WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Академия Наук Республики Молдова Институт Электронной

Инженерии и Нанотехнологий имени Д. Гицу

МОРАРЬ Роман Андреевич Supraconductibilatatea reversibil n nanostructuri bazate pe pelicule de Niobiu i aliaj de Cupru-Nichel. Re-entrance superconductivity in nanostructures based on Nb and Cu-Ni alloy layers. Возвратная сверхпроводимость в сверхпроводящих наноструктурах на основе ниобия и сплава медь-никель.
01.04.07 физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Кишинев 2011

Работа выполнена в Криогенной лаборатории, Институт Электронной Инжинерии и Нанотехнологий «Д. Гицу» Академии наук Молдовы

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ключевые слова сверхпроводник, тонкие пленки, критическая температура, осцилляции, LOFF-состояние, спинтроника.

Актуальность задач исследования

Быстрое развитие спин-зависимой электронки, спинтроники, а в последнюю декаду появление сверхпроводниковых спинтронных устройств с исключительно высоким быстродействием и практически нулевым выделением тепла в процессе работы, сделало задачу исследования слоистых наноструктур на основе сверхпроводника и ферромагнетика исключительно актуальной как с практической точки зрения, так и с фундаментальной. Предсказанное теоретически явление возвратной сверхпроводимости в гетероструктурах, состоящих из тонких пленок сверхпроводника и ферромагнетика, как проявление квантового феномена – квазиодномерного ЛОФФ состояния, требовало экспериментальной проверки.

Оба эти аспекта – фундаментальный и прикладной – делают задачу экспериментального исследования S/F-гибридных слоистых структур весьма актуальной.

Цели и задачи исследования

Основной целью работы является установление условий воспроизводимого проявления осцилляций критической температуры и эффекта возвратной сверхпроводимости в слоистых структурах сверхпроводник-ферромагнетик, как функции от толщины ферромагнетика, что должно послужить прямым подтверждением возникновения квазиодномерного LOFF состояния, а так же выработка практических рекомендаций по использованию полученных результатов для разработки устройств сверхпроводниковой спинтроники.

Для достижения целей работы необходимо было решить следующие задачи:

- разработать специальную технологию магнетронного напыления для получения слоев со строго контролируемыми и воспроизводимыми параметрами.

- исследовать морфологию, элементный состав, микроструктуру образцов с атомарным разрешением с целью оптимизации параметров.

- исследовать сверхпроводящие свойства одиночных пленок и слоистых наноструктур сверхпроводник-ферромагнетик.

- сопоставить полученные результаты с теорией эффекта близости и теорией возвратной сверхпроводимости в слоистых структурах сверхпроводник-ферромагнетик.

Методы и средства исследования:

Для решения поставленных задач использовались основы физики твердого тела, основы сверхпроводимости, теория неоднородного сверхпроводящего сотояния типа LOFF и теоретическая модель квазиодномерного LOFF состояния Ленара Тагирова, как теоретическая база работы. Для производства образцов использовался вакуумный магнетронный распылитель фирмы Leybold, мод. Z-400, тестовые измерения сверхпроводящих переходов проводились на криомашинах Leybold „Coolpower4,2GM“ и Cold HEAD RDK-415D, фирмы CRYO Industries, основные низкотемпературные измерения выполнены на установке с криостатом растворения гелий3 – гелий4 «Heliox» фирмы Oxford Instruments с использованием программы LabView, так же были выполнены анализы состава образцов с помощью Резерфордовской спектроскопии обратного рассеяния и Оже-спектрометрией, исследование морфологии поверхности на атомном микроскопе (AFM) фирмы «VEECO Company», модель – DimensionTM 3100 и трансмиссионная микроскопия на ТЕМ «Jeol» мод. JEM2100F.

Для расчетов использовалась математическая программа MatLab и программа для работы с таблицами и графиками – Origin.

Научная новизна:

  • разработана оригинальная вакуумная технология приготовления атомарно гладких наноструктур, позволяющая в едином цикле напыления изготавливать серии двухслойных сверхпроводящих структур с варьируемой толщиной пленок на основе Ниобия и сплава Медь-Никель со строго идентичными и контролируемыми параметрами;
  • на приготовленных наноструктурах Ниобий/Медь-Никель с фиксированной толщиной слоя ниобия и вариируемой толщиной слоев сплава ферромагнетика Медь-Никель впервые обнаружены отчетливые осцилляции критической температуры сверхпроводящего перехода в виде эффекта двойной возвратной сверхпроводимости, как прямое экспериментальное доказательство реализации неоднородного сверхпроводящего состояния типа «квазиодномерный эффект LOFF».
  • впервые установлены условия возникновения эффекта возвратной сверхпроводимости в слоистых гибридных структурах сверхпроводник-ферромагнетик и выработаны основные критерии и необходимые характеристики образцов для его возникновения в двухслойных S/F системах на основе ниобия и сплава медь никель.

Практическая ценность полученных результатов обусловлена:

  • разработанной методикой приготовления проводящих пленок переменной толщины с точным контролем толщины в нанометровом диапазоне, от 1 до 100 нанометров;
  • разработанной технологией приготовления слоистых наноструктур на основе сверхпроводника и ферромагнетика с контролируемыми и воспроизводимыми параметрами, необходимых для задач сверхпроводниковй спинтроники;
  • решением задачи пассивации изготовленных наноструктур с обеспечением долговременной стабильности параметров приготовленных элементов.

