Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла

Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe, состоящие из сверхпроводящих обкладок (сплав молибдена с рением) и гибридного полупроводникового туннельного барьера из наноразмерного слоя кремния с нанокластерами вольфрама. Вольт-амперные характеристики таких...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Шатерник, В.Е., Шаповалов, А.П., Суворов, А.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2017
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Сверхпроводящие и мезоскопические структуры. К 70-летию со дня рождения А.Н. Омельянчука
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129529
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла / В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.Ю. Суворов // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 7. — С. 1094-1100. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-129529
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1295292025-02-23T20:27:40Z Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла Charge transport in superconducting MoRe–Si(W)–MoRe heterostructures with hybrid semiconductor barrier containing metal nanoclusters Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.Ю. Сверхпроводящие и мезоскопические структуры. К 70-летию со дня рождения А.Н. Омельянчука Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe, состоящие из сверхпроводящих обкладок (сплав молибдена с рением) и гибридного полупроводникового туннельного барьера из наноразмерного слоя кремния с нанокластерами вольфрама. Вольт-амперные характеристики таких переходов были измерены в широком интервале напряжений от –900 до 900 мВ и при температурах 4,2–8 К под воздействием магнитного поля и СВЧ излучения. Авторы полагают, что полученные температурные зависимости сверхпроводящего критического тока и нормального сопротивления гетероструктуры указывают на возможность реализации в них режима кулоновской блокады, резонансного туннелирования и резонансно-перколяционного механизма транспорта в зависимости от содержания вольфрама в гибридном барьере и величины приложенного к образцам напряжения смещения. Измеренные характеристики позволяют предположить, что при превышении некоторого критического значения сверхтока в кластерах вольфрама возникают центры проскальзывания фазы сверхпроводящего параметра порядка. Створено та експериментально досліджено тонкоплівкові гетероструктури MoRe–Si(W)–MoRe, що складаються з надпровідних обкладинок (сплав молібдену з ренієм) та гібридного напівпровідникового тунельного бар’єру з нанорозмірного шару кремнію з нанокластерами вольфраму. Вольт-амперні характеристики таких переходів було виміряно в широкому інтервалі напруг від –900 до 900 мВ та при температурах 4,2–8 К під дією магнітного поля та НВЧ випромінювання. Автори висувають припущення, що отримані температурні залежності надпровідного критичного струму та нормального опору гетероcтруктури вказують на можливість реалізації режиму кулонівської блокади, резонансного тунелювання та резонансно-перколяційного механізму транспорту в них в залежності від вмісту вольфраму в гібридному бар'єрі та величини прикладеної до гетероструктури напруги зсуву. Виміряні характеристики дозволяють припустити, що при перевищенні деякого критичного значення надструму в кластерах вольфраму виникають центри проковзування фази надпровідного параметру порядку. Thin-film MoRe–Si(W)–MoRe heterostructures consisting of superconducting electrodes (molybdenum-rhenium alloy) and a hybrid semiconductor tunnel barrier consisting of a nanosized silicon layer with tungsten nanoclusters were fabricated and experimentally studied. Current-voltage characteristics of the heterostructures were measured in a wide voltage range from −900 to 900 mV and at temperatures from 4.2 to 8 K, under applied magnetic fields and microwave irradiation. We argue that the temperature dependences of the superconducting critical current and normal-state resistance of the heterostructures might indicate the presence of Coulomb blockade regime, resonant tunneling and resonant-percolation transport mechanism in the junctions, depending on the tungsten content in the hybrid barrier and the applied bias voltage. The measured characteristics suggest that for the superconducting current exceeding some critical value, the phase-slip centers of the superconducting order parameter are formed in the tungsten clusters. Авторы искренне признательны рецензенту данной работы за то, что он обратил внимание авторов статьи на возможность реализации в изученных гетероструктурах механизма проскальзывания фазы, который обычно наблюдают только в узких сверхпроводящих каналах или широких сверхпроводящих пленках. Авторы признательны П. Зайделю и М.А. Белоголовскому за обсуждение работы и ценные замечания. 2017 Article Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла / В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.Ю. Суворов // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 7. — С. 1094-1100. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 73.23.Hk, 74.50.+r, 74.81.–g, https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129529 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Сверхпроводящие и мезоскопические структуры. К 70-летию со дня рождения А.Н. Омельянчука Сверхпроводящие и мезоскопические структуры. К 70-летию со дня рождения А.Н. Омельянчука
spellingShingle	Сверхпроводящие и мезоскопические структуры. К 70-летию со дня рождения А.Н. Омельянчука Сверхпроводящие и мезоскопические структуры. К 70-летию со дня рождения А.Н. Омельянчука Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.Ю. Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла Физика низких температур
description	Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe, состоящие из сверхпроводящих обкладок (сплав молибдена с рением) и гибридного полупроводникового туннельного барьера из наноразмерного слоя кремния с нанокластерами вольфрама. Вольт-амперные характеристики таких переходов были измерены в широком интервале напряжений от –900 до 900 мВ и при температурах 4,2–8 К под воздействием магнитного поля и СВЧ излучения. Авторы полагают, что полученные температурные зависимости сверхпроводящего критического тока и нормального сопротивления гетероструктуры указывают на возможность реализации в них режима кулоновской блокады, резонансного туннелирования и резонансно-перколяционного механизма транспорта в зависимости от содержания вольфрама в гибридном барьере и величины приложенного к образцам напряжения смещения. Измеренные характеристики позволяют предположить, что при превышении некоторого критического значения сверхтока в кластерах вольфрама возникают центры проскальзывания фазы сверхпроводящего параметра порядка.
