Эффект близости и туннелирование электронов в сверхпроводящих многослойных структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Шатерник, В.Е.

• Шатерник, В.Е.
• 1984

Оглавление диссертации Шатерник, В.Е.

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. ЭФФЕКТ БЛИЗОСТИ И СВОЙСТВА ТУННЕЛЬНЫХ СТРУКТУР (Литературный обзор).'.

2.1.Процесс одночастичного туннелирования.

2.2.Эффект близости.

2.3.Исследование свойств М - I - U/S структур при помощи туннелирования.

2.4.Численные методы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА.

3.1.Методика изготовления структур.

3.2.Методика исследования вольт-амперных характеристик туннельных переходов.

3.3.Получение низких температур.

3.3.1.Низкотемпературная система.

3.3.2.Стабилизация температуры.

3.3.3. Соленоид.

4. ТУННЕЛИРОВАШЕ КВАЗИЧАСТИЦ В СТРЖГУРАХ СВЕРХПРОВОДНИК -ИЗОЛЯТОР - СВЕРХПРОВОДНИК I - СВЕРХПРОВОДНИК м - i - sj/sg).

4.1.Исследование туннельных спектров М- I - Sj/Sg систем в зависимости от вида границы раздела Sj/S2.

4.2.Влияние температуры и магнитного поля на спектры.'.

4.3.Исследование характерных явлений, происходящих вблизи "слабой" диэлектрической границы раздела.

4.4.Краткие выводы.•.

5. ТУННЕЛИРОВАНИЕ КВАЗИЧАСТИЦ В СТРУКТУРАХ НИТРИД НИОБИЯ ~ . ИЗОЛЯТОР - СВИНЕЦ.

5.1.Получение туннельных переходов.

5.2.Исследование эффекта близости в структурах нитрид ниобия ~ изолятор - свинец,.

5.3.Влияние флуктуационного взаимодействия на свойства туннельных переходов.

5*4.Краткие выводы.

6. РАСЧЕТ ПЛОТНОСТИ СОСТОЯНИЙ СТРУКТУР СВЕРХПРОВОДНИК I

СВЕРХПРОВОДНИК 2 ПРИ ЭФФЕКТЕ БЛИЗОСТИ. б. I.Методика расче та.

6.2.Восстановление параметров структур оловочизвляторолово-свинец по вольт-амперным характеристикам. б»З.Восстановление параметров структур нитрид ниобия изолятор-свинец по В АХ.

6.4.Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффект близости и туннелирование электронов в сверхпроводящих многослойных структурах»

I. В В Е Д Е Н И Е Системы слабо связанных сверхпроводников являются исключителвно интересным объектом как с точки зрения использования их в качестве элементов криоЭВМ, радиотехнических устройств, так и с точки зрения изучения с их помощью фундаментальных свойств сверхпроводимости как явления. Теоретически и экспериментально показано, что свойства структур сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (одного из главных видов слабо связанных структур) в первую очередь определяются прозрачностью диэлектрического слоя (вероятностью прохождения квазичастицы сквозь диэлектрик). В отсутствие диэлектрической прослойки связь сверхпроводников становится настолько сильной, что происходит взаимное согласованное изменение энергетических щелей сверхпроводников и вследствие этого их плотностей состояний в прилежащих к контакту слоях, то есть возникает эфшект близости сверхпроводников, В настоящее время экспериментально не изучена ситуация, когда два сверхпроводника Глава слоем диэлектрика такой прозрачности, что через него возможен наблюдаемый эффект близости в дополнение к туннельному эффекту и эффекту Джозешсона то есть не изучены структуры с диэлектрическими барьерами такими, что прозрачность их больше, по крайней мере, прозрачности барьеров типичных джозефсоновских туннельных переходов, но меньше единицы). Неясно, возможна ли вообще такая ситуация или диэлектрический слой даже минимальной толщины делает эффект близости сверхпроводников ненаблюдаемым. Существует теоретическая модель Макмиллана, описывающая эффект близости сверхпроводников через потенциальный барьер. В ней предполагается, что эффект близости 140жет осуществляться посредством одного лишь туннелирования квазичастиц, однако не сделаны оценки величины прозрачности барьера, необходимой для существования эффекта. В связи с этим по-прежнему неясно, возможно ли создать барьер нужной прозрачности из диэлектрика и то, какой прозрачности барьер нужно создавать. Поэтому экспериментальное исследование эффекта близости сверхпроводников через диэлектрическую границу

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Шатерник, В.Е.

