Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей
Получены и исследованы перспективные переходы Джозефсона вида MgB₂—оксид—Mo—Re-сплав, Mo—Re-сплав—оксид—Pb и Mo—Re-сплав—нормальный металл—оксид—нормальный металл—Mo—Re-сплав. Одержано та досліджено перспективні Джозефсонові переходи типу MgB₂—оксид—Mo—Re-стоп, Mo—Re-стоп—оксид—Pb та Mo—Re-стоп—норм...
Saved in:
| Published in: | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2011
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75145 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей / А.П. Шаповалов, С.Ю. Ларкин, В.Е. Шатерник, Т.А. Прихна, В.Л. Носков, М.А. Белоголовский // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 747-758. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860249025771470848 |
|---|---|
| author | Шаповалов, А.П. Ларкин, С.Ю. Шатерник, В.Е. Прихна, Т.А. Носков, В.Л. Белоголовский, М.А. |
| author_facet | Шаповалов, А.П. Ларкин, С.Ю. Шатерник, В.Е. Прихна, Т.А. Носков, В.Л. Белоголовский, М.А. |
| citation_txt | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей / А.П. Шаповалов, С.Ю. Ларкин, В.Е. Шатерник, Т.А. Прихна, В.Л. Носков, М.А. Белоголовский // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 747-758. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Получены и исследованы перспективные переходы Джозефсона вида MgB₂—оксид—Mo—Re-сплав, Mo—Re-сплав—оксид—Pb и Mo—Re-сплав—нормальный металл—оксид—нормальный металл—Mo—Re-сплав.
Одержано та досліджено перспективні Джозефсонові переходи типу MgB₂—оксид—Mo—Re-стоп, Mo—Re-стоп—оксид—Pb та Mo—Re-стоп—нормальний метал—оксид—нормальний метал—Mo—Re-стоп.
Perspective Josephson Mo—Re alloy—oxide—Pb, MgB₂—oxide—Mo—Re alloy, and Mo—Re alloy—normal metal—oxide—normal metal—Mo—Re alloy junctions are fabricated and investigated.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:40:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
747
PACS numbers: 73.40.Gk, 74.25.Sv,74.45.+c,74.50.+r,74.70.Ad,74.78.-w, 85.25.-j
Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB2
с разными функциями распределения прозрачностей
А. П. Шаповалов, С. Ю. Ларкин
*, В. Е. Шатерник**, Т. А. Прихна,
В. Л. Носков
**, М. А. Белоголовский
***
Институт сверхтвёрдых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины,
ул. Автозаводская, 2,
04074, Киев, Украина
*Научно-производственный концерн «Наука»,
ул. Довнар-Запольского, 2/20,
03148 Киев, Украина
**Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины,
бульв. Акад. Вернадского, 36,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
***Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина НАН Украины,
ул. Р. Люксембург, 72,
83114 Донецк, Украина
Получены и исследованы перспективные [1] переходы Джозефсона вида
MgB2—оксид—Mo—Re-сплав, Mo—Re-сплав—оксид—Pb и Mo—Re-сплав—нор-
мальный металл—оксид—нормальный металл—Mo—Re-сплав. Тонкие (≅ 50—
100 нм) Mo—Re-сверхпроводящие плёнки осаждались на Al2O3 подложки с
использованием dc-магнетронного метода распыления Mo—Re-мишеней.
Тонкие (≅ 50—100 нм) MgB2-сверхпроводящие плёнки осаждались на Al2O3-
подложки методом электронно-лучевого испарения бора и термического
соиспарения магния. Тонкие плёнки нормальных металлов (Sn, Al, Mg)
осаждались на поверхность Mo—Re-плёнок путём термического испарения
металлов в вакууме и затем окислялись с целью создания оксидных барье-
ров создаваемых переходов Джозефсона. Экспериментально измерялись
квазичастичные вольт-амперные характеристики (ВАХ) создаваемых пе-
реходов в широком диапазоне напряжений. Для того чтобы исследовать
функции распределения прозрачностей барьеров создаваемых переходов
выполнялось компьютерное моделирование измеряемых квазичастичных
вольт-амперных характеристик в рамках модели многоразовых андреев-
ских отражений в двойных интерфейсах переходов. Демонстрируется, что
исследуемые переходы могут быть описаны как сильно несимметричные
двухбарьерные переходы Джозефсона с сильно отличающимися по про-
зрачности барьерами [2, 3, 4]. Результаты сравнения экспериментальных и
рассчитанных квазичастичных вольт-амперных характеристик предлага-
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2011, т. 9, № 4, сс. 747—758
© 2011 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
748 А. П. ШАПОВАЛОВ, С. Ю. ЛАРКИН, В. Е. ШАТЕРНИК и др.
