Исследование напряженных состояний пленок YBCO методом туннельной спектроскопии Текст научной статьи по специальности «Физика»

ФИЗИКА

Вестник Омского университета, 2002. №3. С. 21-23.

© Омский государственный университет УДК 530.145+539.184.2

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ПЛЕНОК YBCO МЕТОДОМ ТУННЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

К.Н. Югай, К.Б. Коноваленко, А.Б. Муравьев!, Г.М. Серопян, С.А. Сычев$

\ Омский государственный университет, кафедра общей физики 644077, Омск, Мира 55а1 , |Институт сенсорной микроэлектроники СО РАН 644077, Омск, пр. Мира 55а

Получена 24 мая 2002 г.

Experimental results of researches of stressed states YBCO films are described by the method tunnel spectroscopy. It is explained a connection between the current voltage characteristics with characteristic maximums and deformable potential and also localization of electrons on boundary between the domains forming in the film. We have determined size of domains for the difference stressed films. It is discovered the dependence of domain's size from the degree of film's stress. We have theoretical model which very well correspond to experimental results.

В результате многочисленных экспериментальных и теоретических исследований было установлено существование трех основных типов сверхпроводящих тонких пленок YBCO: гранулярных, монокристаллических и напряженных [1-4]. Последние были обнаружены в результате поисков оптимальных физических параметров пленок, служащих основой для изготовления тонкопленочных ВТСП сквидов постоянного тока. Как оказалось, решением принципиальных сквидов-ских проблем явилось введение дополнительных механических напряжений в структуру высококачественных монокристаллических пленок. Степень вводимых напряжений позволяет регулировать плотность критического тока Jc в широком диапазоне - от 102 до 107 А/см2. Подбор требуемого значения критического тока является принципиальным для сквида постоянного тока, поскольку критический ток определяет значение параметра в, который в свою очередь оказывает существенное влияние на чувствительность скви-да [5]. Механизм подавления Jc в напряженных пленках, связанный с замораживанием механических напряжений в монокристаллическом материале, рассмотрен в [4,6].

Многочисленные попытки обнаружить доменную структуру в слабонапряженных пленках методом высокоразрешающей оптической микроскопии с применением поверхностного подтра-

1 e-mail: [email protected]

ва не дали практических результатов, хотя тот же метод хорошо сработал при исследовании поверхности гранулярных пленок [1]. Данная работа посвящена принципиально новому методу исследования поверхности напряженных пленок и выявлению границы между доменами напряжений, имеющих низкий масштабный уровень, - методу туннельной спектроскопии. В качестве исследовательского прибора использовался сканирующий туннельный микроскоп СММ-2000Т (СТМ). Размер площади сканирования составлял 6 х 6 мкм. Благодаря возможности СТМ снятие вольтамперных характеристик (ВАХ) были произведены построчно, измеряя ВАХ в различных точках отсканированной области с шагом 0,3 мкм. В результате были получены различного вида зависимости туннельного тока от прикладываемого электрического напряжения, варьирующиеся от металлической и полупроводниковой до осцилляционной и обладающие характерными максимумами.

Наибольший интерес в нашей работе представляли ВАХ с характерными максимумами (рис. 1). Такие ВАХ получаются в 10-40 % случаях измерений в зависимости от степени напряженности пленок (см. табл.). Пики возникают при напряжении от 2 до 5 вольт, что существенно меньше энергии ионизации атомов, и позволяет говорить о соответствии ВАХ деформационному потенциалу. Пики на ВАХ соответствуют числу

22

К.Н. Югай, К.Б. Коноваленко, А.Б. Муравьев, Г.М. Серопян, С.А. Сычев

Пленка Зс, А/см2 ВАХ , % < d >, мкм

1 103 43,2 1,056

2 5 • 103 19,27 1,21

3 3 • 104 18 1,37

4 2 • 105 15,54 1,77

5 3 • 105 12 2,17

6 6 • 105 11,96 2,4

Рис. 2. Координаты точек с туннельной ВАХ междоменной границы

уровней в потенциальной яме. С определенной долей уверенности можно говорить о том, что напряженные пленки имеют именно доменную структуру, границы между которыми представляют малоуровневую потенциальную яму.

Исследования показали, что количество туннельных ВАХ междоменной границы (т.е. ВАХ имеющих максимумы) уменьшается от общего числа сделанных измерений ВАХ на данном скане с увеличением , т.е. с уменьшением степени напряженности пленки (табл.). Координаты точек с туннельной ВАХ междоменной границы были зафиксированы для каждой отсканированной области поверхности для всех исследуемых пленок. На рис. 2 для примера представлена пленка с Зс = 103 А/см2. При этом, если предположить, что данная точка соответствует границе между доменами, то можно оценить их форму и размер. Проведенные расчеты показывают, что средний размер доменов составляет 1 ^ 2,4 мкм.

Из проведенных исследований можно заключить, что с ростом степени напряженности пленки, домены напряжения уменьшаются в своих

3 и 2,5 -2 -1,5 -

А 1--

0,5 -0--

1,0 Е 02 1,0Е03 1,0Е04 1.0Е05 1.0Е06 1.0Е07 , А/см2

Рис. 3. Зависимость среднего размера домена < (> от плотности критического тока

размерах и, следовательно, растет общая протяженность междоменных границ. Рост числа границ не может существенно влиять на плотность критического тока пленки, поскольку, как известно, сверхпроводящие транспортные свойства определяются качеством наиболее «слабых» участков сверхпроводника, а не их количеством. Это означает, что происходит качественное изменение транспортных свойств границ между доменами напряжений за счет нарастания механических напряжений в монокристалле.

