Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах
Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры, состоящие из сверхпроводниковых обкладок (сплав молибдена с рением) и допированного вольфрамом наноразмерного слоя кремния. В интервале напряжений от –800 до 800 мВ и при температурах 4,2–8 К были измерены вольт-амперные характе...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика низких температур |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129120 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах / В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.В. Суворов, Н.А. Скорик, М.А. Белоголовский // Физика низких температур. — 2003. — Т. 42, № 5. — С. 544-547. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-129120 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.В. Скорик, Н.А. Белоголовский, М.А. 2018-01-16T14:29:23Z 2018-01-16T14:29:23Z 2016 Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах / В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.В. Суворов, Н.А. Скорик, М.А. Белоголовский // Физика низких температур. — 2003. — Т. 42, № 5. — С. 544-547. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 73.21.La, 73.23.Hk, 74.50.+r https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129120 Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры, состоящие из сверхпроводниковых обкладок (сплав молибдена с рением) и допированного вольфрамом наноразмерного слоя кремния. В интервале напряжений от –800 до 800 мВ и при температурах 4,2–8 К были измерены вольт-амперные характеристики таких переходов, на которых впервые наблюдались локальные максимумы тока на фоне скачкообразного увеличения его величины. Положения этих особенностей, симметричных относительно нуля напряжений, менялись от образца к образцу в пределах 40–300 мВ. С ростом температуры они размывались и полностью пропадали с исчезновением сверхпроводимости в электродах. Природу наблюдаемых сингулярностей мы связываем с особенностями электронного туннелирования через локализованные в полупроводниковом барьере примесные состояния. Использование сверхпроводящего электрода усиливает взаимодействие локализованного электрона с электронами проводимости благодаря корневой расходимости в плотности электронных состояний сверхпроводника. Створено та експериментально досліджено тонкоплівкові гетероструктури, що складаються з надпровідних обкладинок (сплав молібдену з ренієм) та допованого вольфрамом нанорозмірного шару кремнію. В інтервалі напруг від –800 до 800 мВ і при температурах 4,2–8 К було виміряно вольт-амперні характеристики таких переходів, на яких вперше спостерігалися локальні максимуми струму на тлі стрибкоподібного збільшення його величини. Положення цих особливостей, симетричних відносно нуля напруг, змінювалися від зразка до зразка в межах 40–300 мВ. Із зростанням температури вони розмивалися і повністю пропадали зі зникненням надпровідності в електродах. Природу сингулярностей, що спостерігалися, ми пов'язуємо з особливостями електронного тунелювання через локалізовані в напівпровідниковому бар'єрі домішкові стани. Використання надпровідного електрода підсилює взаємодію локалізованого електрона з електронами провідності завдяки кореневій розбіжності в щільності електрон- них станів надпровідника. Thin film heterostructures composed of superconducting electrodes (molybdenum rhenium alloy) and a nanoscale silicon layer doped with tungsten, have been designed and experimentally studied. The current-voltage characteristics of junctions exhibiting local maxima of the current against the background of abrupt current increases for the first time, were measured in the voltage range of −800 to 800 mV, at temperatures of 4.2–8 K. The positions of these singularities, which are symmetrical with respect to zero voltage, varied from sample to sample within the range of 40–300 mV. With increasing temperature, they became blurred and completely vanished with the disappearance of superconductivity in the electrodes. The nature of the observed singularities is associated with the properties of electron tunneling through the impurity states localized in the semiconducting barrier. The use of a superconducting electrode enhances the interaction of the localized electron with the conduction electrons thanks to the root divergence in the density of electron states of a superconductor. Один из авторов статьи (М.А.Б.) был в числе первых курсовиков и дипломников Кирилла Борисовича Толпыго. Начиная с первого курса, на котором К.Б. читал механику, и вплоть до окончания Донецкого государственного университета, М.А.Б. находился под постоянным влиянием своего учителя. К.Б. учил нас, студентов, не только физике, он показывал пример порядочности, принципиальности и оптимизма. Человек необыкновенной харизмы, как теперь говорят, острого ума и истинной интеллигентности, таким он навсегда останется в памяти тех, кто когда-либо общался с ним. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур К 100-летию со дня рождения К.Б. Толпыго Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах Tunneling through localized barrier states in superconducting heterostructures Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах |
| spellingShingle |
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.В. Скорик, Н.А. Белоголовский, М.А. К 100-летию со дня рождения К.Б. Толпыго |
| title_short |
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах |
| title_full |
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах |
| title_fullStr |
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах |
| title_full_unstemmed |
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах |
| title_sort |
туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах |
| author |
Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.В. Скорик, Н.А. Белоголовский, М.А. |
| author_facet |
Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.В. Скорик, Н.А. Белоголовский, М.А. |
| topic |
К 100-летию со дня рождения К.Б. Толпыго |
| topic_facet |
К 100-летию со дня рождения К.Б. Толпыго |
| publishDate |
2016 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика низких температур |
| publisher |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Tunneling through localized barrier states in superconducting heterostructures |
| description |
Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры, состоящие из сверхпроводниковых обкладок (сплав молибдена с рением) и допированного вольфрамом наноразмерного слоя
кремния. В интервале напряжений от –800 до 800 мВ и при температурах 4,2–8 К были измерены вольт-амперные характеристики таких переходов, на которых впервые наблюдались локальные максимумы тока на фоне скачкообразного увеличения его величины. Положения этих особенностей, симметричных
относительно нуля напряжений, менялись от образца к образцу в пределах 40–300 мВ. С ростом температуры они размывались и полностью пропадали с исчезновением сверхпроводимости в электродах.
Природу наблюдаемых сингулярностей мы связываем с особенностями электронного туннелирования
через локализованные в полупроводниковом барьере примесные состояния. Использование сверхпроводящего электрода усиливает взаимодействие локализованного электрона с электронами проводимости
благодаря корневой расходимости в плотности электронных состояний сверхпроводника.
Створено та експериментально досліджено тонкоплівкові гетероструктури, що складаються з надпровідних обкладинок (сплав молібдену з ренієм) та допованого вольфрамом нанорозмірного шару кремнію. В інтервалі напруг від –800 до 800 мВ і при температурах 4,2–8 К було виміряно вольт-амперні характеристики таких переходів, на яких вперше спостерігалися локальні максимуми струму на тлі
стрибкоподібного збільшення його величини. Положення цих особливостей, симетричних відносно нуля напруг, змінювалися від зразка до зразка в межах 40–300 мВ. Із зростанням температури вони розмивалися і повністю пропадали зі зникненням надпровідності в електродах. Природу сингулярностей, що спостерігалися, ми пов'язуємо з особливостями електронного тунелювання через локалізовані в напівпровідниковому бар'єрі домішкові стани. Використання надпровідного електрода підсилює взаємодію
локалізованого електрона з електронами провідності завдяки кореневій розбіжності в щільності електрон-
них станів надпровідника.
Thin film heterostructures composed of superconducting electrodes (molybdenum rhenium alloy) and a nanoscale silicon layer doped with tungsten, have been designed and experimentally studied. The current-voltage characteristics of junctions exhibiting local maxima of the current against the background of abrupt current increases for the first time, were measured in the voltage range of −800 to 800 mV, at temperatures of 4.2–8 K. The positions of these singularities, which are symmetrical with respect to zero voltage, varied from sample to sample within the range of 40–300 mV. With increasing temperature, they became blurred and completely vanished with the disappearance of superconductivity in the electrodes. The nature of the observed singularities is associated with the properties of electron tunneling through the impurity states localized in the semiconducting barrier. The use of a superconducting electrode enhances the interaction of the localized electron with the conduction electrons thanks to the root divergence in the density of electron states of a superconductor.
