также обсуждались на семинарах в ИФМ РАН и ФТИ РАН.
По теме диссертации опубликована 31 работа (10 статей в реферируемых журналах, 10 докладов на международных конферен-
циях, 7 докладов на всероссийских конференциях и совещаниях, 4 доклада на нижегородских сессиях молодых ученых).
Объем и структура диссертации
Экспериментальные методики исследования нелинейного СВЧ отклика в сверхпроводниках
Более чувствительные измерения нелинейности в сверхпроводниках могут быть выполнены на основе изучения генерации гармоник и интермодуляционных искажений сигнала в сверхпроводящих СВЧ устройствах. В случае интермодуляционного сигнала нелинейного СВЧ отклика разность частот Д/ = /1 — /2 много меньше чем полоса пропускания устройства, но достаточно большая по сравнению с шириной спектра основных сигналов на частотах Д и /2 (рис. 1а). Из-за нелинейности генерируется интермодуляционные сигналы третьего порядка на частотах 2 А — /2 и Л — 2 fо которые отличаются на величину Д f от сигналов А и /2 соответственно. Поскольку все сигналы находятся внутри полосы частот СВЧ устройства не требуется специальных разработок широкополосной измерительной системы. В этом случае при малых СВЧ мощностях мощность интермодуляционного сигнала _Р _ третьего порядка кубично зависит от мощности исходных сигналов А при больших СВЧ мощностях наблюдается насыщение зависимости Р2 _ (Р ).
В случае генерации гармоник, сигнал на частоте Д подается на СВЧ устройство. Если сверхпроводящее СВЧ устройство симметрично относительно обращения времени (например, если пет остаточного магнитного потока), то вольт-амперная характеристика V(I) имеет нечетный вид V(—I) = —V(I). В этом случае из-за нелинейности V{I) в СВЧ устройстве генерируются только нечетные гармоники сигнала (рис. 16). При этом, обычно измеряется мощность СВЧ сигнала на частоте третьей ЗД гармоники как функция мощности СВЧ сигнала на частоте Д. Как и в случае интермодуляционных искажений сигнала, при малых СВЧ мощностях сигнала мощность СВЧ сигнала на частоте третьей гармоники кубично зависит от мощности первой Рз jPJ1 (п = 3). В то же время, при больших мощностях СВЧ сигнала часто наблюдается уменьшение показателя степени п, связанное с насыщением зависимости Р (РШ).
Для изучения нелинейных СВЧ свойств сверхпроводников, на сегодняшний день развиты и широко используются различные резонаторные методики исследований. Это связано с тем, что они позволяют создавать довольно сильное СВЧ поле внутри резонатора, необходимое для наблюдения нелинейных эффектов. Для этих целей используются объемные резонаторы с образцом, помещенным внутрь [31,34], конфокальные резонаторы [35], резонаторы, выполненные на основе планарной технологии [11] и коаксиальные резонаторы [17,36].
Для исследований нелинейных СВЧ свойств сверхпроводящих пленок обычно используются объемный [31, 34, 37] и диэлектрический резонатор, резонатор с параллельными пластинами из сверхпроводника [38], конфокальный резонатор [35] (рис. 2). Поскольку эти методики наименее подвержены влиянию внешних эффектов, таких как обработка пленки или ее приготовление, их легко использовать и они дают большое число первоначальной информации о свойствах пленки. Однако, следует отметить, что повторяемость этих методик в общем случае невелика. Это связано, как правило с возможными изменениями свойств образца возникающими как при монтаже пленки, так из-за термоциклирования системы.
