Введение к работе
1.1 Актуальность тематики
Реферируемая диссертационная работа посвящена псспедсваплям ттсеерх-ностного импеданса эпптаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника УВагСизОу-х в СВЧ диапаооне.
Одно из уникальных свойств сверхпроводников состоит в том, что при температурах ниже критической электрический ток протекает через материал < пулевым или очень малым сопротивлением. Поптому чрезвычайно актуальным и интересным является поучение экранировки сверхпроводниками внешнего постоянного или переменного электромагнитного поля. Исследование действительной и мнимой частей поверхностного импеданса Z„ = Rs+iXs сверхпроводника дает важную информацию о физических свойствах, обусловленных как собственно природой сверхпроводящего состояния, так и реальной микроструктурой образца. На, основе измерений Rf и Хц можно определить такие фундаментальные параметры сверхпроводника, как глубина проникновения поля в сверхпроводник Л, комплексная проводимость, величина, энергетической щели, длина когерентности, время свободного пробега носителей оаряда.
В настоящее время основной областью применения высокотемпературных сверхпроводников (ВТСГГ) является ялоктротппса, гтедстагшяющая собой результат развития тонкопленочной технологии. Тонкие эпитакси-альные пленки ВТСП с низкими микроволновыми потерями на монокристаллических подложках достаточно большой площади не имеют альтернативы, в частности, с точки зрения применения в резонаторах, фильтрах, линиях задержки и других селективных устройствах в СВЧ диапазоне. Эпитаксиальные пленки ВТСП являются мозаичными монокристаллами, и поэтому представляют значительный интерес как объекты для изучения фундаментальных свойств ВТСП. Наиболее перспективным материалом для практических применений является в настоящее время соединение УВа2Сиз07_х (YBCO) с критической температурой 92ГК, имеющее наименьшие ио всех ВТСП микроволновые потерн.
Коэффициент отражения электромагнитной волны от поверхности сверхпроводника очень Гшп:юк к единице, и іюптому для зкеперпменталь-ных измерений Zs используются, как правило, различные резонаторные методики. R. С. ТаЪег предложил полосковый резонатор с параллельными пластпнамп (РПП), - Parallel Plate Resonator [Rev. Sci. lustrum. 61, 2200 (1991)], для неразрушающих измерений CB'I потерь в сверхпроводя-гцих пленках на частоте 10 ГГц. РПП представляет собой полуволновый, разомкнутый на концах отрезок шшосковой пинии, образованный двумя сверхпроводящим пластпнамп (пленками на'диэлектрических подложках), сложенными друг с другом череп тшшги ~ 10 мкм диэлектрик, обычно из тефлона. Основным видом потерь в резонаторе являются омические. Эта методика оказалась весьма эффективной для исследований Z, пленок ВТСП и нашла широкое распространение в мировой практике. Основными проблемами (они решены в диссертационной работе) при реализации метода является обеспечение величины связи с РПП, достаточной для адекватного анализа его амплитудно-частотной характеристики, и наличие паразитных резонансных мод в медной камере, окружающей РПП.
Полосковые резонаторы позволяют измерять очень малые изменения R, и Xs сверхпроводников и определять абсолютное значение Д,. Однако измерение абсолютного значения Х„ ос шХ представляет весьма сложную задачу из-за малости А ~ 50 — 1000 нм. В монографии [Ф. Ф. Менде, А. И. Спииын, "Поверхностный импеданс сверхпроводников", Киев, Наукова думка, 1985] отмечается: "... большинство методов измерения /абсолютного значения А/ основано на измерении температурной зависимости приращения А(Т) и последующим ее вычислении с использованием температурной зависимости А(Т), следующей из той или иной теоретической модели. Конечно такой метод в полной мере зависит от того, насколько данная модель соответствует действительности /для ВТСП адекватная модель отсутствует/. Вторым существенным препятствием является то, что мы не можем определять макроскопические размеры образцов с. необходимой точностью". В результате отличие абсолютных величин А(Г = 0), определенных по. такой методике в рамках классических двух-жидкостной модели и модели Бардина-Купера-Шриффера, достигает для ВТСП 50-100% (!). Таким образом, создание метода для определения , абсолютной величины А при фиксированной температуре является чрезвычайно актуальным, особенно в случае ВТСП.