format	Article
author	Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.Ю.
author_facet	Шатерник, В.Е. Шаповалов, А.П. Суворов, А.Ю.
author_sort	Шатерник, В.Е.
title	Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла
title_short	Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла
title_full	Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла
title_fullStr	Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла
title_full_unstemmed	Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла
title_sort	зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах more–si(w)–more с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Сверхпроводящие и мезоскопические структуры. К 70-летию со дня рождения А.Н. Омельянчука
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129529
citation_txt	Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла / В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.Ю. Суворов // Физика низких температур. — 2017. — Т. 43, № 7. — С. 1094-1100. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT šaternikve zarâdovyjtransportvsverhprovodâŝihgeterostrukturahmoresiwmoresgibridnympoluprovodnikovymbarʹeromsnanoklasteramimetalla AT šapovalovap zarâdovyjtransportvsverhprovodâŝihgeterostrukturahmoresiwmoresgibridnympoluprovodnikovymbarʹeromsnanoklasteramimetalla AT suvorovaû zarâdovyjtransportvsverhprovodâŝihgeterostrukturahmoresiwmoresgibridnympoluprovodnikovymbarʹeromsnanoklasteramimetalla AT šaternikve chargetransportinsuperconductingmoresiwmoreheterostructureswithhybridsemiconductorbarriercontainingmetalnanoclusters AT šapovalovap chargetransportinsuperconductingmoresiwmoreheterostructureswithhybridsemiconductorbarriercontainingmetalnanoclusters AT suvorovaû chargetransportinsuperconductingmoresiwmoreheterostructureswithhybridsemiconductorbarriercontainingmetalnanoclusters
first_indexed	2025-11-25T04:31:08Z
last_indexed	2025-11-25T04:31:08Z
_version_	1849735330041692160
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 7, c. 1094–1100 Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла В.Е. Шатерник1, А.П. Шаповалов1,2, А.Ю. Суворов1 1Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины пр. Академика Вернадского, 36, г. Киев, Украина E-mail: shaternikvolod@gmail.com 2Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины ул. Автозаводская, 2, г. Киев, Украина Статья поступила в редакцию 13 февраля 2017 г., опубликована онлайн 25 мая 2017 г. Созданы и экспериментально исследованы тонкопленочные гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe, со- стоящие из сверхпроводящих обкладок (сплав молибдена с рением) и гибридного полупроводникового туннельного барьера из наноразмерного слоя кремния с нанокластерами вольфрама. Вольт-амперные ха- рактеристики таких переходов были измерены в широком интервале напряжений от –900 до 900 мВ и при температурах 4,2–8 К под воздействием магнитного поля и СВЧ излучения. Авторы полагают, что полученные температурные зависимости сверхпроводящего критического тока и нормального сопротив- ления гетероструктуры указывают на возможность реализации в них режима кулоновской блокады, ре- зонансного туннелирования и резонансно-перколяционного механизма транспорта в зависимости от со- держания вольфрама в гибридном барьере и величины приложенного к образцам напряжения смещения. Измеренные характеристики позволяют предположить, что при превышении некоторого критического значения сверхтока в кластерах вольфрама возникают центры проскальзывания фазы сверхпроводящего параметра порядка. Створено та експериментально досліджено тонкоплівкові гетероструктури MoRe–Si(W)–MoRe, що складаються з надпровідних обкладинок (сплав молібдену з ренієм) та гібридного напівпровідникового тунельного бар’єру з нанорозмірного шару кремнію з нанокластерами вольфраму. Вольт-амперні харак- теристики таких переходів було виміряно в широкому інтервалі напруг від –900 до 900 мВ та при темпе- ратурах 4,2–8 К під дією магнітного поля та НВЧ випромінювання. Автори висувають припущення, що отримані температурні залежності надпровідного критичного струму та нормального опору гетеро- cтруктури вказують на можливість реалізації режиму кулонівської блокади, резонансного тунелювання та резонансно-перколяційного механізму транспорту в них в залежності від вмісту вольфраму в гібрид- ному бар'єрі та величини прикладеної до гетероструктури напруги зсуву. Виміряні характеристики доз- воляють припустити, що при перевищенні деякого критичного значення надструму в кластерах вольфра- му виникають центри проковзування фази надпровідного параметру порядку. PACS: 73.23.Hk Кулоновская блокада, одноэлектронное туннелирование; 74.50.