Апробация работы

Результаты доложены на 16 международных конференциях :

NATO ARW (Marakesh, Morokko, 2007);

IWIbSMNS (Salerno, Italy, 2008);

ICT+ 2009 (Chiinu, Moldova, 2009);

ISWCMMP – 2009 (Antalya, Turkey, 2009);

ICM 2009 (Karlsruhe, Germany, 2009)

ICSM-2010 (Anatlya, Turkey, 2010);

ECIT-2010 (Iasi, Romania, 2010);

NANO Symposium 2007, 2009, 2011 (Kishinev, Moldova);

MISM-2011 (Moscow, 2011)

MSCMP-2008, 2010 (Chisinau, Moldova);

ICMCS-2009,2011 (Chisinau, Moldova);

ICNBME-2011 (Chiinu, Moldova,2011)

Основные положения, выносимые на защиту:

  • Разработана и запатентована оригинальная технология изготовления атомарно гладких пленочных структур на основе ниобия и разбавленного ферромагнетика CuNi на промышленных кремниевых подложках, обеспечивающая контролируемое и воспроизводимое приготовление в едином цикле напыления серий из 30-40 наноструктур Nb/CuNi.
  • Разработана технология пассивации, обеспечивающая долговременную стабильность параметров приготовленных наноструктур.
  • Установлены условия, выполнение которых необходимо для возникновения неоднородного сверхпроводящего состояния - квазиодномерного эффекта Ларкина-Овчинникова-Фулде-Феррелла (LOFF), а именно: определен диапазон толщин слоя ниобия, в котором происходит максимальное изменение Тс и возможно обнаружение возвратной сверхпроводимости, определена критическая толщина слоя ниобия в контакте с массивным слоем ферромагнетика, определен диапазон толщин слоя ферромагнетика медь-никель, при которых возникает явление возвратной сверхпроводимости в слоистых наноструктурах ниобий/медь-никель.
  • Обнаружены отчетливые осцилляции критической температуры сверхпроводящего перехода в наноструктурах ниобий/медь-никель с эффектом двойной возвратной сверхпроводимости у образцов с фиксированной толщиной слоя ниобия и варьируемой толщиной слоев медь-никель, как прямое экспериментальное доказательство возникновения неоднородного сверхпроводящего состояния типа «квазиодномерный эффект LOFF».

Публикации

На основе проведенных исследований было опубликовано 44 работы, в том числе 2 главы в монографиях, 6 научных статей в журналах, 36 трудов и тезисов на конференциях, из них 3 без соавторов. Получен один патент на изобретение. Публикации приведены в разделе библиография.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитированной литературы из 107 наименований. Работа содержит 122 страницы текста, 58 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Впервые сверхпроводящее состояние в 1911 наблюдал Heike Kamerlingh Onnes, обнаруживший резкое исчезновение сопротивления ртути при температуре ниже 4,15 К, которая была позже названа критической температурой материала. Первой успешной микроскопической теорией сверхпроводимости является теория Бардина, Купера и Шриффера (БКШ) [1], основанная на гипотезе Леона Купера - сверхпроводящими носителями являются пары электронов, куперовские пары, с антипараллельными спинами и противоположными импульсами, таким образом в импульсном пространстве суммарный импульс куперовских пар равен нулю, центр их масс покоится. В соответствии с теорией БКШ, все куперовские пары находятся в едином квантовом состоянии и система может быть описана единой волновой функцией куперовских пар, т.е. сверхпроводимость является макроскопическим квантовым когерентным состоянием. Электроны куперовских пар взаимодействуют между собой путем обмена виртуальными фононами между электронами и решеткой, что приводит к появлению эффективного притяжения электронов и образованию связанного состояния - пары [2, 3]. Размер куперовских пар, или сверхпроводящая длина когерентности, значительно варьирует в различных материалах, в чистых массивных материалах достигая величин 100-1000 nm [3].

Теория БКШ объясняет свойства сверхпроводника и является один из успешных случаев теоретического описания физического явления, и хорошо оно применима к низкотемпературным синглетным сверхпроводникам, в которых куперовские пары образуются в результате электрон-фононного взаимодействия электронов с антипараллельными спинами. Для сравнительно недавно обнаруженного класса высокотемпературных сверхпроводников теория БКШ уже не в состоянии адекватно описать большую часть свойств этих материалов. Это указывает на то, что в сверхпроводимости существует ряд необычных состояний, которые не могут быть описаны традиционными моделями и требующими специального рассмотрения.