Наиболее распространённые типы СВЧ резонаторов, используемых для характеризации тонких пленок: а) диэлектрический резонатор, закороченный с двух сторон (Хаки-Колемана); б) объемный резонатор с вносимым внутрь образцом; в) дисковый резонатор; г) нолосковый резонатор. Для исследований поверхностного импеданса сверхпроводящих СВЧ устройств, выполненных на основе сверхпроводящих пленок, широко используются резонаторы, выполненные на основе планарной технологии (рис. 2). Поскольку планарные резонаторы не состоят из составных частей, результаты измерений являются более воспроизводимыми по сравнению с большинством резонаторов, в которых образец является внешним объектом. Наиболее часто встречаются следующие типы резонаторов: микрополосковые, полосковый [11] и компланарный резонатор. Общим свойством таких резонаторов по сравнению с упомянутыми выше объемными резонаторами является то что они имеют высокую плотность тока на краях полоска резонатора. Это может препятствовать например измерениям нелинейного СВЧ отклика в Мейснеровском состоянии поскольку наличие высокой плотности тока на краю резонатора может привести с проникновению вихрей созданных СВЧ током тек\чним по полоску Кроме этого недостатком этой методики измерения является линии (обычно 0 5 мкм) которая может давать существенный вклад в нелинейный
Также следует отметить, что общим недостатком упомянутых выше резонаторов является то, что в этих измерениях определяются средние величины импеданса образца Zs и делается предположение о том, что материал однороден. Однако, неоднородность образцов может сильно влиять на измеряемые величины импеданса сверхпроводников Zs. Поэтому, для изучения локальных СВЧ свойств сверхпроводников в 1990-х годах были предложены методы, основанные на ближнепольной микроскопии [36,39-43]. В этом случае возможно создание поля вблизи ближненоль-ного зонда на масштабах много меньших длины волны. При этом, пространственное разрешение определяется большим из двух экспериментально контролируемых параметров: расстоянием между зондом и образцом или характерным размером, который определяется структурой поля в ближней зоне от источника излучения.
Криогенная система
Основные методы исследования свойств сверхпроводящего состояния основаны на изучении транспортных, магнитных или СВЧ свойств сверхпроводника. С помощью этих методов могут быть определены такие фундаментальные параметры сверхпроводника, как критический ток, критическая температура, критические магнитные поля, длина когерентности, величина сверхпроводящей щели и др. В то же время изучение зависимостей различных измеряемых величин от температуры, магнитного поля, тока или интенсивности электромагнитного излучения позволяет сделать выводы о природе сверхпроводящего состояния.
Стандартным и прямым методом исследования сверхпроводящего состояния является метод транспортных измерений [1, 95, 105]. С помощью этого метода измеряется интегральные удельное сопротивление р(Т, Я) или вольт-амперная характеристика V(I,T, Н) сверхпроводящего мостика в зависимости от температуры и магнитного поля. Из измерений р(Т,Н) и V(I,T,H) могут быть определены важные характеристики сверхпроводника, такие как верхнее критическое поле HC2, длина когерентности , или критический ток Jc, критическая температура и др. Эти измерения обычно выполняются с помощью четырехзондовой схемы измерений. Этот метод исследования является довольно простым для использования и интерпретации экспериментальных результатов. Однако его недостатком является то, что изготовление сверхпроводящего мостика может приводит к деградации образца.
Другой метод изучения сверхпроводящих свойств основан на исследовании магнитных характеристик сверхпроводника. Для этих целей применяется методика, основанная на измерении магнитной восприимчивости образцов [85, 96-98]. В этом случае к образцу прикладывается внешнее переменное магнитное поле на низкой частоте, и снимается интегральная намагниченность образца на основной и высших гармониках магнитного поля. Из этих измерений на основе различных моделей может быть определен критический ток пиннига сверхпроводника, второе критическое поле, критическая температура и др. Для изучения локального распределения намагниченности в образце применяются методы, основанные на Холловской микроскопии [106], микроиндуктивности [107] и магнитооптический метод исследования [108]. Из пространственных распределений намагниченности образца можно найти критический ток пиннинга, проследить динамику проникновения магнитного потока в сверхпроводник или восстановить картину распределения токов в нём. Преимуществом магнитных измерений является то что они проВОДЯТСЯ бесконтактным способом.