ются и обсуждаются. Экспериментальные зависимости критического тока
Ic(T), измеренные для джозефсоновских гетероструктур с различными
толщинами металлического слоя d и дозами экспонирования при создании
барьеров, существенно отличаются от зависимостей Ic(T), предложенных в
рамках теоретической модели Амбегаокара—Баратова (A&B), а также
предложенных в рамках теоретической модели Кулика—Омельянчука
(K&O) вследствие присутствия в гетероструктурах эффекта близости, воз-
никающего в результате увеличения толщины слоя нормального металла d
(вплоть до 100 нм).
Одержано та досліджено перспективні [1] Джозефсонові переходи типу
MgB2—оксид—Mo—Re-стоп, Mo—Re-стоп—оксид—Pb та Mo—Re-стоп—нормаль-
ний метал—оксид—нормальний метал—Mo—Re-стоп. Тонкі (≅ 50—100 нм)
Mo—Re-надпровідні плівки осаджувалися на Al2O3-підложжя з викорис-
танням dc-магнетронної методи розпорошення Mo—Re-цілей. Тонкі (≅ 50—
100 нм) MgB2-надпровідні плівки осаджувалися на Al2O3-підложжя мето-
дою електронно-променевого випаровування бору та термічного одночасно-
го випаровування магнію. Тонкі плівки нормальних металів (Sn, Al, Mg)
осаджувалися на поверхню Mo—Re-плівок шляхом термічного випарову-
вання металів у вакуумі та потім оксидувалися з метою утворення оксид-
них бар’єрів створюваних Джозефсонових переходів. Експериментально
вимірювалися квазичастинкові вольт-амперні характеристики (ВАХ)
створених переходів у широкому діяпазоні напруг. З метою дослідження
функцій розподілу прозоростей бар’єрів створених переходів виконувалося
комп’ютерне моделювання вимірюваних квазичастинкових вольт-ампер-
них характеристик у межах моделю багаторазових Андрєєвих відбивань у
подвійних інтерфейсах переходів. Демонструється, що досліджувані пере-
ходи можуть бути описані як сильно несиметричні двобар’єрні Джозефсо-
нові переходи із сильно розрізняльними за прозорістю бар’єрами [2, 3, 4].
Результати порівняння експериментальних та розрахованих квазичастин-
кових вольт-амперних характеристик пропонуються та обговорюються.
Експериментальні залежності критичного струму Ic(T), виміряні для Джо-
зефсонових гетероструктур з різними товщинами металевого шару d та до-
зами експонування при створенні бар’єрів, істотно відрізняються від зале-
жностей Ic(T), запропонованих у межах теоретичного моделю Амбегаока-
ра—Баратова (A&B), а також запропонованих у межах теоретичного моделю
Кулика—Омел’янчука (K&O), внаслідок присутности в гетероструктурах
ефекту близькости, що виникає в результаті збільшення товщини шару
нормального металу d (аж до 100 нм).
Perspective Josephson Mo—Re alloy—oxide—Pb, MgB2—oxide—Mo—Re alloy, and
Mo—Re alloy—normal metal—oxide—normal metal—Mo—Re alloy junctions are
fabricated and investigated. Thin (≅ 50—100 nm) Mo—Re superconducting
films are deposited on Al2O3 substrates using dc magnetron sputtering of Mo—
Re targets. Thin (≅ 50—100 nm) MgB2 superconducting films are deposited on
Al2O3 substrates using electron-beam-assisted evaporation of boron and ther-
mal coevaporation of magnesium. To investigate transparency distribution of
the fabricated junctions’ barriers, computer simulations of the measured qua-
si-particle I—V curves are performed within the scope of the model of multiple
Andreev reflections in double-barrier junctions’ interfaces. As demonstrated,
ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК MgB2 749
the investigated junctions can be described as highly asymmetric double-
barrier Josephson junctions with a great difference between the two barrier
transparencies [2, 3, 4]. Results of computer simulation of quasi-particles I—V
curves of junctions are presented and discussed. The critical current Ic(T)
characteristics measured for Josephson heterostructures with different thick-
ness of metal layer, d, and exposure dose, E, essentially deviate from both the
Ambegaokar—Baratoff (A&B) behaviour of Ic(T) and the Kulik—Omelianchuk
(K&O) curves because of the proximity effect caused by the comparatively high
value of d (up to 100 nm).