Состояния синглетной сверхпроводимости и магнетизма (ферромагнетизма) являются взаимоисключащими в виду абсолютно разной структуры упорядочения спинов электронов – коллинеарного у ферромагнитного упорядочения и антипараллельного, как было описано выше, в случае сверхпроводящего упорядочения. Тем не менее, исследование проблемы возможного сосуществование этих двух антагонистических упорядочений имеет богатую историю, начиная с работ Горькова и Сула 50-х годов 20 века. Из их работ следовало, что сочетание сверхпроводимости и ферромагнетизма позволит открыть новые эффекты в сверхпроводниках. Это хорошо видно из расчетов Ларкина и Овчинникова а также Фулде и Феррелла показавших, что возмущение исходного БКШ гамильтониана в присутствии магнетизма может приводит к возникновению неоднородного сверхпроводящего состояния, при этом возникает суммарный импульс электронной пары не равный нулю (Фулдэ-Феррелл-Ларкин-Овчинников - LOFF состояние [4, 5]). Однако при этом условия существования стабильного сверхпроводящего состояния осложняются весьма жесткими ограничениями на величину обменной энергии магнитного упорядочения, - сверхпроводимость в присутствии обменного поля ЕEX, может наблюдаться только в небольшом диапазоне 0,75 < EEX < 0,76, где – сверхпроводящая щель [5]. Учитывая, что величина обменной энергии магнитного упорядочения у обычных ферромагнетиков (Fe, Co, Ni, Mn) составляет величины порядка 1 eV, а щель у БКШ-сверхпроводников не превышает величин нескольких милли-электронвольт, нетрудно понять, что прямое наблюдение объемного LOFF состояния представлялось очень маловероятным. В нетрадиционных сверхпроводниках (с тяжелыми фермионами и в органических сверхпроводниках), о наблюдении LOFF состояния недавно сообщалось [6, 24] что, однако, требует детальной верификации.

Буздин и Радович [7] предложили совсем другой, оригинальный подход для реализации сосуществования двух антагонистических упорядочений – они рассмотрели слоистую структуру, состоящую из чередующихся слоев сверхпроводящего и ферромагнитного материалов. Ниже критической температуры, Тс, куперовские пары из сверхпроводника, благодаря т.н. эффекту близости, могут перейти в ферромагнетик, где они попадают под действие обменного поля Еех ферромагнетика и, как следствие из ранее выполненных расчетов ЛОФФ, будут обладать ненулевым суммарным импульсом. Они провели численные расчеты и предсказали LOFF-подобные состояния в ферромагнетике. Амплитуда пар (парная волновая функция) теперь не только экспоненциально спадает, как было бы в случае немагнитного материала, но еще и осциллирует на характерной длине магнитной когерентности F = (8DF/Eex)1/2 . При распространении волновой функции пар и ее отражении на границе с вакуумом произойдет интерференция падающей и отраженной от границы раздела двух сред волн, что ведет к последующим возрастанию (пучности) или убыванию (узлы) интерференции – в точности, как в оптическом резонаторе Фабри-Перо. Данная интерференция не только происходит в ферромагнетике, но она влияет и на сверхпроводник, так как куреровские пары возвращаются обратно в сверхпроводящую область через интерфейс ферромагнетик-сверхпроводник. Степень влияния зависит от толщины ферромагнитного слоя и «прозрачности» границы раздела двух слоев. При увеличении толщины ферромагнетика dF, критическая температура S/F структуры должна сначала уменьшаться, но с последующим увеличением толщины ферромагнетика, температура перехода следует ожидать увеличения Тс до некоторой величины, затем снова уменьшаться – в зависимости от того, приходится ли пучность на границе раздела S/F (т.е. максимум прохождения куперовских пар) или узел (т.е. когда парам «запрещено» попадать из сверхпроводника в ферромагнитный слой). При этом в S/F структурах возможно даже «повторное» возникновение сверхпроводимости, когда критическая температура падает до нуля при некоторых толщинах слоя ферромагнетика dF, потом снова возникает Тс при дальнейшем увеличении толщины ферромагнетика - возможность этого явления «реентранса» или «возвратной сверхпроводимости» показали теоретические расчеты Тагирова [8]. Осцилляции критической температуры наблюдались экспериментально для разных S/F пар материалов [9, 10]. Экспериментальная проверка теоретических расчетов и установление условий возникновения возвратной сверхпроводимости - реентранса и осцилляций ТС в слоистых S/F структурах и является основной задачей данной работы.

Содержание работы

Во Введении описана проблема сосуществования двух антагонистических упорядочений – сверхпроводникового и ферромагнитного, сформулированы цели и задачи работы, показаны актуальность, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, приведен список международных конференций, на которых были доложены результаты работы. Названы области науки и техники, в которых могут быть использованы полученные результаты.

Первая глава представляет собой аналитический обзор литературных данных по теме диссертации. Здесь, наряду с описанием однородного сверхпроводящего состояния (БКШ [1]), даются основные положения и особенности неоднородного сверхпроводящего состояния типа Ларкина-Овчинникова и Фулде-Феррелла [4, 5], а так же приведен анализ возможных экспериментальных подходов для обнаружения подобного необычного сверхпроводящего состояния в ферромагнитном материале. Приведен анализ возможных экспериментальных подходов для обнаружения подобного необычного сверхпроводящего состояния в ферромагнитном материале. Представлена модель Буздина [11], где описывается идея о пространственном разделении сверхпроводящего материала и ферромагнетика, то есть о создании слоистой S/F-структуры, для которой становится несущественным основное ограничение в теории LOFF на величину обменного поля, Eex: 0,71 0 < Eex < 0,76 0.