Не менее популярным методом является метод СВЧ исследований [11, 34, 109, 110]. Из измерений действительной и мнимой частей поверхностного импеданса можно определить такие фундаментальные параметры сверхпроводника, как лондоновская глубина проникновения, комплексная проводимость, величина энергетической щели и длина когерентности. В то же время, поверхностный импеданс может быть чрезвычайно чувствителен к фазовому составу и кристаллическому совершенству образца.
Для исследования локальных сверхпроводящих свойств в последнее время были развиты зондовые методы исследования на основе сканирующих лазерных [111,112] и электронных [113-117] микроскопов. Эти методики основаны на термическом нагреве электронным или лазерным пучком некоторой области сверхпроводящего полоска, что приводит к изменению локальных свойств сверхпроводника и величины регистрируемого напряжения. Сканирование пучком по поверхности образца дает возможность определить пространственное распределения локальных характеристик образца, таких как критический ток и критическая температура сверхпроводника на масштабах нескольких мкм. С помощью этих методов могут быть построены пространственные распределения СВЧ токов как на основной так и интермодуляционной частотах в полосковых СВЧ резонаторах с пространственным разрешением нескольких мкм [118]. Однако недостатком этого метода является то что необходимо изготовление сверхпроводящего мостика. Для изучения локальных сверхпроводящих характеристик бесконтактным способом были предложены довольно перспективные методы ближнепольной СВЧ микроскопии [17,18]. Однако методы тестирования основных сверхпроводящих параметров с помощью этих методик практически не были разработаны. Поэтому развитие методов бесконтактной локальной диагностики сверхпроводящих параметров на основе изучения локальных нелинейных СВЧ свойств является важной задачей.
В настоящей главе показано, что метод ближнепольной СВЧ микроскопии является важным инструментом для исследования характеристик сверхпроводников. Этот метод позволяет проводить бесконтакные локальные измерения критической температуры, магнитных свойств, фазового состава, определять характерный критический ток нелинейности сверхпроводников и распределение критической температуры высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводящих пленок с пространственным разрешением много меньшим длины волны в широком диапазоне интенсивностей СВЧ сигнала и температур. Ниже рассмотрим основные применения метода ближнепольной нелинейной СВЧ микроскопии для исследования свойств сверхпроводников.
Тестирование однородности сверхпроводящих пленок и сверхпроводящих структур на их основе
Высокотемпературные сверхпроводники С помощью экспериментальпой установки, показанной на рис. 12 были выполнены измерения нелинейного СВЧ отклика в зависимости от температуры для пленок YBCO. На рис. 18 представлены типичные температурные зависимости мощности третьей гармоники P3uJ(T) при различной входной мощности Ри для пленки УВС О в области температур близких к Тс. Температурная зависимость нелинейного отклика демонстрирует характерный довольно узкий пик нелинейности шириной порядка 2-3 К при температуре вблизи 85 К. При повышении мощности падающей волны Рш максимум температурной зависимости нелинейного отклика Тзш(Т) увеличивается по величине и монотонно смещается в сторону меньших температур. В то же время температура исчезновения нелинейного отклика (справа от пика нелинейности) почти не зависит от мощности первой гармоники Рц,. На рис. 18 также представлены температурные зависимости плотности тока пиннинга jn(T) эффективной плотности тока распаривания і г(Т) и удельного сопротивления р(Т\ Сравнивая Pi (Т \ и о(Т} можно заметить что кри-тическая температура Xі которую можно определить из измерений ТЄМПЄТІЯТУПнОЙ
Заметим, что обнаруженная корреляция Р Т) и р(Т) может быть использована для бесконтактных измерений Тс пленок YBaCuO. Такая диагностика была впервые осуществлена в работе [Al2], в которой методом ближнепольной СВЧ микроскопии проводились измерения критической температуры пленок YBaCuO с различным катионным составом. В этой работе с помощью различных методов были проведены систематические исследования особенностей морфологии поверхности и сверхпроводящих свойств эпитаксиальных пленок YBaCuO, полученных из мишеней различного катионного состава методом магнетронного распыления. Было установлено, что в 90 off-axis-конфигурации магнетронной системы напыления возможна реализация условий роста при которых выращиваемые пленки не содержат преципитатов СиО и имеют хорошие сверхпроводящие свойства (Тс 88 К, jc(77K) 4 10 А/см ). Преимуществом измерений критической температуры методом ближнепольной СВЧ микроскопии являлось то что в процессе измерений нелинейного СВЧ отклика не происходила деградация пленок Это позволяло проводить дальнейшие исследования морсЬологии поверхности пленок с помотттъто различных методов микроскопии на этих ж.е образцах Таким образом роста пленок YBaCuO для получения образцов с высокими сверхпроводящими параметрами.