Ключевые слова: переходы Джозефсона вида MgB2—оксид—Mo—Re-сплав,
Mo—Re-сплав—оксид—Pb.
(Получено 16 ноября 2010 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Основной проблемой при изготовлении тонкопленочных переходов
Джозефсона является проблема уменьшения емкости переходов и
одновременно с этим получения высоких значений плотности кри-
тического тока Джозефсона. Этого возможно достичь путем миниа-
тюризации переходов Джозефсона с одновременным увеличением
прозрачности слоя изолятора (I) в них. Нынешняя ниобиевая (Nb)
технология лимитирует возможность миниатюризации переходов
до желательных размеров из-за того, что ниобий является сильным
геттером. MoRe- и MgB2-пленки ведут себя подобно благородным
металлам и не являются геттерами, поэтому они являются перспек-
тивными с точки зрения миниатюризации переходов Джозефсона
на их основе.
Тонкопленочные искусственные туннельные барьеры, как счита-
ется, являются аморфными [1, 2] из-за того, что они формируются
путем оксидации при комнатной температуре металлических слоев,
осажденных на поверхность сверхпроводящего базового электрода.
Существует, однако, недостаток литературных данных, посвящен-
ных вопросу о возможной кристаллической структуре реальных ба-
рьеров и ее влиянии на свойства переходов. Liehr and Ewert сообщи-
ли, что низкотемпературная плазменная оксидация толстых алюми-
ниевых пленок, испаренных и осажденных в сверхвысоком вакууме
порядка 10
−10
Торр, приводит к образованию кристаллического барь-
ера из оксида алюминия [3]. Но в случае алюминия, испаряемого в
высоком вакууме порядка 10
−7
Торр, точно такой же процесс оксида-
ции приводит к образованию аморфного барьера из оксида алюми-
ния [3]. Liehr and Ewert [3] предположили, что тип образующегося
туннельного барьера, формируемого из оксида, зависит от размера
кристаллитов в создаваемых алюминиевых пленках. Очень малень-
кие кристаллиты получаются тогда, когда осаждение ведется в вы-
750 А. П. ШАПОВАЛОВ, С. Ю. ЛАРКИН, В. Е. ШАТЕРНИК и др.
соком вакууме, где подвижность поверхностных адатомов является
более низкой, а скорость появления зародышей, соответственно, бо-
лее высокой по сравнению со случаем сверхвысокого вакуума, что
приводит в результате к образованию аморфного барьера из оксида
[2]. Обсуждаемые в литературе барьеры туннельных переходов в ви-
де окисленных металлических слоев обычно изготавливаются в вы-
соком вакууме и на поверхности базового электрода с хорошей кри-
сталлической структурой, вследствие этого аморфность таких барье-
ров является весьма вероятной, даже если она целенаправленно и не
проверяется, и не исследуется [2]. В большинстве случаев эти пере-
ходы демонстрируют квазичастичные вольт-амперные характери-
стики (I—V) с хорошо различимой особенностью в виде «щелевой»
ступеньки тока и с малой проводимостью во «внутрищелевой» обла-
сти напряжений [2].
Исследователи обычно не измеряют экспериментально такие па-
раметры очень тонких окисленных слоев метала, как их кристалли-
ческую структуру и размер зерен, несмотря на то, что это является
очень важной информацией с точки зрения свойств изготавливае-
мых барьеров. Конечно, сейчас имеются новые возможности экспе-
риментального исследования расположения атомов в барьерах,
например, путем использования STM или AFM. Но в реальности си-
туация является более сложной. Поскольку мы нуждаемся не только
в том, чтобы знать структуру рассматриваемого слоя до и после окси-
дации, но главным образом в том, чтобы узнать, в конце концов,
множество коэффициентов прохождения (именуемых «прозрачно-
стями») для исследуемого реального барьера для того, чтобы оценить
свойства создаваемых переходов [4]. Как показано в работах [4—6],
эту важную информацию можно получить экспериментально другим
путем, а, именно, путем экспериментального измерения квазича-
стичных вольт-амперных характеристик на постоянном токе (I—V)
изготавливаемых переходов, и затем компьютерного моделирования
их в рамках теоретической модели многократных Андреевских от-
ражений (MAR). Это означает, что является очень актуальным ис-
следование процессов многократных Андреевских отражений ква-
зичастиц в реальных туннельных переходах, создаваемых на основе
новых перспективных материалов. Поскольку в барьерах с высокой
прозрачностью эти процессы играют все более важную роль и могут,
в принципе, контролироваться параметрами процессов изготовления
переходов Джозефсона.