В главе представлен анализ попыток различных исследовательских групп по обнаружению осциллирующего поведения параметров сверхпроводника [12-15] и дан анализ причин неоднозначных и трудно воспроизводимых результатов. Выполнен анализ фазовых диаграмм различных пар металлов и показано, что оптимальной для получения атомарно гладкой границы раздела является пара ниобий-никель - металлов, имеющих ограниченную взаимную растворимость [16], что обеспечит получение качественной границы раздела слоев напыленных металлов. На основе проведенного анализа сформулированы основные направления поиска, определен объект исследования.

Во второй главе описываются методики, аппаратура и специальные устройства, использованные в работе.

В начале данного раздела дано обсуждение свойств сверхпроводящих и ферромагнитных материалов, использованных в работе и приведено описание полного цикла приготовления образцов.

В качестве сверхпроводящего материала был выбран ниобий. Существенным его преимуществом является то, что свойства ниобия хорошо изучены и критическая температура данного материала составляет 9.25 К [17, 19] - находится в удобном для исследования и для практических применений температурном диапазоне. В качестве ферромагнитного материала был выбран сплав Ni, разбавленный Cu, для уменьшения температуры Кюри и, как следствия, уменьшения значения обменной энергии Eex,. Это позволит наблюдать осцилляции критической температуры на образцах с более толстыми слоями dF ферромагнетика. по сравнению с чистыми ферромагнетиками, материалами, обладающими более высокой обменной энергией.

Для создания слоистых сверхпроводящих структур Nb/CuNi и однослойных пленок Nb использовался метод магнетронного напыления - установка Z-400 фирмы Leibold, оборудованная специальным устройством перемещения мишени над столиком с подложками в процессе напыления для обеспечения высокой степени однородности толщины напыляемой пленки ниобия вдоль протяженной подложки, длина которой составляла 70-80 мм. Распыляемые мишени диаметром 75 мм высокой чистоты (Nb 99.99%, CuNi 99.99%, Si 99.9999%) поочередно располагались над подложкой в процессе приготовления S/F структур с помощью поворотного устройства. В качестве подложки использовалась промышленная монокристаллическая кремниевая пластина с ориентацией (1 1 1). Напыленные структуры покрывались защитным слоем кремния (рис.1).

Учитывая необходимость одновременного получения всей серии из 40 образцов в строго идентичных вакуумных условиях, в работе была применена специальная методика асимметричного напыления пленки ферромагнетика (сплава медь-никель): подложка с напыленным однородным по толщине слоем ниобия перемещалась в вакуумной камере на другой напылительный стол, смещенный относительно оси симметрии ферромагнитной мишени медь-никель, где производилось напыление пленки, имеющей переменную толщину по длине подложки в форме «клина», как показано на Рис.1.

Для прецизионной резки напыленной полоски (80х 5 мм) на образцы шириной 1.5±0.01 мм была применена специальная машина-скрайбер, оборудованная алмазным диском, толщиной 0.3 мм и нониусным механизмом подачи с шагом 0.01 мм.

Рис.1. Снимок серии образцов Nb/CuNi, нарезанных из напыленной полоски длиной 80 мм (слева) и схема поперечного сечения полоски (справа).

Резистивные измерения, R(T), образцов Nb/CuNi были выполнены на гелиевом рефрижераторе замкнутого цикла Coolpower-4,2GM, а при более низких температурах, до 30 милликельвин, измерения проведены в автоматизированной установке «Heliox» фирмы Oxford Instruments, оснащенной криостатом растворения 3He/4He, оборудованной сверхпроводящим магнитом и системой термостабилизации в области температур 30 мK - 300 K. Погрешность измерения температуры и определения Тс не превышала 0.05К. Ширина сверхпроводящих переходов в нулевом магнитном поле не превышала 0.1К. Алюминиевые провода толщиной 30 микрон использовались для «4-х контактных» измерений электросопротивления образцов, контакты осуществлялись с помощью ультразвуковой микросварки.

В третьей главе приведены результаты исследования микроструктуры, состава и морфологии образцов. Для этого проводились экспериментальные исследования поверхностных, структурных и магнитных свойств образцов с помощью методов RBS, AES, SEM, AFM, а так же TEM анализов и описаны процедуры измерений и анализа данных для наноструктур Nb/CuNi.

Структурный анализ захватывает профильную глубину образцов для получения информации о толщине S- и F-слоев, также о концентрации элементов ферромагнитного слоя, сплава CuNi, а также о его пространственной однородности. Эти исследования послужили своего рода обратной связью для оптимизации технологического процесса. Поверхность образцов изучалась для получения данных об однородности пленок и качества поверхностей. Также были выполнены исследования поперечного сечения образцов с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (TEM).

А) Для прецизионного определения толщин и элементного состава S/F структуры, проводился анализ с помощью RBS-спектрометра.На Рис.2 показаны результаты измерений для одной из серий наноструктур Nb/ CuNi (правая часть рисунка), а также приведен спектр RBS для одной из точек длинного контрольного образца на кремниевой подложке, из которого, зная удельную плотность элементов Si, Nb, Cu и Ni, с помощью стандартной процедуры [19] вычислялась толщина слоев.