Пленка

6

Зс ,А/см

103

3

2

6

То4

10

10

Ю5

ВАХ , %

43,2

19,27

18

15,54

12

11,96

< d >, мкм

1,056

1,21

1,37

1,77

2,17

2,4

На рис. 3 приведена зависимость среднего размера домена < й> от 7С пленки. Как видим, на приведенной зависимости наблюдается скачок < d > вблизи значения Jc ~ 105 А/см2. Данный скачок указывает на качественные структурные изменения, происходящие в пленке. В рамках мезомеханических представлений известно, что в крупных блоках формирующаяся мезопо-лоса компенсирует накапливаемый поворотный момент основной мезополосы путем выбрасывания целой серии более мелких мезополос [7]. И в нашем случае механические напряжения, достигнув определенных критических значений, не могут быть скомпенсированы путем только лишь непрерывного нарастания напряженностей междоменных границ и незначительным ростом числа границ, что соответствует участку кривой слева от скачка. Происходит резкое измельчение доменов путем проникновения напряжений внутрь них. Дальнейшее монотонное, но достаточно слабое падение < d > с уменьшением Jc более чем на два порядка говорит о том, что компенсация напряжений эффективно происходит

1

5

2

3

4

5

3

Исследование напряженных состояний пленок.

23

на уже имеющихся границах между доменами напряжений.

На данный момент структура самой междоменной границы требует дальнейшего исследования, в том числе современными аналитическими методами. Продолжаются активные исследования джозефсоновских свойств напряженных пленок, что может дать существенную информацию о физических свойствах и строении границ между доменами напряжений.

Для теоретического объяснения полученных экспериментальных данных, доказывающих наличие малоуровневой деформационной потенциальной ямы на границе между доменами напряжений, предложена следующая модель. Пусть туннельный контакт между потенциальной ямой с электронами и иглой туннельного микроскопа описывается следующим гамильтонианом: Н = Нр + Нп + Нт. Здесь Нр, Нп - полные гамильтонианы потенциальной ямы и иглы соответственно, Нт - туннельный гамильтониан.

Пусть к контакту приложено напряжение V (£). Обозначим через (£) и &к& (^ операторы уничтожения электрона в потенциальной яме соответственно при напряжении V = 0 и V = 0, тогда они будут связаны между собой соотношением

&ка (*)= е^ака (1)

Туннельный ток I (V, Т) между потенциальной ямой и иглой при Т > 0 и V = 0 найдем, зная среднюю величину скорости изменения оператора числа электронов Ып: I = -в{Мп). Nп найдем из уравнения движения.

Тогда выражение для тока принимает вид:

2e

I = — Tfem(a+0.bma)}.

(2)

kmc

Запишем это выражение в первом порядке по Ht :

I = -j^Im^Z Tkm{(a+c bmc )o

(3)

kmc

dreVT<[a+ (t)bmc(t), Ht(t)])o}.

Подставляя в эту формулу выражение для туннельного гамиьтониана и учитывая (1), находим

йтвпт{в-У{ь)-<р{т)]£(£ - т)}, (4)

где

S(t - т) = -2i j2»(t - т) X] TkmTk'r,

kmck'm' c'

X {(a+c (t)ak'c' (т))o(bmc (t)bm'c' (т))0 -- (b^ (T )bmc (t) )o (ak'c' (T) a+c (t) )o }.

Предполагая, что в потенциальной яме у нас имеется всего лишь два уровня, совершая Фурье-преобразование функции — т) к переменной «П — ^о и учитывая, что сверхпровдник горячий, выражение для тока принимает вид: 1рм = ^ (IТ112 + |Т2|2).

Вероятность перехода из связанного состояния максимальна при условии равенства энергии электрона и энергии уровня. В данной модели такая функция будет иметь 6-образный характер, поэтому матричный элемент представим в следующей форме:

|Tk,m|2 = ¿(e-o - £k). Vo

(5)

Конечное выражение для тока принимает вид:

V, V V)

^ = 10 ( ^ 6(в^> — £1) + -2 6(в^, — £))). (6) К Vо V0

Проведенные расчеты показывают: туннельный ВАХ с деформационной потенциальной ямой и локализованными в ней электронами действительно обладает характерными максимумами, что находится в хорошем согласии с экспериментом.

[1] Югай К.Н., Серопян Г.М., Скутин А.А., Югай К.К., Муравьев А.Б. // ЖТФ. 1998. Т.68. №2. С.48-51.

[2] Yugay K.N., Seropjan G.M., Skutin A.A., Yugay K.K. // Low Temp. Phys. 1997. V.23. №4. P.281-284.

[3] Муравьев А.Б., Скутин А.А., Югай К.К., Югай К.Н., Серопян Г.М., Сычев С.А. // Вестник Ом-ГУ. 1997. №1. С.44-46.

[4] Муравьев А.Б., Югай К.К., Югай К.Н., Серопян Г.М, Сычев С.А. // Вестник ОмГУ. 2000. №4. С.25-28.

[5] Канев Е.А., Муравьев А.Б., Югай К.К., Югай К.Н., Серопян Г.М., Сычев С.А. // Вестник Омского университета. 2000. №1. С.30-32.

[6] Позыгун И.С., Югай К.Н. // Вестник Омского университета. 2000. №3. С.28-30.

[7] Дерюгин Е.Е. Метод элементов релаксации. Новосибирск: Наука; Сиб. предприятие РАН. 1998.

t

х