2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ
Сверхпроводящие Mo—Re-пленки изготавливали осаждением тонких
Mo—Re-слоев на различные диэлектрические подложки при комнат-
ной температуре с использованием магнетронного распыления Mo—
ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК MgB2 751
Re-мишеней на постоянном токе. Состав мишени и осаждаемой плен-
ки был следующим – 55% Mo и 45% Re. Скорость осаждения состав-
ляла обычно ≅ 2 нм/с. Мы наблюдали, что малые по количеству при-
меси воды и кислорода в плазме вызывали критическое негативное
воздействие на процесс создания Mo—Re-пленок, на процесс растека-
ния слоя алюминия или олова по поверхности Mo—Re-пленок, и на
однородность формируемых слоев AlxOy или SnxOy в изготавливаемых
трехслойных сверхпроводник—изолятор—сверхпроводник (S—I—S)
структурах. Поэтому мы разработали и использовали специальную
криогенную ловушку для улавливания этих примесей. Сверхпрово-
дящие тонкие MgB2-пленки [7, 8] (толщиной 100—300 нм) осаждались
на Al2O3(0001)-подложки. Остаточное давление газов в вакуумной
камере составляло 5⋅10
−5
Па в процессе осаждения. Температура оса-
ждения составляла примерно 280—290°C. Магний (Mg) и бор (B) испа-
рялись из молибденовых лодочек термическим методом и из водо-
охлаждаемых тиглей электронно-лучевым методом, соответственно.
Скорость испарения компонентов регулировалась таким образом,
чтобы скорости осаждения компонентов составляли 1,5 нм/с у Mg
(чтобы компенсировать реиспарение) и 0,07 нм/с у В. Для получения
необходимой геометрии образца использовались либо осаждение че-
рез молибденовые теневые маски, либо процессы фотолитографии и
ионного травления в аргоне. Критическая температура сверхпрово-
дящего перехода (Тс) и критическая плотность критического тока (Ic)
пленок MgB2 измерялась на постоянном токе с помощью стандартной
четырехзондовой методики.
Туннельные барьеры формировались осаждением слоев алюми-
ния (Al) толщиной 2—30 нм при температуре подложки, близкой к
комнатной (< 100°C). Бислои MoRe/Al и MgB2/Al окислялись затем
в вакуумной камере в сухом кислороде на протяжении интервала в
10 мин при различных значениях давления кислорода, это означает
при различных значениях экспозиции оксидации Е. Экспозиция
оксидации Е равняется давлению кислорода Р, умноженному на
временной интервал оксидации t. Для формирования геометрии
верхнего MoRe-электрода полученных переходов Джозефсона ис-
пользовался процесс осаждения тонких Mo—Re-слоев через метал-
лическую маску.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке 1 показана типичная зависимость удельного сопротивле-
ния осажденных тонких MgB2-пленок от температуры. Критическая
температура пленок составляет Тс = 33 К и ниже, критическая плот-
ность тока их составляет порядка Ic ≈ 106
A/cм2
при температуре
4,2 К соответственно.
Мы получили трехслойные структуры типа S1—I—S2 на основе
752 А. П. ШАПОВАЛОВ, С. Ю. ЛАРКИН, В. Е. ШАТЕРНИК и др.
тонких MgB2- и MoRe-пленок, которые имеют различные квазича-
стичные вольт-амперные характеристики, на которых наблюдают-
ся хорошо различимые «щелевые» токовые ступеньки (при
eV = Δ1 + Δ2). Некоторые из кривых принадлежат переходам с низ-
кими токами утечки, другие принадлежат переходам с более высо-
кими токами утечки (см. рис. 2, 3). Для того чтобы анализировать и
систематизировать эти характеристики переходов мы используем
хорошо известную теоретическую модель многократных Андреев-
ских отражений квазичастиц (MAR) [9—13] в них. Мы описываем
S1—I—S2-переход теперь как S/N—I—N/S-переход с бесконечно тон-
кими слоями нормальных металлов (N) (детали см. в [13]).