Использованная процедура прецизионного измерения толщины пленок наноструктур Nb/ CuNi на RBS спектрометре обеспечила установление абсолютной толщины пленок с точностью ±0.03 нм.

Рис. 2 Результаты RBS измерений. Слева RBS-спектр отдельного образца S22, наноструктуры Nb/CuNi. Справа представлены результаты измерений - линейно возрастающей толщины слоя медь-никель от 1 нм до 40 нм в образце. Толщина слоя ниобия практически постоянна по всей длине образца и равна 7.8 нм. На верхней части графика показана процентное содержание никеля в слое CuNi, как видно – концентрация Ni постоянна по всей длине образца, 60%.

Б) Для детального изучения качества границы между слоями сверхпроводящей пленки ниобия и ферромагнитного слоя сплава Медь-Никель был сделан анализ с помощью Электронной Оже-спектроскопии (AES) слоистых систем: Si(подложка)/Si(буффер)/Nb/Si(защитный слой), Si(подложка)/Si(буффер)/Nb/Cu41Ni59/Si (защитный слой).

С помощью Оже анализа мы визуализировали элементный состав структуры как функцию концентрации элементов по глубине пленок (Рис. 3, справа). Границы слоев Si(буффер)/Nb, Nb/Cu41Ni59 и Cu41Ni59/Si(защитный слой), образовавшихся в ходе напыления пленочной структуры, получились четкими и чистыми, интерфейс Nb/Cu41Ni59, как можно увидеть, не растянут по всему объему, что говорит об ограниченной взаимодиффузии подобранных материалов. Буферный слой кремния ограждает структуру от элементов, абсорбированных подложкой кремния. Защитный слой, покрывающий структуру, препятствует окислению самой структуры после напыления и извлечения ее из камеры. Так же здесь мы убедились, что концентрация никеля в сплаве Cu41Ni59 сохраняется не только по всей длине пленки, но и по всей ее глубине.

Рис. 3. Левая часть рисунка представляет собой фотографию стенок кратера, где хорошо прослеживается чередование слоев S/F структуры, правая – график распреденения элементов, как функция от глубины травления.

В) Для получения более полной информации о структурных свойствах была применена Трансмиссионная Электронная Микроскопия [20]. Микроскоп использован фирмы ООО «Jeol» мод. JEM2100F.

Трансмиссионная электронная микроскопия подтвердила данные о толщинах слоев, полученных из RBS измерений, а также показала высокое качество атомарно гладких границ радела слоев.

Г) Был проведен поверхностный анализ образцов с помощью сканирующей электронной микроскопии, SEM и атомной силовой микроскопии, AFM для получения информации о поверхностных характеристиках образца, что показало высокую степень однородности образцов.

 лева: Изображение TEM поперечного среза образца S22#18(Nb/CuNi-7

Рис. 4 Слева: Изображение TEM поперечного среза образца S22#18(Nb/CuNi клин). Согласно данным по RBS измерению толщины слоев этого образца (см. Рис. 2) dNb  7.8 nm и dCuNi  14 nm, что хорошо согласуется данными TEM.

Справа: Результат AFM анализа образца S22#5 - видна высокая степень однородности поверхности, шкала шероховатости приведена в правом верхнем углу.

В четвертой главе приведены результаты исследования образцов с клиновидным слоем ферромагнитного сплава Медь-Никель и постоянной по толщине пленки Ниобия, в которых обнаружены осцилляции критической температуры в зависимости от толщины слоя ферромагнетика и явление возвратной сверхпроводимости - полное подавление сверхпроводящего перехода и его повторное появление при дальнейшем росте толщины ферромагнитного слоя, как прямое доказательство возникновения квазиодномерного ЛОФФ состояния. Приведено сравнение полученных результатов с теоретическими моделями ЛОФФ для слоистых S/F структур.

Первичные экспериментальные данные для определения температуры сверхпроводящего перехода – резистивные зависимости R(T), приведены на Рис.5. Слева – кривые переходов для определения критических температур, справа – результаты измерения критического поля для определения величины длины когерентности GL(0), для количественного сопоставления обнаруженных осцилляций температуры сверхпроводящего перехода с теорией Тагирова [21]. Ширина переходов всех исследованных образцов не превышала 0.1К, что позволило с достаточной точностью определять Тс по критерию Тс=Т(R =0.5Rn).

 лева – резистивные переходы R(T) нормированные к величине-9
Рис. 5 Слева – резистивные переходы R(T) нормированные к величине остаточного сопротивления Rn= R(Т=10К) для образцов серии S21 (с фиксированной толщиной ниобия, dNb = 6,2 нм и dСuNi = variable); Справа – резистивные сверхпроводящие переходы одного из образцов Nb/СuNi серии этой же серии в магнитном поле. На вставке критические значения магнитного поля как функция температуры, для определения величины длины когерентности GL(0).

На Рис. 6 представлены кривые построенные из результатов измерений температуры сверхпроводящего перехода как функции от толщины пленок Nb и СuNi. Данные Рис.6 (левый график) позволили определить величину критической толщины слоя ниобия, находящегося в контакте с массивным ферромагнетиком (56 нм), при которой полностью подавляется сверхпроводимость ниобия, т.е. Тс(dcrNb)=0. Определенная таким образом критическая толщина составляет dcrNb= 6 нм и была использована в качестве параметра при количественном сравнении результатов эксперимента с теорией LOFF-состояния.