Физические свойства эпптаксиальных пленок ВТСП в значительной степени определяются их реальной микроструктурой, которая зависит от свойств монокристаллической подложки, от параметров процесса эпи-
пікеті її от толщины слоя ВТОП. Поэтому комплексное изучение тране-
по])тчых свойств п микроструктуры пленок ВТСП в зависимости от этих—
параметров актуально как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. К настоящему времени известно лишь несколько работ, посвященных изучения) эффективного поверхностного СВТ1 импеданса тонких пленок ВТСП и зависимости от толщины ВТСП слоя, причем ни в одной из них но удалось получить удовлетворительного согласия между экспериментальными данными и электродинамической теорией при постоянном (не зависящем от толщины слоя) характеристическом импедансе оЬразцои. Исследование плшшпя параметров процесса '.шнтаксіш тонких пленок ВТСП на нх микроструктуру и транспортные свойства является одной из наиболее актуальных задач в области физики тонких пленок ВТСП. Как правило, наилучшие различные параметры пленки (поверхностная гладкость, критическая температура, СВЧ потери и т.д.) достигаются при различных условиях эпитаксии. Поэтому для получения высококачественного образца, пригодного как для практических применений (например для использования в СВЧ устройствах), так и для проведения на его основе фундаментальных исследований, необходима оптимизация процесса роста по той характеристике образца, которая требуется в данном конкретном случае. Исследованию этих вопросов посвящено значительное количество работ, однако проблема изучена далеко не полностью. В частности, ни в одной из работ детально не исследовалась зависимость поверхностного СВЧ сопротивления пленок ВТСП от условий эпитаксн-ального роста.
ВТСП принадлежат к сверхпроводникам второго рода, в которые магнитное поле проникает в виде аорикосовских вихрей. Исследование СВЧ свойств пленок ВТСП в постоянном магнитном поле позволяет определить феноменологические коэффициенты в моделях, описывающих поведение вихрей. Кроме того, такие исследования важны для ряда применений пленок ВТСП в электронных устройствах, работающих в присутствии магнитных полей. Основным параметром, характеризующим поведение вихря в переменном поле частоты w% является частота деппппинга шл1>. При и> <С w,/;, электродинамический отклик сверхпроводника определяется пиннингом вихрей, а при ш > wjp - их вязкостью; при ш ~ wj,, в отклике участвуют оба механизма. Для большинства низкотемпературных сверхпроводников w&v ~ 107-10к Гц и может быть определена из измерений частотной зависимости поглощения в смешанном состоянии. Однако для ВТСП wjp лежит в СВЧ диапазоне и проведение таких измерений является крайне сложной задачей. В то же время, определение wjp возможно
на пенит- одновременного исследования п магнитном ноле дсіістиптелі.-ноіі и мнимой маетен поверхностного СВЧ импеданса ВТСП образцов. К настоящему В])ем(чш известно лишь несколько работ, в которых коэффициенты вязкости и нпшшнга n ВТСП определены одновременно на основе исследовании одного и того же ооралца. РІПІ позволяет это сде-
JlilTI. <' ІІ'ІГІІІ. ІІІ.НЧЖОП ТОЧНО!ТІ.1(1.
1.2 Цель работы
Оспошіг.іе целіг работы состояли it следующем:
создать экспериментальную методику(н) для исследовании действительной и мнпмоп мастей поверхностного СВЧ импеданса тонких пленок ВТСП, в том мисле позволяющую проводить экспресс-измерение СВЧ потерь, мто необходимо для сопровождения технологинеского процесса полумения пленок.
изумить влияние ряда малоисследованных факторов, таких как толщина ВТСП слоя, параметры процесса эинтаксии, микроструктура образца, а также внешнее магнитное поле, на поверхностный СВЧ импеданс тонких пленок ВТСП.