В статье Лихарева [4] экспериментально продемонстрировано, что
в туннельных переходах Джозефсона с большой удельной прозрач-
ностью ультратонких барьеров теоретически предсказанная функ-
ция распределения прозрачностей D в барьерах перехода играет
важнейшую роль и должна приниматься во внимание. Речь идет о
так называемой универсальной функции распределения прозрачно-
стей ρ(D) (см. вставку рис. 2) для разупорядоченного интерфейса [5]:
3/2
0
1
( ) ;
1
G
D
G D D
ρ =
π −
(1)
здесь G – усредненная проводимость, а G0 = 2е2/h.
На рисунке 2 изображены экспериментальные квазичастичные
ВАХ (помеченные символами) и теоретическая кривая для усред-
ненного тока (Iaver) (помеченная сплошной линией), совмещенная с
ними, и которая получена путем усреднения результатов MAR тео-
Рис. 1. Зависимость ρ(T) удельного сопротивления от температуры.
ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК MgB2 753
рии для тока I(D), переносимого одиночной модой прозрачности D
при наличии универсальной функции распределения прозрачно-
стей ρ(D), и может быть записана в следующем виде:
Рис. 2. Экспериментальные квазичастичные ВАХ для MgB2—Al2O3—MoRe-
переходов (помеченные символами) и теоретическая кривая (помеченная
сплошной линией) с универсальным распределением прозрачностей Ше-
па—Бауэра ρ(D) (вид ρ(D) на вставке).
Рис. 3. Экспериментальные (символы) и рассчитанные (сплошная линия)
ВАХ MgB2—Al2O3—MoRe-переходов, у которых слои алюминия были оса-
ждены с разными скоростями осаждения rdepAl (для сравнения на вставке
– ВАХ MoRe—Al2O3—MoRe-переходов [16]).
754 А. П. ШАПОВАЛОВ, С. Ю. ЛАРКИН, В. Е. ШАТЕРНИК и др.
1
aver.
0
( ) ( ).I dD D I D= ρ (2)
Впервые такая вольт-амперная характеристика (ВАХ) опублико-
вана в работе [4] для перехода с универсальной функцией распределе-
ния прозрачности (2), предложенной Шепом и Бауэром [5] для «гряз-
ного» интерфейса в качестве барьера перехода. Как подчеркивали ав-
торы [5], универсальность функции ρ(D) имеет ограничения. Либо в
случае близком к режиму локализации, либо в случае близком к бал-
листическому режиму движения уравнения (4) и (5) из работы [5] пе-
рестают быть справедливыми. Даже в случае металлического режима
универсальность может нарушаться распространенными дефектами,
такими как туннельные барьеры, границы зерен или интерфейсы [14,
5]. Поэтому, в этой работе мы рассчитываем квазичастичные ВАХ S—
I—S-переходов в рамках этого подхода, но используя интеграл (2) с
изменяющимися пределами интегрирования. С самого начала мы
выбираем нижний предел D = 0,00036499 ≈ 4⋅10
−4
(как предлагается в
работе [5]), а верхний предел – очень близким к единице. В результа-
те мы получаем ВАХ для универсальной функции распределения
прозрачностей (см. рис. 2).
Хорошо известно, что перспективно изготавливать миниатюрные
S—I—S-переходы Джозефсона с настолько нелинейной ВАХ, на-
сколько это возможно, с точки зрения таких применений их как в
качестве SIS-детекторов, смесителей и приемников, как устройств
типа быстрой одноквантовой логики (RSFQ) [15], сверхпроводнико-
вых кубитов и др. С другой стороны также интересно иметь возмож-
ность контролировать степень внутреннего шунтирования этих S—I—
S-переходов путем изменения распределения прозрачностей в их ба-
рьерах с точки зрения оперирования их в приборах, использующих
шунтированные S—I—S-переходы [15].
Принимая это во внимание, мы сделали сравнительный анализ
квазичастичных вольт-амперных характеристик [16] MgB2—Al2O3—
MoRe- и MoRe—Al2O3—MoRe-переходов в зависимости от условий их
изготовления. Тонкие MoRe-пленки обычно имеют очень гладкую
поверхность, как было продемонстрировано нами в работах [16, 17].