+r Туннельные явления; эффекты Джозефсона; 74.81.–g Неоднородные сверхпроводники и сверхпроводящие системы, включая электронные неоднородности. Ключевые слова: резонансное туннелирование, гибридные сверхпроводниковые гетероструктуры, резо- нансно-перколяционный транспорт, одномерный транспорт. © В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.Ю. Суворов, 2017 Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe 1. Введение В 1962 г. Б. Джозефсон [1] предсказал возможность существования сверхпроводящего тока куперовских пар (стационарный эффект Джозефсона) через тонкий слой изолятора в переходе сверхпроводник–изолятор–сверх- проводник (SIS). Это предсказание вскоре было под- тверждено экспериментально и заложило основу новой сверхпроводниковой электроники на базе переходов Джозефсона. Для улучшения высокочастотных характе- ристик и подавления нежелательного гистерезиса на вольт-амперных характеристиках (ВАХ) джозефсонов- ских переходов в качестве альтернативы были предло- жены гетероструктуры S–N–S типа (N — слой нормаль- ного металла). В работе И.О. Кулика и А.Н. Омельянчука [2] было показано, что в таких переходах на S–N интерфейсах имеют место андреевские отраже- ния и формируются связанные андреевские состояния, через которые и реализуется бездиссипативный транс- порт заряда. Из-за существенного подавления сверхпро- водимости вследствие эффекта близости сверхпроводя- щего слоя с нормальным переходы Джозефсона S–N–S типа не получили широкого распространения в практи- ческих устройствах. В настоящее время одним из основных направлений развития сверхпроводниковой электроники является миниатюризация переходов Джозефсона, которая тре- бует использования в них туннельных барьеров высо- кой прозрачности D ~ 0,1. В работе [3] на примере та- ких Nb–Al2O3–Nb переходов было установлено, что в них, как и в структурах S–N–S типа, существенную роль играют процессы андреевских отражений, и по- этому барьер Al2O3 можно рассматривать как неодно- родный с универсальным распределением ρ(D) про- зрачностей Шепа–Бауэра [4] для неупорядоченного интерфейса. Заметим, что универсальное распределе- ние ρ(D) имеет ряд недостатков, в частности, оно не- нормируемо и содержит пределы Dmax = 1 и Dmin = 0, которые не реализуются в эксперименте. Реальная ВАХ формируется в результате усреднения большого количества вольт-амперных кривых с разными пара- метрами D, при этом значения Dmax и Dmin отличают- ся от нуля и единицы и определяются в каждом кон- кретном случае путем сравнения экспериментальной и рассчитанной характеристик [5]. В работе [6] исследовались переходы Nb–α-Si(W)–Nb, в которых барьером является слой полупроводника — аморфного кремния, допированного вольфрамом (струк- туры S–Sm–S типа). Было установлено, что такие пере- ходы Джозефсона являются перспективными для прак- тических применений, поскольку имеют достаточно большие значения характеристического напряжения ~1 мВ и высокие значения плотности критического тока Джозефсона Iс = 102 А/см2. Механизмом транспорта за- ряда в таких переходах можно управлять, меняя концен- трацию допанта в полупроводниковой матрице, и таким образом переходить от непосредственной проводимости через вырожденный полупроводник к резонансному транспорту. Хорошее совпадение полученных в [6] экс- периментальных зависимостей с расчетными данными дает теоретическая модель Лихарева [7] для S–N–S структур. Это означает, что в данном случае реализуется резонансно-перколяционный транспорт зарядов через одно или два локализованных состояния в барьере, а знак кривизны d2Ic(T)/dT2 измеренных эксперименталь- ных зависимостей критического сверхпроводящего тока от температуры при этом является положительным. Сейчас достигнут существенный прорыв в исследо- ваниях, направленных на увеличение времени декоге- ренции квантового транспорта для некоторых типов джозефсоновских устройств. Одним из вариантов такого устройства является джозефсоновская гетероструктура сверхпроводник–полупроводниковая нанопроволочка– сверхпроводник, в которой реализуются преимущества одномерного, топологически защищенного транспорта сверхпроводящего тока Джозефсона [8], теоретически