6.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В настоящей работе проведены экспериментальные исследования эффекта близости сверхпроводников через диэлектрическую границу раздела, а также экспериментальные исследования влияния эффекта близости массива и поверхностных слоев нитрида ниобия на характеристики туннельных переходов нитрид ниобия - изолятор - свинец. Экспериментально проверена теоретическая модель эффекта близости через потенциальный барьер Макмиллана. Основные результаты работы формулируются следующим образом:

I. Разработана методика исследования эффекта близости в зависимости от свойств границы раздела с помощью двойных туннельных структур.

2. Экспериментально обнаружено существование эффекта близости через диэлектрическую границу раздела. Впервые исследованы свойства контактов двух сверхпроводников со "слабой" диэлектри-чиской границей раздела между ними и установлена возможность одновременного существования в таких контактах: а)эффекта близости; б)квазичастичного туннелирования; в) эффекта Джозефсона; г) стимуляции сверхпроводимости в обкладках при протекании тока через границу раздела.

3. Впервые экспериментально обнаружено существование трех видов спектров квазичастичных возбуждений в сандвичах при эффекте близости, соответствующих разным границам раздела.

4. Впервые экспериментально исследованы спектры квазичастичных возбуждений пленок нитрида ниобия с максимальным известным для него значением температуры сверхпроводящего перехода.

5. Впервые показано, что при анализе и обработке характеристик туннельных структур на базе нитрида ниобия необходимо

- 121 учитывать существование эффекта близости между поверхностным слоем и массивом пленки нитрида ниобия, имеющими различные сверхпроводящие параметры.

6. Экспериментально обнаружена возможность влияния взаимодействия флуктуации сверхпроводящего порядка в электродах туннельного перехода на его дифференциальное сопротивление.

7. Впервые оценена прозрачность "слабой" диэлектрической границы раздела глеаду сверхпроводниками, при которой эффект близости оказывает заметное влияние на туннельные спектры -сверхпроводников.

8. Показана возможность количественного описания туннельных характеристик структур нитрид ниобия - окисел - свинец с помощью модели эффекта близости Макмиллана.

- 122

В заключение считаю своим лриятным долгом выразить искреннюю благодарность моим научным руководителям доктору физико-математических наук, профессору Владимиру Михайловичу Пану и кандидату физико-математических наук Эдуарду Михайловичу Руденко за создание благоприятных условий для развития нового научного направления в отделе - физики туннельных структур, составной частью которого является данная работа. Отдельно хочу поблагодарить их за ценные советы и обсуждения, имевшие место при проведении работы.

Я благодарен Ивану Петровичу Невирковцу, Владимиру Петровичу Горишняку за ценные советы и предложения, высказанные ими в процессе разработки методики изготовления и исследования двойных туннельных структур, им же и Александру Святославовичу Трабшову за помощь, оказанную в процессе проведения измерений.

Выражаю глубокую благодарность Сергею Александровичу Козийчуку за предоставленные для исследования образцы.

Я благодарен Александру Леонидовичу Касаткину, Андрею Андреевичу Варламову, Максиму Платоновичу Воронько за постоянный интерес к работе, высказанные замечания и предложения.

Я признателен всем сотрудникам отдела сверхпроводимости И Института металлофизики за благожелательное и внимательное отношение к данной работе.

Список литературы диссертационного исследования Шатерник, В.Е., 1984 год

1. Андреев А.Ф. Теплопроводность промежуточного состояния сверхпроводников. -ЖЭТФ,1964,46, вып.5, с.1823 - 1828.