1.3 Научная новизна работы
Новизна работы определяется как оригинальностью поставленных экспериментов, так и полуменными новыми результатами, и заклюмается в следующем:
-
Предложен новый метод; для измерения при фиксированной температуре (77 К) абсолютной велимнны мнимой масти поверхностного СВЧ импеданса пленок ВТСП. Основу метода составляет модифицированный РПП с непрерывно перестраиваемой толщиной диэлектрика, в каместве которого служит жидкий азот. В настоящее время это единственный СВЧ метод измерения абсолютного знамения глубины проникновения, результат которого не зависит от априорных моделей для зависимости ЦТ).
-
Разработан оригинальный метод на основе РПП, позволяющий легко проводить при температурах жидкого азота экспресс-анализ велимины поверхностного СВЧ сопротивления пленок ВТСП.
-
Полумены выражения для ненагруженной добротности и резонансной частоты резонатора с параллельными пластинами при умете краевых эффектов и во всем диапазоне изменения толщин сверхпроводящих
пластин и диэлектрического пространства, включая область толщин диэлектрика, при которых имеет место джозефсонозское туннслированпе. "Покапан^ что при малой толщине пластин и/или диэлектрика; при расче-те омической добротности РПП необходимо учитывать вклад кинетической энергии сверхпроводящих носителей в электромагнитную анергию, запасенную п резонаторе. Впервые исследованы зависимости добротности п резонансной частоты РПП в области промежуточных толщин диэлектрика, при которых происходит переход от колебаний на евпхар-товскнх волнах к колебаниям на частого плазменного джозефеоновского резонанса.
-
Впервые получена зависимость эффективного поверхностного СВЧ сопротивления (77 К, 10 ГГц) от толщины (5-300 нм) эиитаксиальных пленок YBCO, хорошо согласующаяся с результатами теоретического расчета для постоянных (не зависящих от толщины ВТСП слоя) действительной п мнимой частей характеристического импеданса YBCO.
-
Впервые изучена зависимость поверхностного СВЧ сопротивления тонких пленок YBCO (зыращенных методом магнетронного распыления на монокристаллическом сапфире с подслоем Zr02:Y) от температуры подложки в процессе лгпттаксиалыюго роста. Предложила моделі,, которая объясняет полученную зависимость на основе результатов исследований микроструктуры слоев YBCO, показавших, что с повышением температуры осаждения увеличивается степень их кристаллического совершенства н возрастают негомогенность п нарушения фазового состава.
0. Обнаружен и объяснен оффект необратимого увеличения дейстии-тельной и мнимой частелі поверхностного СВЧ импеданса, эпнтакс/ыль-ных пленок YBCO во внешнем коммутируемом м.сенатом поле.
1.4 Личный вклад автора в прорргтёнпые исследования
Личный вклад автора заключается в:
проведении теоретических расчетов РПП;
разработке методик и создании экспериментальных установок для исследований поверхностного СВЧ импеданса пленок ВТСП;
проведении СВЧ экспериментов и их интерпретации:
координации комплексных исследований, сопоставлении результатов изучения поверхностного СВЧ импеданса с результатами исследований микроструктуры образцов и транспортных свойств на постоянном токе.
1.5 Научная и практическая ценность работы
Новый метод намерении абсолютной величины глубины проникновения является весьма актуальным для сверхпроводимости, поскольку измерения проводятся при фиксированной температуре и их результат но пациент от априорных моделей дли зависимости А(Т). Разработанная экспресс-методика измерения поверхностного СВЧ сопротивления тонких пленок ВТСП и результаты изучения зависимости поверхностного СВЧ сопротивления пленок YBCO от температуры подложки в процессе» мштаксиллыюго роста, важны < точки зрения оптимизации технологических процессов выращивания пленок ВТСП с целью получения образцов с минимальными СВЧ потерями, и могут быть использованы в организациях, занимающихся получением и применением пленок ВТСП, например СПбГЭТУ, ФТИ РАН (С.-Петербург), ОТФ ФИ РАН, ИРЭ РАН, МЭИ (Москва). Данная методика уже в течение нескольких лет используется в ИФМ РАН для развития технологической базы, позволяющей получать высококачественные опптаксиальные пленки YBCO, с характеристиками на уровне лучших зарубежных аналогов. Результаты теоретических исследовании характеристик РПП актуальны с точки прения его применений для измерения поверхностного импеданса пленок ВТСП, и могут использоваться в лабораториях, занимающихся такими исследованиями. Исследования поверхностного СВЧ импеданса пленок YBCO во внешнем магнитном поле являются актуальными с точки зрения применений таких пленок в ВТСП микроэлектронных устройствах, работающих в присутствии магнитных полей, т.к. показывают, что в пленках может захватываться магнитный поток, который необратимым образом меняет поверхностный СВЧ импеданс образцов.