Данный метод позволяет определять критическую температуру сверхпроводника под тонким слоем металла с толщиной меньше глубины скин-слоя. В частности, с помощью метода ближнепольной СВЧ микроскопии была измерена локальная критическая температура Тс сверхпроводящей пленки YBaCuO под тонким слоем толщиной порядка 1000 А золотого контакта. Оказалось, что критические температуры под контактом и около него отличаются друг от друга на 1 К. Это, по-видимому, было связано с уходом кислорода из области металлического контакта в процессе его напыления. Таким образом, данный метод может быть также использован для диагностики сверхпроводников, находящихся под слоем металла.
Низкотемпературные Nb пленки Измерения также показали, что корреляция обнаруженная для высокотемпературных сверхпроводников сохраняется и для низкотемпературных сверхпроводников. На рис. 20 показаны типичные температурные зависимости мощности третьей гармоники Рз (Т ), плотности тока пиннинга jp(T) и удельного сопротивления р(Т) для сверхпроводящих пленок Nb. В данных образцах мы наблюдали узкий пик нелинейности шириной 0.1 К. Как видно из рис. 20, в пленках Nb нелинейный отклик появляется (как и в случае пленок YBCO) при переходе образца в сверхпроводящее состояние, а ток пиннинга iv наблюдается при температурах меньших температуры максимума РзиііТ) нелинейного отклика.
Полученная корреляция Рзш(Т) и р(Т) позволила выполнить более сложную диагностику наличия сверхпроводимости в пленке Nb, находящейся в трехслойной структуре Nb/57Fe/[Mo/Si] [А22]. Эта структура была изготовлена для исследования влияния сверхпроводящей пленки Nb на свойства ферромагнитной пленки 57Fе. А многослойная структура [Si/Mo]-45 использовалась для создания "генератора стоячих волн-рентгеновского синхротронного излучения. В этой работе были измерены временные спектры ядерно-резонансного отражения при нескольких углах скольжения вблизи критического угла полного отражения и в окрестности брэгговского отражения. Наблюдалось слабое изменение временных спектров при изменении температуры в окрестности сверхпроводящего перехода. Однако сложностью диагно стики такой структуры являлось то, что было необходимо протестировать сверхпроводящие свойства Nb пленки бесконтактным методом. Для этих целей был успешно применен метод ближнепольной СВЧ микроскопии.
Многослойные структуры Mo/Si, Мо/ВАС и PbTe/PbS Другим примером бесконтактных локальных измерений критической температуры сверхпроводника являются многослойные структуры Mo/Si, Мо/В4С и PbTe/PbS. Многослойные структуры Mo/Si ранее использованы в ИФМ РАН для создания рентгеновских зеркал. Поскольку из литературы было известно, что многослойные структуры могут проявлять сверхпроводящие свойства при температурах выше температуры 4.2 К, нами была сделана серия измерений нелинейного СВЧ отклика для различных рентгеновских зеркал. В образцах Mo/Si и Мо/В4С был обнаружен максимум температурной зависимости Р ІТ). Далее были сделаны измерения удельного сопротивления Mo/Si и Мо/В4С которые подтвердили наличие сверхпроводимости в таких структурах и корреляции Рзш(Т) и р(Т) (рис. 22). В этом случае слоистые структуры демонстрируют критическую температуру 5-8 К которая сильно отличается от критической температуры равной 0.92 К в объемном материале Мо. Таким образом, метод ближнепольной СВЧ микроскопии позволил выполнить
Поведение температурной зависимости мощности третьей гармоники в пленках Nb во внешнем постоянном магнитном поле
Итак, на полученных образцах YВа2Си307-х с помощью вышеперечисленных методик были проведены исследования транспортных и нелинейных СВЧ свойств 10 пленок YВа,2СщО 7-х с различным значением среднего размера кристаллита а и микродеформации ее в диапазонах от 0.2 до 0.8 мкм и от Ю до 4 Ю-2, соответственно. В этих экспериментах мы изучали зависимость величины полуширины максимума третьей гармоники и ЕВІУ-сшт&лзь от структурных параметров, поскольку, как будет показано ниже, уширение температурных зависимостей этих сигналов определяется таким фундаментальным свойством сверхпроводников, как критический ток образца.