2. Антонова Е.А., Джураев Д.Р., Мотулевич Г.П., Сухов В.А. Энергетическая сверхпроводящая щель нитрида ниобия.- ЖЭТФ, 1981,80,вып.6, с.2426 2429.

3. Белоус Н.А., Лежненко И.В., Пан В.М. Двухпиковая структура в туннельных переходах Ш I - РЬ.-ФНТ,1979,5, J65, с.450 - 454.

4. Белоус Н.А., Лежненко И.В., Метод создания туннельных переходов Джозефсона ПЪ-1-Pb .-В кн.: Криоэлектроника в вычислительной технике.Киев, Институт кибернетики АН УССР, 1975,с.34 36.

5. Варламов А.А., Дорин В.В. Флуктуационное сопротивление джозеф-соновских контактов.-ЖЭТФ, 1983, 84, вып.5, с.1868 1881.

6. Варламов А.А., Дорин В.В., Руденко Э.М., Шатерник В.Е. О воз-' можности влияния флуктуадий сверхпроводящего порядка на сопротивление туннельных контактов.- Материалы Всесоюзного семинара "Металлофизика сверхпроводников". Киев,1983, с.40 41.

7. Галкин А.А., Дьяченко А.И., Свистунов В.М. Определение параметра энергетической щели и функции электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводниках из туннельных данных.-ЖЭТФ, 1974, 66, вып.6, с.2262 2268.

8. Де Жен П. Сверхпроводимость металлов и сплазов, М., Мир, 1968, 280 с.

9. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.,Наука, 1978, 792 с.

10. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. Системы с джозефсоновскими контактами. М., МГУ, 1978, 447 с.

11. Михин Н.П., Янсон И.К. Устройства для исследования малых не-линейностей вольт-амперных характеристик туннельных контактов.-В кн.: Физика конденсированного состояния (сб. статей)Дарьков, ФТИНТ АН УССР, 1973, вып.29, с.122 131.

12. Мотулевич Г.П., Джураев Д.Р., Антонова Е.А., Сухов В.А.- Тун-нелирование носителей тока в контактах на основе нитрида ниобия. -Письма в ЖЭТФ, 36, вып.9, 1982, с.313 316.

13. Пан В.М., Руденко Э.М., Шатерник В.Е. Определение особенностей спектра квазичастичных возбуждений олова при эффекте близости.-В кн.: XXI Всесоюзное совещание по физике низких температур. Часть I. Харьков,1980, с.237 238.

14. Пан В.М., Руденко Э.М., Шатерник В.Е. Установка для исследования физических свойств металлов с помощью туннелирования.

15. В кн.: Физические методы исследования металлов.Киев,1981, с.236 243.

16. Пан В.М., Горишняк В.П., Руденко Э.М., Шатерник В.Е., Литви-ненко Е.Н. Об эффекте близости, экспериментально обнаруженном в туннельных структурах NblT-1-Pb .-МеталлофизикаД983,5, М, с.117 118.

17. Пан В.М., Руденко Э.М., Шатерник В.Е. О влиянии свойств границы раздела на эффект близости в сверхпроводниках.- Металлофи-зика,1983, 5Д»5, с.116 117.

18. Пан В.М., Руденко Э.М., Басюл В.А., Шатерник В.Е. Об особенностях использования ниобия в качестве инжектора в пленочныхтуннельных структурах.-Металлофизика, 1983, 5, Ш, с.117 119.

19. ПанВ.М., Руденко Э.М., Невирковец И.П., Шатерник В.Е. Туннельные исследования пленок ниобия с избыточными квазичастицами.-ФТТ, 1982, 24, И2, с. 3535 3541.

20. Пан В.М., Козийчук С.А., Смехнов А.А. Послойный анализ пленок нитрида ниобия. Материалы 2-ого Всесоюзного семинара "Металлофизика сверхпроводников".Киев,1983, с.246 247.

21. Рыбальченко Л.Ф., Янсон И.К., Исследование одночастичного туннельного тока и тока Джозефсона в контактах v VxO - Рь .В кн.: Криоэлектроника в вычислительной технике (сб. статей). Киев, ИК АН УССР, 1975, с. 27 - 34.