предложенные Китаевым в [9]. В работах [10–13] мы экспериментально исследовали тонкопленочные гиб- ридные гетероструктуры сверхпроводник–полупровод- ник, допированный металлом–сверхпроводник (MoRe– Si(W)–MoRe). В работе [10] были реализованы различ- ные механизмы зарядового транспорта в зависимости от содержания вольфрама в кремниевом барьере. На ВАХ таких гетероструктур с малым содержанием вольфрама впервые наблюдалось [11] появление ярко выраженных резонансных пиков тока при напряжениях смещения от 40 до 300 мВ, обусловленных особенностями электрон- ного туннелирования через локализованные в барьере примесные состояния. Эти сингулярности возникают вследствие кулоновского взаимодействия локализован- ного в барьере электрона с электронами проводимости в электродах и усиливаются при наличии сверхпроводя- щих электродов благодаря БКШ сингулярностям в плот- ности их электронных состояний. Эффекты внутреннего шунтирования были рассмотрены в [12]. В работе [13] на основе анализа данных электронной просвечивающей микроскопии авторы высказали идею, что при совмест- ном магнетронном осаждении кремния и вольфрама вследствие эффекта самоорганизации в пленке кремния формируется двумерная сетка кластеров вольфрама (диаметром 10–50 нм, расположенных на расстоянии 0,5–1 мкм друг от друга), через которые и реализуется транспорт зарядов в таких гетероструктурах. Характерными признаками наличия одномерного туннельного транспорта в слоистых структурах являют- ся необычные температурные и магнитополевые зави- симости их проводимости в параллельных магнитных полях. Они в значительной степени похожи на соответ- ствующие результаты для слоистых высокотемператур- ных сверхпроводников, в которых сверхпроводимость Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 7 1095 В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.Ю. Суворов возникает в плоскостях медь–кислород, а электронный туннельный транспорт осуществляется в направлении, перпендикулярном слоям, т.е. также является квазиод- номерным [14]. Исследованию особенностей зарядового транспорта в таких гетероструктурах и посвящена дан- ная статья. 2. Экспериментальная методика и результаты Трехслойные структуры MoRe–Si(W)–MoRe, схема- тически изображенные на рис. 1, изготавливались ме- тодом магнетронного распыления мишеней в потоке аргона (давление порядка 0,1 Па) с последующим оса- ждением тонких пленок на поликоровые (поликри- сталлический Al2O3) подложки через металлические маски. Размеры создаваемых гетероструктур составля- ли от 50×50 мкм до 100×100 мкм. Слои молибден- рениевого сплава осаждались на подложку при ком- натной температуре и имели Тс ~ 9 К. Плотность сверхпроводящего критического тока MoRe пленок составляла jMoRe ~ 106 А/см2 при Т = 4,2 К, такая плен- ка сечением 100 мкм × 100 нм переносит сверхпрово- дящий ток вплоть до 100 мА. Пленки кремния, допи- рованного вольфрамом, осаждались путем распыления сборной мишени в потоке аргона, при этом мишень состояла из пластины кремния, на которой было рас- положено несколько проволочек вольфрама диаметром 0,3 мм. Изменяя количество проволочек на мишени, мы могли менять содержание вольфрама в кремниевых прослойках Si(W). Запись ВАХ созданных образцов проводилась, в ос- новном, в режиме источника напряжения. Запись ВАХ гетероструктур, находящихся под воздействием внеш- него СВЧ излучения, проводилась с использованием развертки в режиме источника тока. Среднее время записи всех точек ВАХ составляло 30 с, на рисунках приводятся совместно графики, полученные как при развертке питания от нуля до максимальных значений напряжения, так и в обратном направлении. Созданные гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe при содержании вольфрама в барьере ~ 4–7 ат.% демонстри- руют наличие в ВАХ острых резонансных пиков при некотором напряжении смещения Vpeak [11]. Типичные кривые приведены на рис. 2, где кривая 1 отвечает со- держанию вольфрама в барьере Si(W) 4 ат.% (толщина барьера d = 15 нм, Vpeak 1 = 50 мВ), а кривая 2 отвечает содержанию вольфрама в барьере Si(W) 6–7 ат.% (тол- щина барьера d = 15 нм, Vpeak 2 = 24 мВ). На рис. 3 пред- ставлены ВАХ гетероструктур MоRe–Si(W)–MoRe с содержанием вольфрама в барьере 4 ат.