|
| issn |
0132-6414 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129120 |
| citation_txt |
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах / В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.В. Суворов, Н.А. Скорик, М.А. Белоголовский // Физика низких температур. — 2003. — Т. 42, № 5. — С. 544-547. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT šaternikve tunnelirovaniečerezlokalizovannyebarʹernyesostoâniâvsverhprovodnikovyhgeterostrukturah AT šapovalovap tunnelirovaniečerezlokalizovannyebarʹernyesostoâniâvsverhprovodnikovyhgeterostrukturah AT suvorovav tunnelirovaniečerezlokalizovannyebarʹernyesostoâniâvsverhprovodnikovyhgeterostrukturah AT skorikna tunnelirovaniečerezlokalizovannyebarʹernyesostoâniâvsverhprovodnikovyhgeterostrukturah AT belogolovskiima tunnelirovaniečerezlokalizovannyebarʹernyesostoâniâvsverhprovodnikovyhgeterostrukturah AT šaternikve tunnelingthroughlocalizedbarrierstatesinsuperconductingheterostructures AT šapovalovap tunnelingthroughlocalizedbarrierstatesinsuperconductingheterostructures AT suvorovav tunnelingthroughlocalizedbarrierstatesinsuperconductingheterostructures AT skorikna tunnelingthroughlocalizedbarrierstatesinsuperconductingheterostructures AT belogolovskiima tunnelingthroughlocalizedbarrierstatesinsuperconductingheterostructures |
| first_indexed |
2025-11-25T22:46:37Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:46:37Z |
| _version_ |
1850575950068056064 |
| fulltext |
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 5, c. 544–547
Туннелирование через локализованные барьерные
состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах
В.Е. Шатерник1, А.П. Шаповалов1,2, А.В. Суворов1,
Н.А. Скорик1,3, М.А. Белоголовский1
1Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, пр. Академика Вернадского, 36, г. Киев, Украина
E-mail: shaternikv@i.ua
2Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, ул. Автозаводская, 2, г. Киев, Украина
3ООО «НаноМедТех», ул. Антоновича, 68, г. Киев, Украина
Статья поступила в редакцию 9 февраля 2016 г., опубликована онлайн 23 марта 2016 г.
Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры, состоящие из сверхпро-
водниковых обкладок (сплав молибдена с рением) и допированного вольфрамом наноразмерного слоя
кремния. В интервале напряжений от –800 до 800 мВ и при температурах 4,2–8 К были измерены вольт-
амперные характеристики таких переходов, на которых впервые наблюдались локальные максимумы то-
ка на фоне скачкообразного увеличения его величины. Положения этих особенностей, симметричных
относительно нуля напряжений, менялись от образца к образцу в пределах 40–300 мВ. С ростом темпе-
ратуры они размывались и полностью пропадали с исчезновением сверхпроводимости в электродах.
Природу наблюдаемых сингулярностей мы связываем с особенностями электронного туннелирования
через локализованные в полупроводниковом барьере примесные состояния. Использование сверхпрово-
дящего электрода усиливает взаимодействие локализованного электрона с электронами проводимости
благодаря корневой расходимости в плотности электронных состояний сверхпроводника.
Створено та експериментально досліджено тонкоплівкові гетероструктури, що складаються з над-
провідних обкладинок (сплав молібдену з ренієм) та допованого вольфрамом нанорозмірного шару
кремнію. В інтервалі напруг від –800 до 800 мВ і при температурах 4,2–8 К було виміряно вольт-амперні
характеристики таких переходів, на яких вперше спостерігалися локальні максимуми струму на тлі
стрибкоподібного збільшення його величини. Положення цих особливостей, симетричних відносно нуля
напруг, змінювалися від зразка до зразка в межах 40–300 мВ. Із зростанням температури вони розмивалися і
повністю пропадали зі зникненням надпровідності в електродах. Природу сингулярностей, що спо-
стерігалися, ми пов'язуємо з особливостями електронного тунелювання через локалізовані в напів-
провідниковому бар'єрі домішкові стани. Використання надпровідного електрода підсилює взаємодію
локалізованого електрона з електронами провідності завдяки кореневій розбіжності в щільності електрон-
них станів надпровідника.