22. Свистунов В.М., Белоголовский М.А., Дьяченко А.И. Одночастич-ное туннелирование в структурах металл изолятор - металл (обзор).- Металлофизика, 1983, 5, №5, с.17 - 25.

23. Свистунов В.М., Белоголовский М.А., Дьяченко А.И. Одночастич-ное туннелирование в структурах металл изолятор - металл (обзор).- Металлофизика, 1983, 5,М, с.9 - 18.

24. Свистунов В.М., Белоголовский М.А., Дьяченко А.И., Цапко Н.Д. Исследование электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводниках с использованием эффекта близости.- Металлофизика,1983, 5, J66, с.109 III.

25. Свистунов В.М., Белоголовский М.А. Эффект близости в спектроскопии нормальных и сверхпроводящих металлов.-Препринт ДонФТИ-83-17(72),Донецк, 1983,36 с.

26. Силин И.Н. Стандартная программа для решения задач методом наименьших квадратов.Препринт,Дубна,1967,II 3362.

27. Соколов С.Н., Силин И.Н. Нахождение минимумов функционалов методом линеаризации.-Препринт ОИЯИ, Д-810,Дубна, 1961.

28. Туннельные явления в твердых телах/Под ред. Э.Бурштейна, (3.Лундквиста.-М.:Мир, 1973 421 с.

29. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М., Наука, 1982, 238 с.

30. Эдлер Дж.Г., Джексон Дж.Е. Система для наблюдения малых нели-нейностей в туннельных переходах.- Приборы для научных исследований, 1966, №, с.63 68.

31. Элиашберг Г.М. Сверхпроводимость пленок, стимулированная высокочастотным полем.-Письма в ЖЭТФ, 1070. II, с. 186 188.

32. Янсон И.К., Рыбальченко Л.Ф. Эффект Джозефсона в туннельных контактах на основе ванадия и его окисла. ФТТ, 1977, 3, М, с.44 - 56.

33. Adkins С.З., Kington B.W. Investigations of the Proximity Effect by Electron Tunneling.-Phys. Eev., I£Z» 2, 1969, P. 777 7B5.35* Arnold G.B. Theory of Thin Proximity Effect Sandwiches.- Phys. Rev.B, 1978, S8, 3, p. 1076 IIOO.

34. Arnold G.B. Theory of Thin Proximity Effect Sandwichs.il.

35. Bermon S., So C.K. Superconducting Phonon Structure in Ultra

36. Thin Proximity Effect Tunnel Junction,- Phys. Kev. B, 1978» ГI, II, p. 4256 4259.

37. Bostock J., Lo K.H., Cheung W.N,, Diadiuk V., Macvioar M.L.A.-In:Superconductivity in d- and f- Band Metals/Ed.D.H.Douglass, N.X., Plenum, 1976.

38. Chaikin P.M., Arnold G., Hansma P.K. Phonon Structure in the Tunneling Characteristics of Thin Proximity Effect Sandwiches.-J.Low Temp. Phys., 1977, 26, 1/2 , p. 229 264.

39. Chaikin P.M. Phonon Structure in the Tunneling Characteristics of Tin Lead Sandwiches.-Sol. Stat. Com., 1975, IZ» 12, p. 1471 - 1474.

40. Deutscher G., De Gennes P.G. Proximity Effect.-Int Superconductivity/Ed. B.D.Parks,N.Y., 1969, p.1005 1054.

41. Dew-Hughes D., Jones R. The Effect of Neutrnn Irradiation upon the Superconducting Critical Temperature of Some Transition Metal Carbides, Nitrides and Carbonitrides.- Appl. Phys. Lett.,1980, 36, 10, p. 856 859.

42. Entin-Wohlman 0., Bar-Sagi J. Study of a Superconductor Normal Metal Interface in a Finite Geometry.-Phys. Hev.B, 1978, 18, 7, p. 5174 - 5184.