%, измеренные при разных температурах. На вставке к рис. 3 показан вид ВАХ при температурах ниже Tc, температуры сверхпроводящего перехода MoRe электродов. Измере- ния ВАХ при температурах выше Tc демонстрируют (см. рис. 3, кривые 3, 4, 5), что при Tc < Т ≤ 10 К наблю- дается эффект уменьшения кондактанса Gres гетеро- структуры ∆Gres(T) < 0, d(∆Gres)/dT <0, который сменя- ется эффектом его возрастания при Т ≥ 10 К (у MoRe ρ300/ρ10 ~ 1,21), см. рис. 3, кривые 4, 5, 6. При увеличении содержания вольфрама в барьере до 6–7 aт.% Vpeak уменьшается до 5–10 мВ. При достиже- нии содержания вольфрама в барьере Si(W) ~ 8–10 aт.% Vpeak стремится к нулю, в результате чего на ВАХ MoRe–Si(W)–MoRe образцов появляются вертикальные токовые ступеньки при V = 0, т.е. сверхпроводящий ток Джозефсона, а также возникает большой избыточный ток Iexc (cм. рис. 4(а),(б)). Последний определяется как смещение вверх по оси токов линейных участков ВАХ по отношению к соответствующим кривым в нормаль- ном состоянии, когда гетероструктура имеет сопротив- Рис. 1. Схематическое изображение и сечение созданной гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe. Рис. 2. Типичные ВАХ гетероструктур MоRe–Si(W)–MoRe: кривая 1 отвечает содержанию вольфрама в барьере Si(W) 4 ат.% (толщина барьера d = 15 нм, Vpeak 1 = 50 мВ); кривая 2 — содержанию вольфрама в барьере Si(W) 6–7 ат.% (толщина барьера d = 15 нм, Vpeak 2 = 24 мэВ). На вставке приведены на- чальные участки ВАХ в большем масштабе по оси абсцисс. 1096 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 7 Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe ление RN. Видно, что возможна реализация как гистере- зисного (cм. рис. 4(а)), так и безгистерезисного (cм. рис. 4(б)) вида ВАХ исследованных переходов. Полученные гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe демонстрируют необычные зависимости величины сверхпроводящего критического тока Iс(H) от внешне- го магнитного поля H, параллельного плоскости об- разца, в виде пьедестала (рис. 5). На рис. 6 приведены экспериментальные зависимо- сти критического сверхпроводящего тока Iс(T) для че- тырех разных MoRe–Si(W)–MoRe образцов с содержа- нием вольфрама в барьере Si(W) ~8–10 aт.%. Видно, что знак кривизны d2Ic/dT2(T) измеренных в работе экспериментальных зависимостей критического сверх- проводящего тока от температуры является положи- тельным. Совместно с группой проф. Зайделя из Университе- та имени Фридриха Шиллера, г. Йена, Германия нами было исследовано влияние внешнего СВЧ излучения частотой 11 ГГц на ВАХ полученных гетероструктур [15]. На рис. 7 приведены полученные вольт-амперные характеристики для трех различных уровней мощности СВЧ излучения: кривая 1 — P1, кривая 2 — P2, кривая 3 — P3 (P1 < P2 < P3). 3. Обсуждение результатов В работе [13] с помощью просвечивающей электрон- ной микроскопии были выполнены исследования мо- дельных структур в виде пленок кремния Si(W), допи- рованного вольфрамом, которые продемонстрировали наличие отдельных наноразмерных включений вольф- рама в структуре гибридного барьера Si(W). На основа- нии этих данных мы предположили, что в таких пленках вследствие наличия эффекта самоорганизации при их осаждении часть вольфрама собирается в кластеры, ко- торые образуют двумерную периодическую решетку. В такой решетке расстояния между соседними класте- рами вольфрама составляют порядка 0,5–1 мкм и при условии, что толщина кластеров совпадает с толщиной барьера ~ 15 нм, диаметр таких кластеров составляет порядка 70 нм. Следовательно, в месте сформирован- ного перехода размером 100×100 мкм содержится до 40 000 нанокластеров, которые, вероятно, вносят оп- ределяющий вклад в транспорт заряда через гетеро- структуру. Наблюдаемый экспериментально эффект уменьше- ния кондактанса гетероструктуры ∆Gres(T) < 0, d(∆Gres)/dT < 0 (см. рис. 3), который сменяется эффек- том его возрастания при Т > 10 К, может быть описан в рамках теоретической модели В.Я. Кирпиченкова с со- авторами [16] как поведение кондактанса N–I–N гетеро- структур с квантовыми резонансно-перколяционными траекториями (КРПТ) в предположении фазово-коге- рентного транспорта. Основной вклад в этом случае в кондактанс гетероструктур вносят два слагаемых, кото- Рис. 3. ВАХ гетероструктуры MоRe–Si(W)–MoRe с содержа- нием вольфрама в барьере 4 ат.%, при разных температурах. На вставке приведен вид ВАХ при температурах ниже Tc. Рис. 4. Типичные ВАХ гетероструктур MоRe–Si(W)–MoRe, содержание вольфрама в барьере Si(W) ~ 8–10 aт.%: (а) RN = = dV/dI20 мВ = 0,5 Ом, Ic = 8,4 мА; (б) RN = dV/dI20 мВ = 2,32 Ом, Ic = 11 мА. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 7 1097 В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.Ю. Суворов рые соответствуют вкладам однопримесных и двупри- месных квантовых закороток в барьере (см. также соот- ветствующую дискуссию в работе [17]). На ВАХ исследованных гетероструктур, помимо сверхпроводящих токов, наблюдается (см. рис. 4) еще и большой избыточный ток Iexc, что свидетельствует о наличии интенсивных андреевских отражений на ин- терфейсах, а значит, о том [18], что прозрачность ба- рьера в наших образцах близка к единице. Чтобы объ- яснить, почему коэффициент прохождения D через разупорядоченную систему может быть таким высо- ким, заметим, что эффект кулоновской блокады [10], предположительно, реализуется только в том случае, когда радиус R кластера очень мал. Если содержание вольфрама в кремнии возрастает, кластеры вольфрама с индивидуальной энергией локализации ε0 увеличи- ваются в размерах. И.М. Лифшиц и В.Я. Кирпиченков [19] показали, что в этом случае резонансное прохож- дение электронов становится возможным вдоль специ- альных КРПТ, когда нанокластеры расположены почти периодически и локализованные в этих кластерах уровни энергии ε0 практически совпадают между со- бой. Вероятность возникновения таких конфигураций мала, однако их вклад в транспорт заряда, по-види- мому, является определяющим. Следует заметить, что в разупорядоченной системе существует большое количество каналов с разными энергиями ε0. Вероятность достигает максимума, если в большинстве элементов цепочки резонирующие со- стояния в нанокластерах локализуются вблизи середи- ны расстояния между двумя соседними металлически- ми кластерами [20]. В этом случае прозрачность целой цепочки кластеров может быть аппроксимирована ло- ренцианом 1 2 0 1 ,( ) 1 [( )/ ] D ε = + ε − ε Γ (1) где Г — полуширина локализованного уровня [19,20]. Предположим, что значения резонансных энергий рас- пределены равномерно, т.е. вероятность найти цепочку с какой-то энергией локализованного состояния, так же, как и с параметром Г, не зависит от значения ε0. Такое предположение приводит к следующей функции рас- пределения прозрачностей D цепочек кластеров [10]: 1 2 3/2 1/2 1 1 1(D ) (1 ) G e D D ρ = −  , (2) Здесь G — усредненный макроскопический кондактанс перехода [17]. Формула (2) была получена в работе [4], в которой анализировался транспорт заряда через раз- Рис. 5. Типичные экспериментальные зависимости Iс(H) ге- тероструктур MoRe–Si(W)–MoRe, магнитное поле H парал- лельно плоскости перехода и перпендикулярно направлению зарядового транспорта, содержание вольфрама в барьере Si(W): 1 — 9 aт.%; 2 — 11 aт.%. Рис. 6. Экспериментальные зависимости Iс(T) четырех MoRe–Si(W)–MoRe образцов, содержание вольфрама в барь- ере Si(W) ~ 8–10 aт.%. Рис. 7. ВАХ гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe с содержа- нием вольфрама 10 aт.%. в барьере Si(W) для трех различных уровней падающей СВЧ мощности: 1 — P1, 2 — P2, 3 — P3 (P1 < P2 < P3). 1098 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 7 Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe упорядоченный дельта-функциональный потенциальный барьер. Вышеприведенная физическая модель полно- стью отличается от модели [10], а полное совпадение математических формул является результатом функцио- нального сходства зависимостей прозрачности от одной равновероятно случайным образом распределенной пе- ременной (эффективности барьера в [4] и энергии лока- лизованного состояния в нашем случае). Из (2) следует, что функция ρ(D) является бимодальной с огромным числом полностью закрытых каналов и, вместе с тем, с большим количеством открытых каналов [10]. Наличие каналов с D ≤ 1 является причиной того, что наши экс- периментальные данные, Ic и Iexc, являются такими, как это бывает для случая барьера высокой прозрачности, несмотря на то, что мы имеем достаточно толстый слой барьера Si(W). При больших прозрачностях через такой локализованный уровень может сформироваться связан- ное андреевское состояние, о чем свидетельствует нали- чие больших избыточных токов на исследуемых нами ВАХ. Авторы предполагают, что через такие андреев- ские состояния при нулевом напряжении смещения и имеет место сверхпроводящий ток [21]. Описанные гетероструктуры MoRe–Si(W)–MoRe демонстрируют зависимости величины сверхпроводя- щего критического тока Iс(H) от внешнего магнитного поля H, параллельного плоскости гетероструктуры, в виде