PACS: 73.21.La Квантовые точки;
73.23.Hk Кулоновская блокада, одноэлектронное туннелирование;
74.50.+r Туннельные явления; эффекты Джозефсона.
Ключевые слова: электронное туннелирование, гетероструктуры сверхпроводник–допированный полу-
проводник–сверхпроводник, локализованные состояния, ферми-краевая сингулярность.
На процесс низкотемпературного туннелирования
квазичастичных возбуждений в твердотельных гетеро-
структурах со случайно-неоднородными барьерами су-
щественное влияние оказывают многократные подбарь-
ерные столкновения с рассеивающими центрами. При
этом стандартный подход, основанный на представле-
нии о туннелировании электронов через гладкий потен-
циальный барьер, оказывается неприемлемым, напри-
мер, когда определяющими для заданной конфигурации
рассеивателей в конкретном образце оказываются эф-
© В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.В. Суворов, Н.А. Скорик, М.А. Белоголовский, 2016
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах
фекты квантовой интерференции. В качестве примера
можно привести процессы зарядового транспорта в
трехслойных системах металл–изолятор–металл (MIM)
с диэлектрической (либо полупроводниковой) прослой-
кой, содержащей наноразмерные включения (примеси
или кластеры) проводящего материала. Если энергия
налетающих на барьер частиц лежит ниже энергии свя-
занных состояний в примесных центрах, то имеет место
нерезонансное туннелирование. В противоположном
случае может возникать эффект резонансного прохож-
дения частиц через барьер. При этом для каждой энер-
гии реализуются маловероятные конфигурации примес-
ных центров (резонансно-перколяционные траектории
[1]), которые соответствуют коэффициенту прохожде-
ния (прозрачности), близкой к единице. Поскольку про-
зрачность подавляющего большинства примесных кон-
фигураций мала, резонансно-перколяционные траекто-
рии как раз и определяют усредненную прозрачность D
барьерного слоя, который должен быть сравнительно
толстым.
Если металлические обкладки такого трехслойного
сэндвича находятся в сверхпроводящем состоянии (S),
то оказывается возможным прохождение сверхтока
через неоднородный барьер I, толщина которого может
заметно превосходить соответствующую величину для
аналогичного однородного барьера без металлических
включений. Эта идея реализована в работах [2–5], где в
качестве промежуточного слоя I использовался крем-
ний с примесью вольфрама. В наших предыдущих ра-
ботах [4,5], в которых в качестве сверхпроводящих
обкладок использовался сплав молибдена с рением с
критической температурой Tc порядка 9 К, а Si про-
слойка имела толщину 30–40 нм, было показано, что
такие структуры представляют собой безгистерезис-
ный джозефсоновский переход, в котором локальная
прозрачность барьера меняется в очень широких пре-
делах от нуля до единицы, и ее распределение имеет
два максимума при D = 0 и D = 1.
Как показано в [4], этот результат следует из пред-
положения о равномерном распределении энергий свя-
занных в металлических гранулах состояний. Однако
непосредственных доказательств того, что такие гра-
нулы действительно существуют в наших образцах, не
было. Цель данной работы — получить дополнитель-
ные аргументы, которые свидетельствовали бы о нали-
чии наноразмерных металлических включений в крем-
ниевой прослойке и электрического транспорта через
них. Одно из косвенных доказательств последнего —
эффект кулоновской блокады, который наблюдался
нами [4] при сравнительно малых концентрациях
вольфрама cW < 5 aт.% и сопровождался отсутствием
сверхтока через переход. Ниже мы приводим новые
низкотемпературные данные для таких образцов, кото-
рые указывают на наличие в них так называемой фер-
ми-краевой сингулярности, проявляющейся в виде ло-
кального максимума тока на фоне скачкообразного
увеличения его величины [6].