На Рис. 6 (справа) приведены результаты измерений зависимости критической температуры для трех серий образцов Nb/СuNi с фиксированной толщиной слоя ниобия, как функции толщины слоя никеля Тс=Тс(dNi). Толщина сверхпроводящего слоя составляет 6.2 нм, 7.8 нм и 14 нм для образцов S21, S22 и S23, соответственно. Обнаружен немонотонный характер этих зависимостей осциллирующего типа, а на образце с наименьшей толщиной Nb, возникает двойное возвратное поведение критической температуры, что является однозначным свидетельством возникновения в исследованных структурах неоднородного сверхпроводящего LOFF-состояния.

Рис. 6. Слева – резистивные переходы R(T), как функция от толщины сверхпроводника, круглые точки для случая толщины ферромагнетика 25 нм, треугольные точки – в случае контакта с массивным F-слоем (56 нм), и сплошная кривая – теоретические расчеты Ленара Тагирова [22]. График необходим для определения критических толщин S-слоя, для определения фит-параметров, для сравнения с теоретической моделью. Справа - кривые трех различных серий образцов с клинообразным слоем сплава Медь-Никель, выполненного на слое Ниобия постоянного по толщине. Толщина сверхпроводящего слоя составляет 6.2 нм, 7.8 нм и 14.1 нм. Результат сравнения экспериментальных точек для серий образцов Рис. 7 (справа) с численным значением температуры сверхпроводящего перехода по теории Тагирова [21, 22] – сплошные кривые.

Температура tc сверхпроводящего перехода в теории эффекта близости для слоистых S/F структур [22] является решением трансцедентного уравнения

ln tc + Re (1/2 + /tc) - (1/2) (1)

где Re - это реальная часть дигамма функции, tc = Tc/Tc0 - приведенная температура сверхпроводящего перехода, Tc0 - температура перехода толстой пленки ниобия; параметр распаривания определен как = (kSS)2/2, kS есть волновое число функции куперовских пар в S-слое, которое является решением уравнения:

(2)

где NF, NS это плотности электронных состояний на уровне Ферми для F и S слоев, vF,vS скорости Ферми, BCS = (1.78vS)/(2kBTc0) –длина когерентности Бардин-Купер-Шриффер, S=(2/)GL(0), - длина когерентности Гинзбурга-Ландау, TF - квантово-механический параметр прозрачности S/F- границы, который равен нулю при полностью отражающей, непрозрачной для волновой функции куперовских пар S/F- границы и стремится к бесконечности при полностью прозрачной S/F- границе (в эксперименте этот параметр не определен и служит фит-параметром). Для наших образцов длина свободного пробега электронов в магнитном слое lF 10 nm, определенная из величины измеренного удельного сопротивления приготовленных пленок медь-никель = 25 мкОмсм при T=10K и известного для сплава медь-никель аналогичного состава [23] соотношения lF=2.5x10 5 Omcm2. В то же время, магнитная длина для наших ферромагнитных пленок F = 10,5 нм (см. рис. 4.5 и подпись к нему), т.е. наш случай – не «грязный» предел с соотношением для магнитного слоя F/lF>>1, и не «чистый» предел с обратным соотношением, F/lF<<1, а имеет место промежуточный случай, ближе к чистому пределу, F/lF1. Это допущение позволяет нам использовать для фит-процедуры упрощенное выражение Тагирова (3).

(3)

Результат приведен на рис. 6 – сплошные линии рассчитаны по формуле (3) с использованием следующих значений параметров:

Для серии S21, dNb6.2 nm, Tc0,Nb(dCuNi = 0nm) = 6.2K; S = 6.1 nm; TF = 0.65; lF/F0 = 1.1; F0 = 11.2 nm.;

Для серии S22, dNb7.8 nm, Tc0,Nb(dCuNi = 0nm) = 6.85K; S = 6.5 nm; TF = 0.61; lF/F0 = 1.1; F0 = 10.7 nm.

Для серии S23, dNb14.1 nm, Tc0,Nb(dCuNi = 0nm) = 8.0K; S = 6.6 nm; TF =  0.44; lF/F0 = 1.1; F0 =  10.8 nm.

Фиттинг полученных экспериментальных данных приведенный на Рис. 6 по теории [21], демонстрирует хорошее согласие с экспериментом во всем интервале толщин ферромагнетика dF.

Анализ полученных результатов позволяет сформулировать условия приготовления образцов, выполнение которых необходимо для воспроизводимого и достоверного наблюдения квазиодномерного неоднородного сверхпроводящего состояния LOFF-типа в слоистых S/F-структурах:

  1. Выбранная пара S/F металлов должна иметь ограниченную взаимную растворимость для обеспечения резкой границы между сверхпроводником и ферромагнетиком;
  2. Качество поверхности используемой подложки должно обеспечить минимальную шероховатость, ее среднеквадратичная величина должна быть существенно меньше толщины слоя ферромагнетика;
  3. Использование магнетронного напыления предпочтительно вследствие высокой скорости напыления слоев, обеспечивающей достаточно высокое качество поверхностей напыляемых пленок.