пьедестала (см. рис. 5) со слабо выраженной мо- дуляцией Iс. Этот результат коррелирует с установлен- ной в работе H. Takayanagi с соавторами [22] экспери- ментальной зависимостью от H критического тока Iс для перехода Джозефсона в виде тонкопленочного микромостика с регулируемым поперечным размером l – dIс/dH(l). Авторами было установлено, что при дос- тижении условия l < λF ~ 16 нм (λF — фермиевская длина волны электрона) критический ток Iс микромос- тика утрачивает чувствительность к внешним магнит- ным полям Н. Отметим, что у созданных нами струк- тур наблюдается также возрастание избыточного квазичастичного тока Iexc при возрастании магнитного поля Н. Обратим внимание на то, что на ВАХ гетеро- структур, находящихся под воздействием внешнего СВЧ облучения, появляются характерные наклонные ступеньки (см. рис. 7), форма и положение которых зависит от мощности приложенного СВЧ излучения. Наличие и поведение таких ступенек [23] дают воз- можность авторам предположить, что в исследуемых гетероструктурах при превышении некоторого крити- ческого значения сверхпроводящего тока Iс режим транспорта куперовских пар (сверхпроводящего тока) через связанные андреевские состояния сменяется на появление в кластерах вольфрама центров проскальзы- вания фазы сверхпроводящего параметра порядка [23,24]. Можно предположить, что в результате гете- роструктура превращается в переход сверхпроводник– барьер–сверхпроводник с динамически созданными переходами Джозефсона (в соответствии с работой А.Н. Омельянчука с соавторами [25]). Зависимость Iс(Н) для пленки с предварительно созданной линией проскальзывания фазы сверхпроводящего параметра порядка [25] имеет как раз форму пьедестала, на кото- ром присутствует малая модуляция Iс. Величина по- следней зависит от размеров сформированного в плен- ке окна и уменьшается при увеличении его размеров. Можно предположить, что аналогичный вид зависимо- стей Iс(Н) у нашей гетероструктуры MoRe–Si(W)– MoRe и у сверхпроводящей тонкой пленки олова с ли- нией проскальзывания фазы сверхпроводящего пара- метра порядка в ней [25] является свидетельством того, что мы имеем дело с переходом сверхпроводник- барьер-сверхпроводник с центрами проскальзывания фазы сверхпроводящего параметра порядка в класте- рах вольфрама. Как видно на рис. 6, знак кривизны d2Iс/dT2(T) зави- симостей для гетероструктур MoRe–Si(W)–MoRe явля- ется положительным. Важно подчеркнуть, что в работах В.М. Дмитриева с соавторами [23] исследовались зави- симости Iс(T) для тонких широких пленок олова, в кото- рых реализовывались линии проскальзывания фазы сверхпроводящего параметра порядка. Установлено [23], что для такой пленки зависимость Iс(T) пропорциональна 3/2 2(1 / ) ,T T− и знак кривизны кривых d2Iс/dT2(T) также является положительным. Это может рассматриваться как еще одно свидетельство в пользу того, что наши ге- тероструктуры представляют собой переход сверхпро- водник–барьер–сверхпроводник с центрами проскальзы- вания фазы сверхпроводящего параметра порядка в кластерах вольфрама. 4. Заключение Нами созданы и исследованы трехслойные пленоч- ные туннельные гетероструктуры MоRe– Si(W)–MoRe, состоящие из сверхпроводящих обкладок (сплав мо- либдена с рением) и гибридного полупроводникового туннельного барьера — наноразмерного слоя кремния с нанокластерами вольфрама. Авторами высказано предположение, что при пре- вышении некоторого критического значения сверхтока в образцах с повышенным содержанием вольфрама (~10 ат.%) режим транспорта куперовских пар (сверх- проводящего тока) через связанные андреевские со- стояния сменяется появлением в кластерах вольфрама центров проскальзывания фазы сверхпроводящего па- раметра порядка. Авторы полагают, что на это указы- вают и измерения ВАХ гетероструктур под воздейст- вием внешнего СВЧ излучения, зависимости Iс(Н), Iс(T) гетероструктур. Авторы искренне признательны рецензенту данной работы за то, что он обратил внимание авторов статьи Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 7 1099 В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.Ю. Суворов на возможность реализации в изученных гетерострукту- рах механизма проскальзывания фазы, который обычно наблюдают только в узких сверхпроводящих каналах или широких сверхпроводящих пленках. Авторы признательны П. Зайделю и М.А. Белого- ловскому за обсуждение работы и ценные замечания. 1. B.D. Josephson, Phys. Lett. 1, 251 (1962). 