На рис. 36 показаны зависимости полуширин пиков сигналов третьей гармоники и ЕВІУ-сигнала от среднего размера кристаллита а. Из рисунка видно, что полуширины сигналов, полученные с помощью двух независимых методик, уменьшаются с увеличением среднего размера кристаллита.
Полуширины но методу ближнепольной СВЧ микроскопии определялись следующим образом. Записывались температурные зависимости сигналов на частоте третьей гармоники Рзш(Т) с площади пленки порядка размеров СВЧ зонда - 50 мкмX1мм. Далее измерялись полуширины пика нелинейного отклика, и строилась зависимость полуширины функции Рзш{Т) WTH ОТ среднего размера кристаллита - WTH{a) (на рис. 36, кружки).
В случае EBIV-ситалді процедура обработки была несколько сложнее, поскольку температурная зависимость интегрального сопротивления сверхпроводящих по-лосков может отличаться от поведения сопротивления локальных фрагментов. Эта методика позволяет снимать Тс - карты [116,117,146], с помощью которых можно построить функции распределения фрагментов пленки по критической температу 97 И
Зависимость полуширины пика сигнала третьей гармоники WTH (кружки), полуширины кривой EBIV - сигнала WEBiv (квадраты) и плотность критического тока пиннинга jp(77 К) (треугольники) от среднего размера кристаллита а для YBa2Cu307. Сплошной, пунктирной и шрихпунктирной линией показана аппроксимация зависимости W(a) с помошью модели эффективной среды для нелинейного отклика, сигнала EBIV и тока пиннинга, соответственно. ре - F(Tci). Размер фрагмента составляет примерно 4 мкм и определяется размером зонда и зоной теплового разогрева. Кроме того, этот метод позволяет определять температурную зависимость локального сопротивления Pi(T) из кривой EBIV-сигнала фрагмента f(TCi).
При этом следует отметить, что при описании неоднородностей Тс с помощью функций F(Tci) И /(Т ) можно сделать предположение о статистической независимости фрагментов и кристаллитов по критической температуре на основании неравенства: -С а С г С Lb. Где - длина когерентности (2-10 А); а - средний размер кристаллита (0.2-0.8 мкм); г - средний размер фрагмента (4-5 мкм); Ьь - размер СП полоска (100-600 мкм). Также следует отметить, что теоретический анализ экспериментальных данных показал (см. раздел 4.6), что разброс кристаллитов но критической температуре может привносить дополнительный вклад в основной механизм уширения сигналов EBIV и третьей гармоники. Поэтому при получении параметра WEBIV была проведена дополнительная процедура обработки экспериментальных данных для того, что бы уйти от ошибки, происходящей по причине различия между интегральными и локальными зависимостями р(Т). А именно, производилась свертка функций F(Ti) и /(Tj) по следующей схеме. Сначала находится локальное значение удельного сопротивления фрагментов pi(T,Tc) из ЕВ1Усситпалов (4.2): Pi(TCi,T)-Jo -j- —.dT (4.3) Затем для двумерного случая находится удельное сопротивление (р)(Т) на масштабе порядка размеров СВЧ зонда в приближении эффективной среды [146-148]: ЕІ## ВД = 0 (4.4) г=1 (Р/У1 ) + Pi\-LCi,-l ) И наконец, считаем восстановленную функцию OEBIV\-L ) на масштабе порядка VOJJЧ зонда: ,EBIV()) = AT (4.5) где Is - сила тока на масштабе 50 мкм. В итоге мы имеем восстановленную температурную зависимость ЕВ/У-сигнала на масштабах СВЧ зонда (50 мкмх1 мм) -SEBIV{T). При этом нормировка функций SEBIV(T) ДЛЯ каждого образца производилась на поверхностную плотность кристаллитов на масштабе 50 мкмх1 мм. Полуширины этих функций SEBIV отложены на рис. 36 (квадраты) как WEBiу(а); они сравниваются с данными, полученными методом ближнепольной нелинейной СВЧ микроскопии - WTH (рис. 36).