основные выводы и рекомендации

Основной целью данной работы было установление условий воспроизводимого проявления неоднородного сверхпроводящего квазиодномерного LOFF состояния, теоретически предсказанного в виде осцилляций критической температуры и эффекта возвратной сверхпроводимости в слоистых структурах сверхпроводник-ферромагнетик, как функции от толщины ферромагнетика, а так же выработка практических рекомендаций по использованию полученных результатов для разработки устройств сверхпроводниковой спинтроники.

Для выполнения главной цели работы были решены следующие задачи:

- разработана и запатентована специальная технология магнетронного напыления слоистых наноструктур Nb/СuNi на атомарно гладкие кремниевые подложки, со строго контролируемыми и воспроизводимыми параметрами, обеспечивающая долговременную стабильность параметров приготовленных структур.

- обнаружены все возможные типы поведения Тс, предсказанные теорией неоднородного ЛОФФ-состояния, а именно: от простого немонотонного поведения Тс для серии образцов с толстым слоем ниобия, превышающим значение длины когерентности сверхпроводника, к осциллирующему для серии с толщиной слоя ниобия близкой по величине длине когерентности и к поведению типа «возвратная сверхпроводимость» для серии структур с толщиной слоя ниобия, меньшей длины когерентности, как убедительное доказательство возникновения в исследованных образцах предсказанного теорией неоднородного квазиодномерного сверхпроводящего состояния Ларкина-Овчинникова-Фулде-Феррелла

- Обнаружено существование явления многократной возвратной сверхпроводимости, предсказаннго теорией квазиодномерного ЛОФФ состояния.

- сопоставление полученных результатов с теорией квазиодномерного сверхпроводящего состояния Ларкина-Овчинникова-Фулде-Феррелла для слоистых структур сверхпроводник-ферромагнетик установило качественное согласие с теорией; для улучшения количественного согласия сформулирована необходимость дальнейшего развития теории и распространиения ее на промежуточный случай, поскольку исследованные в работе наноструктуры не принадлежат предельным случаям «грязного» и «чистого» пределов, а соответствуют промежуточному случаю с соотношением параметров магнитного слоя F/lF1.

- обнаруженное явление возвратной сверхпроводимости в слоистых наноструктурах ниобий/медь-никель и разработанная технология контролируемого и воспроизводимого приготовления наноструктур сверхпроводник-ферромагнетик дают возможность создания преключающего сверхпроводникового устройства спинтроники – спинового вентиля.

Разработанная технология контролируемого и воспроизводимого приготовления наноструктур сверхпроводник-ферромагнетик может быть использована в сверхпроводниковой спинтронике для создания быстродействующих квантовых логических схем и быстродействующего сверхпроводящего компьютера.

Преимущества компьютера с использованием сверхпроводниковых логических элементов типа «спиновый вентиль» и «пи-контакт» а также ячеек памяти на их основе являютс: высокое быстродействие, до 100 - 1000 Гигагерц, и отсутствие тепловыделения при работе по сравнению с аналогичными устройствами на полупроводниках.

Библиография

  1. Bardeen J., Cooper L. N., Schrieffer J. R. Phys. Rev., 1957, vol. 108, 1175
  2. Frhlich H. Phys.Rev., 1950, vol. 79,.845
  3. Cooper L.N. Phys.Rev., 1956, vol. 104,1189
  4. Larkin A.I., Ovchinnikov Yu. N., JETP, 1964, vol. 47, 1138,
  5. Fulde P., Ferrell R. A., Phys.Rev., 1964, vol. A550, 135
  6. Gloss K., et al., Phys. Rev. Lett., 1993, vol. 70, 501
  7. Buzdin, Z. Radovi, PR B38 (1988) 2388
  8. Tagirov L., Physica C, 1998, vol. 307, 145
  9. Sidorenko A. S., et al., Ann. Phys., 2003, vol. 12, 37
  10. Zdravkov V., et al., Phys. Rev. Lett., 2006, vol. 97, 057004
  11. Buzdin A. I., Rev. Mod. Phys., 2005, vol. 77, 935
  12. Koorevaar P., Suzuki Y., Coehoorn R., and Aarts J., Phys. Rev. B, 1994, vol. 49, 441,
  13. Strunk C., Surgers C., Paschen U., and Lohneysen H. V., Phys. Rev. B, 1994, vol. 49, 4053
  14. Muhge Th., Garifyanov N. N., Goryunov Yu.V., Khaliullin G. G., Tagirov L. R., Westerholt K., Garifullin I. A., and Zabel H., Phys. Rev. Lett., 1996, vol. 77, 1857,
  15. Ogrin F. Y., Lee S. L., Hillier A. D., Mitchell A., and Shen T.-H., Phys. Rev. B, 2000, vol. 62, 6021
  16. Nash P., Phase Diagrams of Binary Nickel Alloys, ASM International, Material Park, Ohio, 1991, p. 220.
  17. Buckel W., 1990, "Supraleitung", 4. bberarbeitete und ergnzte Auflage, VCH Verlag, Weinheim
  18. Sidorenko A. S., et al., Phys. Rev. B, 1996, vol. 53, 11751
  19. Doolittle L. R., Nucl. Instr. Meth. B 1985, vol. 9, 344
  20. Eberhardt J. P., Structural and Chemical Analysis of Materials, John Wiley and Sons, 1991, Chichester
  21. Tagirov L., Physica C, 1998, vol. 307, 145
  22. Tagirov L. R., Garifullin I. A., Garifyanov N. N., Khlebnikov S.Ya., Tikhonov D.A., Westerholt K., and Zabel H., Magn J.. Magn. Mater. 2002, vol. 240, 577
  23. Kirschner J., "Abbildung magnetischer Strukturen an Oberflchen und in dnnen Schichten", in: Dnne Schichten und Schichtsysteme, 1986, vol. 17. IFF Ferienkurs (Forschungszentrum Jlich GmbH), Jlich
  24. Symington J. A., et al., Physica B, 2001, vol. 418, pp. 294-295