2. И.О. Кулик, А.Н. Омельянчук, Письма в ЖЭТФ 21, 216 (1975). 3. Y. Naveh, V. Patel, D.V. Averin, K.K. Likharev, and J.E. Lukens, Phys. Rev. Lett. 85, 5404 (2000). 4. K. Schep and G. Bauer, Phys. Rev. B 56, 15860 (1997). 5. V. Shaternik, M. Belogolovskii, T. Prikhna, A. Shapovalov, O. Prokopenko, D. Jabko, O. Kudrja, O. Suvorov, and V. Noskov, Phys. Proc. 36, 94 (2012). 6. А.Л. Гудков, М.Ю. Куприянов, А.Н. Самусь, ЖЭТФ 141, 939 (2012). 7. К.К. Лихарев, Письма в ЖТФ 2, 29 (1976). 8. D.J. van Woerkom, A. Geresdi, and L.P Kouwenhoven, Nature Phys. 11, 547 (2015). 9. A.Yu. Kitaev, Physics–Uspekhi 44, 131 (2001). 10. V. Shaternik, A. Shapovalov, M. Belogolovskii, O. Suvorov, S. Doring, S. Schmidt, and P. Seidel, Mater. Res. Express 1, 026001 (2014). 11. В.Е. Шатерник, А.П. Шаповалов, А.В. Суворов, Н.А. Скорик, М.А. Белоголовский, ФНТ 42, 544 (2016) [Low Temp. Phys. 42, 426 (2016)]. 12. 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. Appl. Super- cond 26, 1100505 (2016). 13. V.E. Shaternik, A.P. Shapovalov, T.A. Prikhna, O.Yu. Suvorov, M.A. Skorik, V.I. Bondarchuk, and V.E. Moshchil, IEEE Trans. Appl. Supercond. 27, 1800507 (2017). 14. В.М. Свистунов, М.А. Белоголовский, А.И. Хачатуров, УФН, 163, 61 (1993). 15. V. Shaternik, A. Shapovalov, A. Suvorov, S. Doring, S. Schmidt, and P. Seidel, Proc. of 8th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW 2013), IEEE Conf. Publ. 655, Kharkov (2013). 16. V.Ya. Kirpichenkov, N.V. Kirpichenkova, O.I. Lozin, and A.A. Postnikov, JETP Lett. 104, 500 (2016). 17. M. Belogolovskii, Centr. Eur. J. Phys. 7, 304 (2009). 18. G.E. Blonder, M. Tinkham, and T.M. Klapwijk, Phys. Rev. B 25, 4515 (1982). 19. I.M. Lifshitz and V.Y. Kirpichenkov, Sov. Phys. JETP 50, 989 (1979). 20. H. Knauer, J. Richter, and P. Seidel, Phys. Status Solidi A 44, 303 (1977). 21. A.A. Golubov, M.Y. Kupriyanov, and E. Il’ichev, Rev. Mod. Phys. 76, 411 (2004). 22. H. Takayanagi, T. Akazaki, and J. Nitta, Phys. Rev. Lett. 75, 3533 (1995). 23. В.М. Дмитриев, И.В. Золочевский, Т.В. Саленкова, Е.В. Христенко, ФНТ 31, 169 (2005) [Low Temp. Phys. 31, 127 (2005)]. 24. A. Sheikhzada and A. Gurevich, arXiv:1703.02843 [cond- mat.supr-con] (2017). 25. A.G. Sivakov, A.M. Glukhov, A.N. Omelyanchouk, Y. Koval, P. Müller, and A.V. Ustinov, Phys. Rev. Lett. 91, 267001 (2003). Charge transport in superconducting heterostructures MoRe–Si(W)–MoRe with hybrid semiconductor barrier with metal nanoclusters V.E. Shaternik, A.P. Shapovalov, and O.Yu. Suvorov Thin-film heterostructures MoRe–Si(W)–MoRe consisting of superconducting electrodes (molyb- denum-rhenium alloy) and a hybrid semiconductor tunneling barrier of nanoscale silicon layer with tung- sten nanoclusters have been fabricated and experimen- tally studied. Current-voltage characteristics of the heterostructures have been measured for a wide volt- age range from –900 to 900 mV and at temperatures ranging from 4,2 to 8 K, under the influence of mag- netic fields and microwave irradiation. From the au- thors point of view the temperature dependencies of the superconducting critical current and normal-state resistance of the heterostructures could point at the feasibility of the Coulomb blockade regime, resonant tunneling and resonant-percolation transport mecha- nism in them depending on the tungsten content in the hybrid barriers and the applied bias voltage. The measured characteristics give us a possibility to as- sume that if the superconducting current is higher than some critical one the phase-slipping centers of the su- perconducting order parameter appears in the tungsten clusters. PACS: 73.23.Hk Coulomb blockade; single-electron tunneling; 74.50.+r Tunneling phenomena; Josephson effects; 74.81.–g Inhomogeneous superconductors and superconducting systems, including elec- tronic inhomogeneities. Keywords: resonant tunneling, hybrid superconductor heterostructures, resonant-percolation transport, one- dimensional transport. 1100 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2017, т. 43, № 7 https://scholar.google.com.ua/citations?user=Sw9IPuAAAAAJ&hl=ru&oi=sra http://link.springer.com/journal/11448 1. Введение 2. Экспериментальная методика и результаты 3. Обсуждение результатов 4. Заключение

Зарядовый транспорт в сверхпроводящих гетероструктурах MoRe–Si(W)–MoRe с гибридным полупроводниковым барьером с нанокластерами металла

Репозитарії

Схожі ресурси