43. Freake S.M,, Acikins C,J. Excitation Spectrum Induced by the Proximity Effect between Cooper and Superconducting Lead.-Phys. Lett. A, 1969, 7, P- 382 383»

44. Freake S.M. Superconducting Density of States Induced by the Proximity Effect.- Phil. Mag^, 1971, 24, I88,p.3I9 538.

45. Gallagher W.J. Compaund Geometrical Resonances in Superconduc\ ting Proximity-Effect Sandwiches.- Phys. Rev. B, 1980, 22,3, P.1233 -1236.

46. Geerk J., Gurvitch M., MoWhan D.B., Howell J.M. Electron Tunneling into Nb/Al Multilayers and into Nb with A1 over-layers.- Physica B+C, 1982, 109 & HO, 1*3, P-I775 1784.

47. Gilabert A., Romagnan J.P., Guyon E. Determination of the Energy Gap of a Superconducting Tin-Lead Sandwich by Electron Tunneling.- Sol. St. Comm., I97I, % 15, p. 1295 1297»

48. Gompf P., Richter W., Scheerer В., Weber W. Phonons in Superconducting Nb-Zr Alloyst Experiment and Theory.- Physica B+C, 1981, 108, 1-3, P. 1337 1338.

49. Hauser J.J., Theuerer H.C. Superconductivity in Pb-Al super-imposer Films.- Phys. Lett., 1965, 4, 4, p.270 271.

50. Kaplan S.B., Chi C.C., Langenberg D.N., Chang J.J., Jafary S.j Scalapino D.J. Quasiparticle and Phonon Lifetimes in Superconductors.- Phys. Rev. B, 1976, £4, II, p. 4854 487358. Keith V., Leslie J.D. New Technique for Electron-Tunneling

51. Conventional and Proximity Electron Tunneling ( PET ) for Niobium.- Sol. St. Com., 1981, I, p. I59 -~I6I. Kblm Z.G., Tomash W.J. Effective Renormalisation Behaviour of Ag Jftlms Backed by Superconducting Pb.- Phys. Rev. Lett., 1979» 42, 18,p. 1227 1250.

52. Kihlstrom K.E., Geballe Т.Н. Tunneling 2P( ) as a function of Composition in A-I5 NbGe.~ Phys. Rev. B, 1981, 2ft, 7, p. 410I 4104.6$. Komenou K., Xamashita Т., Onodera X. Energy Gap Measurment of Niobium Nitride.- Phys. Lett. A, 1968, 28, 5,p. 335 336.

53. Kwo J., Geballe Т.Н. Superconducting Tunneling in to the A-I5 Nb^Al Thin JPilms.-Phys. Rev. B, I98I, 2£f 7, p. 3230 3239»

54. McMillan W.L. Theory of Superconductor-Normal Metal Interfaces.- Phys. Rev., 1968, 125, 2, p. 559 568.

55. Moore D.P., Zubeck R.B., Rowell J.M., Beasley M.R. Energy Gaps of the A-I5 Superconductors Hb^Sn, V^Si and ITb^Ge Measured by Tunneling.- Phys. Rev. B, 1979» 20, 7, p.2721 -2738.

56. Nakagawa X., Woods A.D.B. Lattice Dynamic of Niobium.- Phys. Rev. Lett., 1965, II, 6, p. 271 274.

57. Ovadyahu Z., Entin-Wohlman 0. On the Observation of Phonon

58. Shen L.Y.L.Tunneling into a High-T Superconductors Nb-,Sn.c p

59. Phys. Rev. Lett., 1972, 2^, 6, p. 1082 1086.

60. Shen L.Y.L. Evidence for the Electron-Phonon Interaction, in the Superconductivity of a transition Metal Tantalum.- Phys. Rev. Lett., 1970, 24» 20, p.II04 - 1107.

61. Shih S., Khim Z.G., Arnold G.B., Tomash W.J. Origin of anomalous mass renormalizations inferred from prosimity tunneling experiments.- Phys. Rev. B, I98I, 24, II, p.6440 6446.