Переходы Джозефсона MoRe–Si(W)–MoRe вида in-
line изготавливались методом магнетронного распы-
ления мишеней в потоке аргона (давление порядка
0,1 Па) с последующим осаждением тонких пленок
через металлические маски на поликоровые (поли-
кристаллический Al2O3) подложки. Слои молибден-
рениевого сплава напылялись на подложку при ком-
натной температуре и имели Тс ~ 9 К. Пленки крем-
ния, допированного вольфрамом, осаждались путем
распыления сборной мишени в потоке аргона, при
этом мишень состояла из пластины кремния Si, на
которой были расположены несколько проволочек
вольфрама диаметром 0,3 мм. Изменяя количество
проволочек на мишени, можно менять концентрацию
вольфрама в кремниевой прослойке. Толщина MoRe
слоев, которые служили верхними и нижними элек-
тродами переходов Джозефсона MoRe–Si(W)–MoRe,
составляла 100–150 нм, а толщина полупроводнико-
вого барьера менялась в диапазоне 5–20 нм.
Экспериментальный анализ поверхности кремние-
вого слоя, допированного вольфрамом, выполнен с
помощью сканирующего электронного микроскопа
фирмы Tesla, имеющего предельное разрешение по-
рядка 2 нм. Даже с таким разрешением поверхность
слоя Si(W) выглядела совершенно гладкой и однород-
ной без каких-либо признаков кластеров вольфрама,
что, по-видимому, указывает на очень маленькие раз-
меры кластеров W (во всяком случае менее 5 нм). Вы-
полненные одновременно исследования состава пле-
нок Si(W) с помощью приставки для микрорентгено-
спектрального анализа в составе сканирующего элект-
ронного микроскопа показали, в основном, отсутствие
вольфрама в пленке Si(W), и лишь в отдельных местах
пленки наблюдалось наличие небольшого количества
вольфрама — там, где, наверное, расположены класте-
ры W. Влияние температуры на обсуждаемые далее
сингулярности в туннельных кривых изучалось с по-
мощью термостатирования образца в парах гелия, ко-
гда теплоотвод выделяемого джоулева тепла ухудшен
по сравнению со случаем погружения образца в жид-
кий гелий. Заметим также, что при этом избыточная
тепловая нагрузка для более толстого барьера будет
выше из-за роста выделяемой в нем мощности.
Как и в работах [4,5], при сравнительно высоких
концентрациях вольфрама cW > 6 aт.% мы наблюдали
вольт-амперные кривые, которые демонстрировали не
только сверхпроводящую компоненту тока Is в отсут-
ствие падения напряжения на переходе, но и наличие
достаточно большого избыточного тока Iexc. Эти два
фактора однозначно указывают на высокую прозрач-
ность Si(W) прослойки, поскольку возникновение и Is,
и Iexc является следствием того, что коэффициент про-
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 5 545
В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.В. Суворов, Н.А. Скорик, М.А. Белоголовский
хождения электронов через барьерную прослойку бли-
зок к единице [7].
Обсудим экспериментальные результаты, получен-
ные для концентрации вольфрама cW = 4 aт.% и изме-
ренные в диапазоне напряжений –800 до +800 мВ в ин-
тервале температур 4,2–7,5 К. В таких образцах ни
сверхток, ни избыточный ток не наблюдались, а вольт-
амперные характеристики имели необычный вид, кото-
рый не наблюдался в традиционных SIS туннельных
переходах. По форме полученные I–V кривые, см. рис. 1,
напоминают соответствующие характеристики для тун-
нельных MIM переходов с локализованной внутри барь-
ера примесью, которые предсказаны в работе К.А. Мат-
веева и А.И. Ларкина [6]. Рассмотренная ими задача
предполагает асимметричное местоположение примеси в
барьере, например, она смещена ближе к левому элект-
роду, так что вероятность туннелирования на соответст-
вующий локальный уровень из левого электрода намно-
го превышает вероятность ухода в правый электрод,
которая и определяет туннельный ток через данную
структуру. Стандартная теория туннелирования через
локализованный в барьере уровень с энергией Ei [8], ос-
нованная на одноэлектронном приближении, предсказы-