ADNOTAREA

tezei de doctor n tiine fizico-matematice a lui Morari Roman “Supraconductibilatatea reversibil n nanostructuri bazate pe pelicule de Niobiu i aliaj de Cupru-Nichel (01.04.07 - fizica strii condensate).

CZU: 537.312.62

A fost elaborat tehnologia original de confecionare n vacuum a nanostructurilor supraconductor/feromagnet (S/F) atomar netede, bazate pe straturi de niobiu i aliaj de cupru-nichel, ce permite n cadrul unui singur ciclu de depunere magnetron de a confeciona serii de nanostructuri stratificate cu parametrii reproductibili i controlabili.

A fost efectuat un studiu cuprinztor al structurii, morfologiei i compoziiei peliculelor, folosind spectroscopia Auger -AES, spectroscopia Rutherford de dispersiei invers a particulelor alfa-RBS n asociere cu microscopoa atomic-AFM, microscopia electronic de trmsmisie-TEM i microscopia electronic de scanare-SEM.
Pentru prima dat pe nanostructurile de Nb/СuNi cu grosimea fix a stratului de niobiu i grosimea variabil a stratului de aliaj feromagnetic cupru-nichel, au fost observate oscilaii bine pronunate ale temperaturii critice de traziie supraconductoare i efectul de reentrans dublu al supraconductibilitii, ca dovad experimental direct a realizrii strii supraconductoare neomogene quasi-unidimensional de tipul LOFF.

Semnificaia practic a lucrrii const n faptul, c tehnologia elaborat de obinere n mod controlabil i reproductibil a nanostructurilor de supraconductor/feromagnet poate fi folosit n soluionarea obiectivelor spintronicii supraconductoare – crearea circuitelor cuantice logice de mare vitez i crearea calculatorului supraconductor de mare vitz.

.

Teza este scris n limba rus.

AННОТАЦИЯ

диссертации МОРАРЬ Роман Андреевич

«Возвратная сверхпроводимость в сверхпроводящих наноструктурах на основе ниобия и сплава медь-никель», представленной на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния.

УДК: 537.312.62

Разработана оригинальная вакуумная технология приготовления атомарно гладких наноструктур сверхпроводник/ферромагнетик на основе слоев ниобия и сплава медь-никель, позволяющая в едином цикле магнетронного напыления изготавливать серии пленочных наноструктур с воспроизводимыми и контролируемыми параметрами.

Выполнено комплексное исследование структуры, морфологии и состава слоев с использованием Оже спектроскопии, Резерфордовского обратного рассеяния альфа-частиц (RBS) в сочетании с микроскопией оптической, атомной силовой (AFM), электронной трансмиссионной (TEM) и сканирующей (SEM) микроскопией.

Обнаружены осцилляции критической температуры сверхпроводящего перехода в наноструктурах с фиксированной толщиной слоя ниобия и вариируемой толщиной слоев сплава медь-никель и эффект двойной возвратной сверхпроводимости, как прямое экспериментальное доказательство реализации квазиодномерного неоднородного сверхпроводящего состояния типа «ЛОФФ».

Практическая значимость выполненой работы заключается в том, что разработанная технология контролируемого и воспроизводимого приготовления наноструктур сверхпроводник/ферромагнетик может быть использована для задач сверхпроводниковой электроники и спинтроники.

Диссертация написана на русском языке.

SUMMARY

of the thesis " Re-entrance superconductivity in nanostructures based on Nb and Cu-Ni alloy layers”, presented by Morari Roman for the search of scientific degree of a doctor in physics and mathematics, speciality 01.04.07 “solid state physics”.

UDC: 537.312.62

An original vacuum technology for reliable and reproducible preparation of high quality nanostructures “superconductor /ferromagnet” (S/F) using magnetron sputtering is developed.

Superconducting properties of atomic smooth Nb/CuNi bilayers are investigated. The quality of the films was characterized by Auge-spectoscopy, AFM, TEM and SEM microscopy studies. The thickness of the layers and their composition was determined by the Rutherford backscattering spectrometry (RBS). For specimens with constant Nb layer thickness we observed distinct oscillations of the superconducting critical temperature till the re-entrant behavior upon increasing the thickness of the CuNi layer. The results are interpreted in terms of Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) like inhomogeneous superconducting pairing in the ferromagnetic CuNi layer.

The obtained results can be used for superconducting electronics and spintronics.

The thesis is written in Russian



 




<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.