62. Svistunov V.M., Chernyak 0.1., Belogolovskii M.A., Dyachenko A.

63. Electron-Phonon Interaction in Lead and Lead-Indium Alloys

64. Blunder Pressure.- Phil. Mag. B, 1981, 4^» I, p.?5 92.

65. Svistunov Y.M., D'yachenko A.I., Belogolovskii M.A. Elastic Tunneling Spectroscopy of Single-Particle Excitations in Metals, J. Low Temp. Phys., 1978, *>I, 3/4, p. 339 -356.

66. Tinkham M. Introduction to Superconductivity, McGraw-Hill, N.Y., 1975» P.264 ff.

67. Tomash W.J. Geometrical Resonance and Boundary Effects in Tunneling from Superconducting Sn+.~ Phys. Rev. Lett., 1966, 16, I, p. 16 18.

68. Tomasch W.J. Geometrical Resonance in the Tunneling Characteristics of Superconducting Pb+.- Phys. Rev. Lett., 1965» ££» 16, p. 672 674.

69. Toplicar J.R., Jlnnemore D.K. Electron Tunneling Study of the Superconducting Proximity Effect in Pb-Cd.-Phys. Rev. B, 1977» 16, 5» P. 2072 2086^

70. Vrba J., Woods S.B. Tunneling into Weakly Coupled illms of Aluminium and Tin in Proximity.- Phys. Rev. B, 1971» J>» 7» p. 2243 2252.

71. Wang L., Shih S., Tomash V/.J. Compound Geometrical Resonances in Superconducting Zn-Pb Film Sandwiches.- Phys. Rev. B, 1981, 22, II, p. 5775 5781.

72. Wolf E.L. Proximity Effect Tunneling.- Physica B, 1982» 109 and 110, I 3, p. 1722 - 1736.

73. Wolf E.L., Arnold G.B. Proximity Electron Tunneling Spectroscopy.- Physics Reports (Review Section of Physics Letters), 1982, 21, 2, p. 31 Ю2.

74. Wolf E.L., Zasadzinski J., Osmun J.W., Arnold G.B. Quantitative Proximity Tunneling Spectroscopy.- Solid St. Com., 1979»5» P. 321 324.

75. Wolf E.L., Noer E.J., Burnell D., Khim C., Arnold G.B. Eroximi-ty Electron Sunneling Spectroscopy of Та; in Applicabilityof an Empirical Model.- J. Phys. F;Met. Phys., I9SI, II, I, p. L23 ~ 127.

76. Wolf E.L., Burnell D.M., Khim L.G., Noer E.J. Proximity Electron Tunneling Spectroscopy. IV. Electron - Phonon Coupling and Superconductivity of Tantalum.- J. Low Temp. Phys., 1981, 44, 1/2, p. 89 - И8.

77. Wolf S.L., Noer E.J., Arnold G.B. Proximity Electron-Tunneling Spectroscopy.III. Electron Phonon Coupling in the Nb-Zr system.- J. Low Temp. Phys., 1980, 40, 5/6, p. 419 - 440.

78. Wolf E.L., Zasadzinski J., Osmun J.W., Arnold G.B. Proximity Electron-Tunneling Spectroscopy.I. Experiments on Nb.

79. JV Low Temp. Phys., 40, 1/2, p. 19 50.

80. Wolf E.L., Zasadzinski J., Arnold G.B., Moore D.F., Eowell J., Beasley M.E. Tunneling and the Electron-Phonon Coupled Superconductivity of Nb^Sn. Phys. Eev. B, 1980, 22, 3, p.1214-1217.

81. Woods A.D.B. Lattice Dinamics of Tantalum.- Phys. Eev., 1964, 136. p. A78I A782.

82. Zasadzinski J., Schubert W.K., Wolf E.L., Arnold G.B. In; Superconductivity in d~ and f- Band Metals, N.X.,Academic Press, 1980, p.159.

83. Zasadzinski J., Burnell D.M., Wolf E.L., Arnold G.B. Superconducting Tunneling Study of Vanadium.- Phys. Eev. B, 1982, 2£, 3, p.1622 1632.