вает ступенчатый рост туннельного тока при таком на-
пряжении V = Vth, когда уровень Ферми правой обкладки
станет равным величине Ei. Такой подход, однако, игно-
рирует кулоновское взаимодействие между электроном,
находящимся на примесном уровне (например, положи-
тельно заряженной примеси или кластера), и электрона-
ми проводимости в металлических обкладках туннель-
ного перехода. В этом случае полный заряд примеси и
электрона, пришедшего из левого электрода, равен ну-
лю. Однако при туннелировании этого электрона в пра-
вую обкладку появляется положительный заряд, кото-
рый создает потенциал kkU ′ и притягивает электроны
проводимости. В результате при V > Vth возникает до-
бавка к току [6]
th
th
( ) ( )
( )
WI V V V
e V V
α
∝ θ − −
, (1)
где 2 ,Uα = ν ν и W — плотность электронных со-
стояний на уровне Ферми и характерная зонная энер-
гия в правом металле, U — усредненный по импульсам
k и k′ потенциал .kkU ′ Показатель степени α тем
больше и, следовательно, максимум тока тем вырази-
тельнее, чем больше отношение фермиевской длины
волны λF в правом электроде к расстоянию от него до
примеси. Поэтому авторы [6] рекомендовали исполь-
зовать в качестве обкладок туннельного контакта до-
пированные полупроводники со сравнительно боль-
шой λF. Экспериментально ферми-краевая сингуляр-
ность на вольт-амперных характеристиках туннельных
переходов наблюдалась в диапазоне температур от 0,1
до 1,5 К (см. работу [9] с электродами из GaAs и ссыл-
ки в ней).
Тот факт, что в исследованном нами температурном
интервале 4,2–8 К ферми-краевая сингулярность не про-
является в туннельных контактах с металлическими
электродами в нормальном состоянии, очевиден из
рис. 1, где пик на I–V зависимости исчезает при темпе-
ратурах, близких к Тс молибден-рениевого сплава. Что-
бы усилить обсуждаемую особенность, в качестве элек-
тродов мы использовали сверхпроводники. В плотности
квазичастичных состояний последних имеется корневая
сингулярность при энергии, равной энергетической ще-
ли сверхпроводника. Хорошо известно, что сверхпрово-
дящий инжектор существенно усиливает сингулярности
в туннельных кривых по сравнению с аналогичным
нормальным электродом [10]. Именно такой эффект и
наблюдался на рис. 1. Местоположения этих особенно-
стей менялись от образца к образцу в пределах 40–300
мВ. Отметим также небольшой гистерезис в туннельных
характеристиках, связанный, видимо, с наличием участ-
ка с отрицательным дифференциальным сопротивлени-
ем на вольт-амперных кривых переходов, а также, воз-
можно, с нагревом образца в области высоких токов и
напряжений.
Рис. 1. (Онлайн в цвете) Вольт-амперные характеристики
туннельного перехода MоRe–Si(W)–MoRe с барьером тол-
щиной 15 (а) и 30 (б) нм и концентрацией вольфрама 4 ат. %.
546 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 5
Туннелирование через локализованные барьерные состояния в сверхпроводниковых гетероструктурах
Таким образом, нами реализованы и исследованы
трехслойные пленочные туннельные переходы MоRe–
Si(W)–MoRe, в которых туннелирование осуществляет-
ся преимущественно через один нанокластер, смещен-
ный от центра по направлению к одному из электродов.
Асимметрия местоположения такого кластера и взаимо-
действие туннелирующего электрона с электронами
проводимости одной из металлических обкладок приво-
дит к возникновению одиночной ферми-краевой сингу-
лярности на вольт-амперных характеристиках в диапа-
зоне температур 4,2–7 К, которая отсутствует, если
электроды переходят в нормальное состояние. Для уси-
ления этой особенности мы впервые использовали
сверхпроводящий инжектор, который позволил наблю-
дать локальный максимум в туннельном токе на фоне
его скачкообразного роста. Он исчезал при приближе-
нии температуры измерений к критической температуре
сверхпроводящего перехода молибден-рениевого спла-
ва, который использовался в качестве обкладок иссле-
дованных туннельных переходов.