Для интерпретации экспериментальных данных по измерению полуширины температурной зависимости пика нелинейного отклика WTH и полуширины кривой EBIV-сигнала WEBIV (рис. 36) рассмотрим следующую феноменологическую модель двух фазного сверхпроводника. Пусть пленка сверхпроводника состоит из фазы цилиндрических сверхпроводящих гранул, помещенных во вторую среду, которую будем называть матрицей. При этом считаем, что первая фаза описывает сверхпроводящие свойства микрокристаллита, а вторая фаза моделирует наличие межкристал-литного пространства в сверхпроводящей пленке. В частности, такой подход позволяет моделировать также среду сверхпроводящих гранул, соединенных между собой джозефсоновскими связями [11,77]. Кроме того, для с - ориентированных пленок УВ і2СизОт—г можно считать что ось цилиндрического микрокристаллита совпадает с кристаллографической осью с. В этом случае, анизотропией текстуры можно пренебречь поскольку ток в эпитаксиальной пленке течет как в случае нелинейного СВЧ отклика так и в случае /_В/Т -сигнала параллельно плоскости о — Ъ.
Сверхпроводящие свойства этих сред будем описывать вольт-амперной характеристикой (ВАХ) E(j,T,H) [149,150], которая в нашем случае будет зависеть только от температуры Т, поскольку в эксперименте постоянное магнитное поле Н было равно нулю. Как известно, различные модели резистивного состояния дают разные зависимости тока от электрического ноля E(j, Т) [103], но все они обладают общими чертами. В частности, ВАХ сверхпроводников моделируется наличием критического тока в окрестности которого ВАХ сильно нелинейна и существованием линейного участка при больших токах. Для описания этих особенностей ВАХ сверхпроводников мы воспользуемся феноменологическим подходом и возьмем в качестве модельной зависимости вольт-амперную характеристику безгистерезисного джозефсоновского контакта [78]. Запишем в этом случае связь напряженностей электрического ноля Ei и Ео с плотностями токов в первой ji и второй среде То соответственно: Ei)2(ji,2,T) = Pni,2sign{jh2)Jjl2 - fa 2(Т)— (4.6) V .71,2 где jcl(T) и jc2(T); рп1 и рп1 - критические плотности токов и удельные сопротивления этих фаз, соответственно, а j1 2 - проекции векторов jli2. При этом считаем, что сверхпроводящие параметры этих фаз могут отличаться друг от друга как величиной критического тока jc, так и величиной удельного сопротивления в нормальном состоянии рп. Заметим также, что выбранная нами ВАХ джозефсоновского контакта позволяет описать основные особенности резистивного состояния сверхпро водников. А именно, при токах меньших критического сопротивление равно нулю, а при превышении критического тока, на вольт-амперной характеристике появляется напряжение, связанное с движением вихрей через контакт. Следует также отметить, что ВАХ джозефсоновкого контакта описывает случай сильной нелинейности, т.е. когда ток текущий по контакту становится выше критического тока jc (см. также раздел 1.4.2).
