CC BY
20
ФИЗИКА
Вестник Омского университета, 2000. N.4. С.25-27. © Омский государственный университет, 2000
УДК 530.145+539.184.2
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ
ПЛЕНОК YBCO
А.Б. Муравьев, К.К. Югай, К.Н. Югай|, Г.М. Серопян, С.А. Сычев*
| Омский государственный университет, кафедра общей физики, 644077 Омск, пр. Мира, 55~А 1
I Институт сенсорной микроэлектроники СО РАН, 644077 Омск, пр. Мира, 55■ -А
Получена 26 сентября 2000 г. We describe experimental results on growing of stressed High Temperature Superconducting Films YBCO by laser ablation method. We explaine a suppresion of critical current into the films with an electron localization in boundaries between stress domains and a Coulomb blockade.
Возможность практического применения высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) пленок YBa'2Cui07^s (YBCO) для создания элементов криоэлектроники толкает па поиски решений таких задач, как выращивание тонких YBCO пленок с требуемыми сверхпроводящими свойствами и макроструктурой. Проведенные ранее исследования [1-3] показали однозначную зависимость различных физических свойств пленок от сформировавшейся в процессе выращивания макроструктуры. Сама же макроструктура зависит от многих технологических режимов. При выращивании ВТСП тонких пленок методом лазерной абляции важнейшими технологическими параметрами, варьирование которых позволяет получать пленки с требуемыми физическими свойствами, выступают: плотность мощности лазерного излучения, температура монокристаллической подложки, на которой формируется сверхпроводящая пленка, давление кислорода и т.д. Недавно нами было обнаружено существенное влияние на физические свойства YBCO пленок таких технологических параметров, как скорость остывания пленки после процесса напыления и время выдержки в печи, связанное с временем релаксации механических напряжений, возникающих при выращивании. Новый вид пленок, имеющих необычные физические свойства [4], отличные от ранее известных двух типов пленок - high-пленки и low-пленки, оказался по ряду причин наиболее подходящим для изготовления сверхпроводящих квантовых интерферометров •• сквидов (SQUID) [5]. Очевидно, что
1 е-mail: yugay@phys.omsu.omskreg.ru
исследование зависимости физических свойств новых типов пленок от различных технологических параметров является интересной задачей не только с практической, но и с научной точки зрения. В данной статье приведены новые экспериментальные данные по обозначенной проблеме, а также дан анализ полученных результатов.
Основная идея экспериментов заключалась в следующем: технологичные параметры для выращивания пленок выбирались такими, при которых для обычного режима остывания после процесса напыления получается высококачественная монокристаллическая Ь^Ь-пленка [2]. Высокие значения сверхпроводящих параметров, в особенности плотности критического тока ./е, а также монокристаллическая структура, позволяют утверждать, что механические напряжения, возникающие в сверхпроводящей тонкой пленке УВСО в процессе выращивания, успевают практически полностью релаксировать (пленка остывает в течение достаточно длительного времени - около 30 минут) [1]. Основной причиной возникновения механических: напряжений является рассогласование параметров кристаллических решеток материала подложки и пленки и различие коэффициентов температурного расширения. В качестве подложек были использованы монокристаллы ЬаАЮз(ЮО). Рассогласование параметров кристаллических решеток ЬаАЮз и УВа^СизОт-й составляет ~ 1% [б].
Проведенные эксперименты показали, что при определенных условиях закалки механические напряжения "замораживаются''. Микрофотографии поверхностей напряженной и обычной
Ы^зф-пленки, представленные на рис. 1, показывают. что структура .Ы^аф-пленки является однородной и бездефектной (монокристаллической), а в случае напряженной пленки наблюдается фрагментация материала, т.е. образуется блочная структура. При этом блоки имеют два характерных размера - ~ Юмкм и ~ 1мкм. Большие блоки имеют довольно интересную субструктуру. состоящую из разориентированных кристаллитов. Кроме того, можно заметить, что большие блоки выстраиваются в довольно протяженные цепочки.
Рис. 1. Микрофотографии поверхностей напряженной пленки с плотностью критического тока Зс = 2 ■ 104/4/см2 (а) и обычной Ы§11-пленки с плотностью критического тока ]а — 3-106Л/см2 (б)
Отметим следующее важное обстоятельство: значение критической температуры перехода, в сверхпроводящее состояние для обоих типов пленок составляет Тс = 92К, в то время как значения плотностей критического тока, отличаются на два порядка. Это свидетельствует о том, что резкое подавление транспортных свойств напряженных пленок не может быть связано с недостатком кислорода, т.е. насыщение кислородом происходит еще в процессе выращивания пленки. Подавление критического тока непосредственно связано с образованием границ между блоками. Кривые температурных зависимостей критического тока напряженных плело к имеют необыч-
ный вид, существенным образом отличающийся от кривых для обычных low- и high-пленок [4]. Кроме того, как будет показано далее, фрагментация напряженных пленок исчезает за достаточно короткое время, т.е. время релаксации механических напря жений мало. Это позволяет утверждать о существенном отличии природы межблочных границ напряженных пленок от межблочных границ обычных гранулярных пленок. По нашему мнению, такой элемент структуры напряженных пленок, как граница, имеет другой, более низкий масштабный уровень, нежели межблочная граница, в обычных пленках. Если в последних межблочная граница является элементом макроструктуры, то напряженные пленки можно характеризовать мезострук-турой, а его элементами являются "мезоскопи-чес.кие домены напряжений" и "мезограницы". О существовании элементов структуры на мезо-масштабном уровне убедительно свидетельствует быстро развивающееся в последнее время новое направление физики - "Мезомеханика," . От метим, что описанные выше особенности фраг-ментирования напряженных пленок (рис. 1, а) характерны для мезоструктур, образующихся в различных материалах на разных стадиях деформационного упрочнения [7, 8]. Исходя из этих рассуждений, в более ранних, наших публикациях напряженные пленки были названы "мезо-
ка от времени выдержки пленок в печи I для разных значений скоростей остывания печи V. для кривой 1 у = 2.5град/с, для кривой 2 V = 2.2град/с,, для кривой 3 и = 1.6град/с.