Один из авторов статьи (М.А.Б.) был в числе пер-
вых курсовиков и дипломников Кирилла Борисовича
Толпыго. Начиная с первого курса, на котором К.Б.
читал механику, и вплоть до окончания Донецкого
государственного университета, М.А.Б. находился под
постоянным влиянием своего учителя. К.Б. учил нас,
студентов, не только физике, он показывал пример
порядочности, принципиальности и оптимизма. Чело-
век необыкновенной харизмы, как теперь говорят, ост-
рого ума и истинной интеллигентности, таким он на-
всегда останется в памяти тех, кто когда-либо общался
с ним.
1. И.М. Лифшиц. В.Я. Кирпиченков, ЖЭТФ 77, 989 (1979).
2. А.Л. Гудков, М.Ю. Куприянов, К.К. Лихарев, ЖЭТФ 94,
319 (1988).
3. А.Л. Гудков, М.Ю. Куприянов, А.Н. Самусь, ЖЭТФ 141,
939 (2012).
4. V. Shaternik, A. Shapovalov, M. Belogolovskii, O. Suvorov,
S. Döring, S. Schmidt, and P. Seidel, Mater. Res. Express 1,
026001 (2014).
5. V. Lacquaniti, C. Cassiago, N. De Leo, M. Fretto, A. Sosso,
P. Febvre, V. Shaternik, A. Shapovalov, O. Suvorov, M.
Belogolovskii, and P. Seidel, IEEE Trans. Applied
Supercond 26 (2016).
6. K.A. Matveev and A.I. Larkin, Phys. Rev. B 46, 15337
(1992).
7. V. Shaternik, M. Belogolovskii, T. Prikhna, A. Shapovalov,
O. Prokopenko, D. Jabko, O. Kudrja, O. Suvorov, and
V. Noskov, Phys. Proc. 36, 94 (2012).
8. А.В. Чаплик, М.В. Энтин, ЖЭТФ 67, 208 (1974).
9. Ю.Н. Ханин, Е.Е. Вдовин, Л. Ивс, И.А. Ларкин, А.
Патанэ, О.Н. Макаровский, М. Хенини, ЖЭТФ 132, 175
(2007).
10. В.М. Свистунов, М.А. Белоголовский, Туннельная спект-
роскопия квазичастичных возбуждений в металлах, Нау-
кова думка, Киев (1986).
Tunneling into localized barrier states
in superconducting heterostructures
V.Е. Shaternik, А.P. Shapovalov, А.V. Suvorov,
M.А. Skoryk, and М.А. Belogolovskii
Thin-film heterostructures consisting of supercon-
ducting electrodes (molybdenum-rhenium alloy) and a
nanoscaled silicon layer doped by tungsten have been
designed and experimentally studied. Current-voltage
characteristics of the junctions that for the first time
exhibited local maxima on the current abrupt increase
background were measured in the voltage range from
–900 to 900 mV, and at temperatures from 4.2 to 8 K.
The feature positions, symmetrical with respect to zero
voltage, varied from sample to sample in the interval
from 40 to 300 mV. With increasing temperature, they
were washed out and completely disappeared with the
disappearance of superconductivity in the electrodes.
We relate the nature of the observed singularities to
specific features of electron tunneling through local-
ized in semiconducting barrier impurity states. The use
of a superconducting electrode enhances the interac-
tion between localized electrons and conduction ones
due to square-root divergence in the density of elec-
tron states of a superconductor.
PACS: 73.21.La Quantum dots;
73.23.Hk Coulomb blockade; single-electron
tunneling;
74.50.+r Tunneling phenomena; Josephson
effects.
Keywords: electron tunneling, heterostructures super-
conductor–doped semiconductor–superconductor, local-
ized states, Fermi-edge singularity.
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 5 547
http://dx.doi.org/10.1109/TASC.2016.2535141
http://dx.doi.org/10.1109/TASC.2016.2535141
|