Осажденные на их поверхность пленки Al демонстрируют эффект
сглаживания рельефа при возрастании скорости осаждения Al [17].
Таким образом, изменение скорости осаждения алюминия (rdepAL) (и
изменение рельефа в результате этого) предоставляет возможность
изменять функции распределения прозрачности в изготавливаемых
переходах, и описывать эти изменения в рамках MAR-модели, как
это продемонстрировано в работах [16, 17]. Теперь такого же типа
поведение мы наблюдали для MgB2—Al2O3—MoRe-переходов также;
см. рис. 3 (на вставке рис. 3 видны соответствующие квазичастичные
ВАХ, приведенные в [16] для MoRe—Al2O3—MoRe-переходов). На ри-
сунке 3 видно экспериментальные квазичастичные ВАХ (символы)
ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК MgB2 755
переходы, у которых слои алюминия были осаждены с разными ско-
ростями осаждения rdepAl. Также на рис. 3 приведены рассчитанные
квазичастичные ВАХ (сплошные линии) для случая сильно изменя-
ющегося нижнего предела интеграла (2) и неизменного верхнего
предела интегрирования, рассчитанные кривые совмещены с соот-
ветствующими экспериментальными кривыми (детали см. в работах
[16, 17]). Этот случай соответствует той ситуации, когда вероятность
появления участков с низкой прозрачностью понижается в перехо-
дах вследствие некоторых изменений условий их изготовления.
Видно, что на рис. 3 экспериментальные и расчетные кривые не раз-
личаются.
Двухщелевая сверхпроводимость в дибориде магния, ныне всеми
признанная и продемонстрированная в многочисленных экспери-
ментах [18], предполагает, что поверхность Ферми соединения MgB2
является сильно анизотропной и состоит из четко выраженных ли-
стов, характеризующихся сильным и слабым электрон-фононным
взаимодействием, соответственно. Из-за сильного (по экспоненте)
затухания волновых функций электронов в диэлектрическом барье-
ре, туннельные токи состоят доминирующим образом из электронов,
проходящих сквозь барьер с импульсами, имеющими направление
внутри узкого конуса, окружающего нормаль к плоскости барьера
(конус туннелирования). Вот почему для поликристаллических об-
разцов, шансы пронаблюдать большую щель в них являются очень
незначительными, поскольку туннельный ток протекает преимуще-
ственно из π-областей этих образцов [18, 19]. Поэтому и в наших экс-
периментах мы наблюдали щель Δπ ≈ 2 МэВ.
У некоторых изготовленных переходов наблюдалось появление
хорошо известной особенности на квазичастичных вольт-амперных
характеристиках: так называемого «колена» в районе щелевой осо-
бенности (см. рис. 4). Ее появление обсуждается в рамках простого
рассеивающего подхода Landauer—Büttiker к описанию фазово-
когерентного транспорта квазичастиц через квазибаллистические
S—I1—N—I2—S-гетероструктуры с сильно отличающимися по про-
зрачности барьерами. Хорошо известно, что в статьях [20, 21] «ко-
лено» описывается в рамках модели эффекта близости в грязном
пределе, предложенной Голубовым и Куприяновым. Наша ситуа-
ция является более близкой к баллистическому пределу, потому мы
обсуждаем ее в рамках MAR-модели. Чтобы описать появление
«колена», мы должны предположить, что в исследуемых переходах
существует два δ-образных барьера, разделенные слоем нормально-
го металла (Nmiddle), и в результате мы рассчитываем квазичастич-
ные ВАХ для структуры вида S1/N—I1—Nmiddle—I2—N/S2 (детали см. в
[22] и [16]). Первый барьер I1 имеет малую прозрачность, поэтому
он моделирует реальный диэлектрический барьер в переходе. Со-
всем другая ситуация возникает при описании второго барьера I2,
756 А. П. ШАПОВАЛОВ, С. Ю. ЛАРКИН, В. Е. ШАТЕРНИК и др.
барьера, у которого прозрачность близка к единице, его существо-
вание является необходимым для появления «колена», но не суще-
ствует никакой технологической причины для его появления (ска-
жем, типа оксидации интерфейса или чего-то подобного). Этот ма-
лый барьер I2 здесь существует вследствие эффекта «сверхслабой»
сверхпроводимости в N/S-сандвичах, которые работают как ло-
вушки квазичастиц (детали см. в [22] и [23]).