1.6 Научные положения выносимые на защиту
1. Предложенные методики на основе РПП и модифицированного РПП позволяют измерять при фиксированной температуре (77 К) абсолютную величину лондоновской глубины проникновения в пленках ВТСП, проводить экспресс-анализ величины поверхностного СВЧ сопротивления пленок ВТСП, исследовать зависимость действительной и мнимой частей поверхностного импеданса пленок ВТСП от внешнего магнитного поля.
2. Анализ зависимостей ненагруженной добротности, и резонансной частоты РПП от толщины сверхпроводящих пластин и диэлектрического пространства, включая область толщин диэлектрика, при которых имеет место джозефсоновское туннелирование.
.'?. Получении!' пппіттчсть эффективного поверхностного СВЧ сопротивления (77 К, 10 ГГц) от толщины (5-300 нм) ппптакснальных
-пленок YBCO (выращенных методом лазерного напыления на подлож-
кпх La,\10;i), хорошо согласуется с результатами теоретіпеского расчета для постоянных (но зависящих от толщины ВТСП слоя) действительной п мнимой частей харакгерпетического импеданса YBCO.
4. Полупенная зависимость эффективного поверхностного СВЧ со
противления тонких пленок YBCO (выращенных методом магнетронно
го распыления на монокристаллическом сапфпре с подслоем Zr02:Y) от
температуры подложки в процесса осаждения обусловлена двумя типами
изменений в микроструктуре слоев ВТСП - увеличением отследи кри
сталлического совершенства, и воэрасj аннем нстомогшшости и наруше
ний фазового состава, — происходящих с попышеппем температуры оса
ждения.
5. Обнаруженный эффект необратимого увеличения действительной
и мнимой пастей поверхностного СВЧ импеданса эпитакспальных пле
нок YBCO во внепшем коммутируемом магнитном поле объясняется на
основе модели проникновения вихрей в пленку жесткого сверхпроводника
второго рода.
1.7 Апробация результатов
Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
V German-CIS Bilateral Seminar он High-Temperature Superconductivity, Kloster-Banz, Oct. 5-9, 1992;
1994 Applied Slipeiconductivity Conference, Oct. 16-21, Boston, USA, 1994;
VIII Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High-Temperature Superconductivity, Lviv, Ukraine, September PG-09, 19"5;
5th International Superconductive Electronic Conference, September 18-21, 1995, Nagoya, Japan.
1996 Applied Superconductivity Conference, Aug. 25-30, Pittsburgh, USA, 1996;
IX Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on Superconductivity, Ga-belbach, Germany, September 22-27, 1996;
докладывались на научных семинарах ИФМ РАН;
включались в годовые отчеты ИФМ РАН и Российской Академии наук.
1.8 Публикации
/:D
Список публикации автора но темі1 диссертации включает и себя 8 статен в отечественных и зарубежных реферируемых журналах [1а], [2]-[4], [5а], [Ол], [(ш], [7]; препринт ІІІ1Ф Г'ЛП [16]; теинсн докладом па научных конференциях [1в], [4], [56], [6б]-[6г], [7], [8].
1.9 Структура диссертации
Диссертация состоит из оглавления," предисловия, шести глав, заключения, списка цитированной литературы и списка работ автора но теме диссертации. Первая глава является обоорнои, остальные посвящены оригинальным результатам. Общий объем диссертации составляет 109 страниц, включая 35 рисунков, одну таблицу и список цитированной литературы из 172 наименовании.