На рис. 2 приведены зависимости плотности критического тока ,/с от времени выдержки пленок в нечи ^ для разных значений скорости остывания печи. Время £ можно разбить на два интервала: время ¿о , требуемое пленке
Исследование напряженных высокотемпературных сверхпроводящих пленок У ВСЮ
27
для приобретения сверхпроводящих транспортных свойств -- пересечение кривой ]с{1) с временной осью и время релаксации механических напряжений г - время, за которое плотность критического тока увеличивается от нуля до 106А/'см2. Как видно, кривые дс({) с понижением скорости остывания V сдвигаются вправо, а время релаксации т уменьшается. В таблице 1 представлены зависимости "¿о(г:) и т(и) для приведенных на рис. 2 кривых.
Таблица 1
v, град/с ¿0, с г, с
2.5 75 50
2.2 120 35
1.6 185 20
При увеличении скорости охлаждения системы пленка-подложка происходит быстрый рост механических напряжений в приграничном слое. Это приводит к возрастанию скорости распространения упругих напряжений из приграничного слоя в объем тонкой пленки, что уменьшает время фрагментации материала пленки, т.е. раньше начинает формироваться мезоструктура. Очевидно, что начало релаксации мезострукту-ры также начинается раньше. Этим и объясняется зависимость £ о {г'). Время релаксации мезо-структуры при увеличении скорости охлаждения возрастает, а следовательно возрастает и г.
Подавление плотности критического тока в напряженных пленках можно объяснить из следующих соображений. Граница между доменами напряжений представляет собой деформацию кристаллической решетки. При определенных условиях деформационный потенциал решетки можно представить в виде потенциальной ямы для электронов. Характер такой ямы будет зависеть от материала, вида кристаллической решетки, от параметров деформации, от температуры и т.д. Понятно, что в подобной деформационной потенциальной яме может локализоваться электрон. Причем достаточно глубокая яма будет содержать не один уровень, что приведет к локализации достаточно большого числа электронов на границе между доменами напряжений. Возникнет кулоновская блокада, которая будет существенно влиять на протекающий ток. В случае сверхпроводника кулоновская блокада приведет к подавлению не только полного тока, но, в первую очередь, когерентной составляющей тока -сверхтока.
В системе "сверхпроводник-квантовая точка-сверхпроводник" которую можно рас-
сматривать как простейшую модель напряженной пленки, локализация электрона, как показано в [9], может происходить в результате андреевского рассеяния. Такая модель границы ме-
жду доменами напряжений 'гонкой пленки имеет смысл, поскольку продольные размеры границы влияют только на полный ток, а не на плотность тока. Однако в [9] рассмотрен только возможный механизм локализации электрона в системе Б-С^Б-Б. В дальнейшем предполагается выяснить природу провалов на температурных зависимостях плотности критического тока мезопленок, моделируя деформационный потенциал на границе между доменами напряжений с помощью многоуровневой ямы. Предполагается также вычисление тока через яму с локализованными в ней электронами, т.е. с учетом кулоновской блокады.
Работа поддержана грантом "Университеты России - фундаментальные исследования'', 990032
[1] Yugay K.N., Seropjan G.M., Skutin A.A., Yugay К.К. Superconducting properties of YВаСиО thin films at thermocycling // Low Temp. Phys. 1997. V.23. №4. P.281-284.
[21 Югай K.H., Серопян Г.М., Скутин А.А., Югай К.К., Муравьев А.Б. Макроструктура BTCII YВаС'иО пленок, выращенных методом лазерной абляции // ЖТФ. 1998. Т.68. №2. С.48-51.
[3] Yugay K.N., Skutin A.A., Yugay К.К., Muravjev А.В., Seropjan G.M., Syichov S.A. // EUROMECH Colloquium 363 "Mechanics of laser ablation". Novosibirsk. 1997. Abstracts of papers, p. 43.
[4] Демин A.B., Канев E.A., Курнявко О.Л., Муравьев А.Б., Скутин А.А., Югай К.К., Югай К.Н., Серопян Г.М., Сычев С.А. Температурная зависимость критического тока. ВТСП пленок, выращенных методом лазерной абляции // Вестник Омского университета. 1998. №3. С.37-39.
[5] Канев Е.А., Муравьев А.В., Югай К.К., Югай К.Н., Серопян Г.М., Сычев С.А. Высокотемпературный сверхпроводящий пленочный с1с-сквид: измерение асимметрии и чувствительности // Вестник Омского университета. 2000. №1. С.30-32.
[6] Третьяков Ю.Д. Химия и технология ВТСП - основные направления развития // Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева. 1989. №4. С.436-445.
[7] Дерюгин Е.Е. Метод элементов релаксации. Новосибирск: Паука. Сиб. предприятие РАН. 1998.
[8] Панин В.Е., Коротаев А.Д., Макаров II.В., Кузнецов В.М. Физическая мезомеханика материалов. // Известия вузов. Физика. 1998. №9. С.8-36.
[9] Позыгун И.С., Югай К.П. Механизм локализации электрона в системе "сверхпроводник -квантовая точка - сверхпроводник" // Вестник Омского университета. 2000. №3. С.28-30.