Измерения плотности критического тока переходов выполнялись
в интервале от температуры сверхпроводящего перехода MoRe (она
порядка 9 К) и до 4,2 К. Критический ток переходов оценивался с ис-
пользованием критерия 1 мкВ. Характеристики Ic(T), измеренные
для джозефсоновских гетероструктур с различными толщинами
слоя металла s и экспозициями оксидации Е, существенно отклоня-
ются как от предсказанной в модели Амбегаокара—Баратова (A&B)
зависимости Ic(T), так и от предсказанной в модели Кулика—
Омельянчука (K&O) зависимости из-за возникновения эффекта бли-
зости в гетероструктурах, что обусловлено сравнительно большими
толщинами слоя нормального металла s в них (вплоть до 100 нм).
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изготовлены джозефсоновские переходы на основе пленок MgB2 и
MoRe и экспериментально исследованы их квазичастичные вольт-
амперные характеристики. Компьютерное моделирование полу-
ченных квазичастичных ВАХ выполнено в рамках теоретической
Рис. 4. Типичная экспериментальная квазичастичная ВАХ для MgB2—
Al2O3—MoRe перехода с особенностью в виде «колена».
ТУННЕЛЬНЫЕ ПЕРЕХОДЫ НА ОСНОВЕ ТОНКИХ ПЛЁНОК MgB2 757
модели многократных Андреевских отражений (MAR) для случая
распределения прозрачностей Шепа—Бауэра с нарушенной универ-
сальностью. Продемонстрировано, что сравнение эксперименталь-
ных и рассчитанных в рамках этой модели кривых является полез-
ным с точки зрения разработки и оптимизации технологии изго-
товления переходов. Продемонстрировано, что нелинейность изго-
тавливаемых SIS-переходов может быть сделанной близкой к пред-
сказываемой теоретической моделью многократных Андреевских
отражений (MAR) для случая универсального распределения про-
зрачностей Шепа—Бауэра. Наблюдается, что нелинейность ВАХ,
связанная с большей энергетической щелью MgB2 в изготовленных
на его основе переходах является пренебрежимо малой. Продемон-
стрировано, что нелинейность ВАХ, обусловленная меньшей энер-
гетической щелью MgB2, в изготовленных переходах может кон-
тролироваться путем изменения условий изготовления переходов.
Наблюдается хорошо известная особенность квазичастичных ВАХ,
так называемое «колено», в области напряжений близких к сумме
энергетических щелей сверхпроводников. Появление «коленооб-
разной» особенности на ВАХ является свидетельством трансформа-
ции создаваемых SIS-переходов из однобарьерных в сильно несим-
метричные двухбарьерные переходы Джозефсона вида S1/N—I1—
Nmiddle—I2—N/S2, в которых малый барьер I2 существует вследствие
эффекта «сверхслабой» сверхпроводимости в N/S-сандвиче, кото-
рый работает как ловушка квазичастиц.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. J. Talvacchio, M. Janocko, and J. Greggi, Journal of Low Temperatures Phys.,
64: 395 (1986).
2. A. Braginski, J. Talvacchio, M. Janocko, and J. Gavaler, J. Appl. Phys., 60:
2058 (1986).
3. M. Liehr and S. Ewert, Z. Phys. B, 52: 95 (1983).
4. Y. Naveh, V. Patel, D. Averin, K. Likharev, and J. Lukens, Phys. Rev. Lett., 85:
5404 (2000).
5. K. Schep and G. Bauer, Phys. Rev. B, 56: 15860 (1997).
6. O. Dorokhov, JETP Lett., 36: 318 (1982).
7. H. Yamamoto, A. Tsukamoto, H. Hasegawa, K. Saitoh et al., Physica C, 426—
431: 1444 (2005).
8. H. Yamamoto, A. Tsukamoto, K. Saitoh, M. Okada et al., Appl. Phys. Lett., 90:
142516 (2007).
9. D. Averin and A. Bardas, Phys. Rev. Lett., 75: 1831 (1995).
10. A. Bardas and D. Averin, Phys. Rev. B, 56: R8518 (1997).
11. E. Bratus, V. Shumeiko, and G. Wendin, Phys. Rev. Lett., 74: 2110 (1995).
12. M. Hurd, S. Datta, and P. Bagwell, Phys. Rev. B, 56: 11232 (1997).
13. V. Shaternik, A. Ivanjuta, and A. Shaternik, Low Temperature Physics, 32: 633
(2006).
758 А. П. ШАПОВАЛОВ, С. Ю. ЛАРКИН, В. Е. ШАТЕРНИК и др.
14. Yu. Nazarov, Phys. Rev. Lett., 73: 134 (1994).
15. A. Zorin, M. Khabipov, D. Balashov, R. Dolata et al., Appl. Phys. Lett., 86:
032501 (2005).
16. V. Shaternik, S. Larkin, V. Noskov, V. Chubatyy et al., J. of Phys.: Conf. Series,
97: 012243 (2008).
17. V. Shaternik, S. Larkin, and M. Belogolovskii, Intern. J. of Modern Physics B,
23: 3520 (2009).
18. A Abal’oshev, S. Lewandowski, A. D’yachenko, V. Tarenkov et al., Phys. Stat.
Sol., 2: 1633 (2005).
19. A. Brinkman, A. Golubov, H. Rogalla, O. Dolgov et al., Phys. Rev. B, 65:
180517 (2002).
20. A. Golubov and M. Kupriyanov, Journal of Low Temperatures Phys., 70: 83
(1988).
21. A. Golubov and M. Kupriyanov, Sov. Phys. JETP, 69: 805 (1989).
22. V. Shaternik, S. Larkin, and T. Khachaturova, Physica C, 435: 96 (2006).
23. Z. Long, M. Stewart, and J. Valles, Phys. Rev. B, 73: 140507 (2006).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75145 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:40:19Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шаповалов, А.П. Ларкин, С.Ю. Шатерник, В.Е. Прихна, Т.А. Носков, В.Л. Белоголовский, М.А. 2015-01-26T19:52:22Z 2015-01-26T19:52:22Z 2011 Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей / А.П. Шаповалов, С.Ю. Ларкин, В.Е. Шатерник, Т.А. Прихна, В.Л. Носков, М.А. Белоголовский // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 4. — С. 747-758. — Бібліогр.: 23 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 73.40.Gk, 74.25.Sv, 74.45.+c, 74.50.+r, 74.70.Ad, 74.78.-w, 85.25.-j https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75145 Получены и исследованы перспективные переходы Джозефсона вида MgB₂—оксид—Mo—Re-сплав, Mo—Re-сплав—оксид—Pb и Mo—Re-сплав—нормальный металл—оксид—нормальный металл—Mo—Re-сплав. Одержано та досліджено перспективні Джозефсонові переходи типу MgB₂—оксид—Mo—Re-стоп, Mo—Re-стоп—оксид—Pb та Mo—Re-стоп—нормальний метал—оксид—нормальний метал—Mo—Re-стоп. Perspective Josephson Mo—Re alloy—oxide—Pb, MgB₂—oxide—Mo—Re alloy, and Mo—Re alloy—normal metal—oxide—normal metal—Mo—Re alloy junctions are fabricated and investigated. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей Article published earlier |
| spellingShingle | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей Шаповалов, А.П. Ларкин, С.Ю. Шатерник, В.Е. Прихна, Т.А. Носков, В.Л. Белоголовский, М.А. |
| title | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей |
| title_full | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей |
| title_fullStr | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей |
| title_full_unstemmed | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей |
| title_short | Туннельные переходы на основе тонких плёнок MgB₂ с разными функциями распределения прозрачностей |
| title_sort | туннельные переходы на основе тонких плёнок mgb₂ с разными функциями распределения прозрачностей |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75145 |
| work_keys_str_mv | AT šapovalovap tunnelʹnyeperehodynaosnovetonkihplenokmgb2sraznymifunkciâmiraspredeleniâprozračnostei AT larkinsû tunnelʹnyeperehodynaosnovetonkihplenokmgb2sraznymifunkciâmiraspredeleniâprozračnostei AT šaternikve tunnelʹnyeperehodynaosnovetonkihplenokmgb2sraznymifunkciâmiraspredeleniâprozračnostei AT prihnata tunnelʹnyeperehodynaosnovetonkihplenokmgb2sraznymifunkciâmiraspredeleniâprozračnostei AT noskovvl tunnelʹnyeperehodynaosnovetonkihplenokmgb2sraznymifunkciâmiraspredeleniâprozračnostei AT belogolovskiima tunnelʹnyeperehodynaosnovetonkihplenokmgb2sraznymifunkciâmiraspredeleniâprozračnostei |