Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК YBCO ПЛЕНОК
Позыгун И.С., Серопян Г.М., Сычев С.А.
Аннотация
пленка механический напряжение вольтамперный
Статья посвящена влиянию механических напряжений в тонких сверхпроводящих YBCO пленках на их вольтамперные характеристики. Механические напряжения в пленках формируются двумя методами - методом контролируемой закалки и путем выращивания сверхпроводящей пленки на облученной лазером подложке. Исследования вольтамперных характеристик монокристаллических, гранулярных и напряженных пленок показывают, что для сильнонапряженных пленок происходит существенное смещение ВАХ в сторону больших токов. Повышение внутреннего давления в материале пленки из-за больших механических напряжений может являться причиной существования механизма, подавляющего распаривание куперовских пар даже при токах в десятки раз превышающих критический сверхпроводящий ток.
Ключевые слова - сверхпроводящая тонкая пленка, механические напряжения, критический ток, вольтамперная характеристика, импульсное лазерное излучение.
Основная часть
Использование сверхпроводящих пленок - единственный способ реализовать на практике многие задачи сверхпроводниковых технологий. Именно на пленках были достигнуты рекордные значения критических параметров (плотность критического тока, критическая температура, критическое магнитное поле и др.). В настоящее время разрабатываются и изучаются сверхпроводящие пленочные структуры, которые служат основой для сверхпроводниковой электроники. В частности, напряженные пленки YBa2Cu3O7-x (YBCO), оказались по ряду причин наиболее подходящими для изготовления сверхпроводящих квантовых интерферометров - сквидов.
В данной работе при формировании YBCO пленок использовался импульсный твердотельный лазер с длиной волны излучения 1064 нм, длительностью импульса 16 нс и частотой следования импульсов 10 Гц. Мишенями служили таблетки керамического YBCO материала. В вакуумной напылительной камере поддерживалось давление около 100 Па, температура подложки составляла 820 оС. В качестве подложек использовались монокристаллические пластины SrTiOз (100). При оптимальных параметрах напыления на подложке формируются монокристаллические YBCO пленки с высокими критическими сверхпроводящими параметрами. Окончательное формирование структуры осуществляется в процессе медленного остывания пленки до комнатной температуры при одновременном напуске в камеру атмосферного воздуха.
При повышении скорости остывания, в материале пленки происходит накапление упругих механических напряжений, что приводит к подавлению плотности критического тока. Такая технология получения напряженных пленок названа методом «контролируемой закалки» [1]. Варьированием скорости охлаждения можно организовать в пленке необходимую степень механических напряжений, и, следовательно, необходимое значение плотности критического тока. При высоких скоростях охлаждения в монокристаллической пленке образуются домены напряжений, границы между которыми представляют собой сильнонапряженные участки, подавляющие ток куперовских пар, что и приводит к подавлению сверхпроводящих транспортных свойств пленки, в частности, плотности критического тока. Для слабонапряженных пленок значение плотности критического тока лежит в диапазоне 105 - 106 А/см2, а для сильнонапряженных пленок значение плотности критического тока находится в диапазоне 103 - 104 А/см2.
Для измерения критического тока пленок и снятия вольтамперных характеристик (ВАХ) использовался стандартный четырехзондовый метод. Вольтамперные характеристики различных YBCO пленок представлены на рис. 1. Для монокристаллических пленок (кривые 1 и 2) на начальных участках ВАХ наблюдается быстрый рост напряжения после достижения сверхпроводящим током критического значения Ic. Для гранулярных пленок (кривые 3 и 4) и слабонапряженных пленок (кривая 5) на начальных участках ВАХ наблюдается медленный рост напряжения после достижения сверхпроводящим током критического значения. Такое поведение может указывать на схожесть сверхпроводящих транспортных свойств межгранульных и междоменных границ в гранулярных и напряженных пленках соответственно. Наиболее интересное поведение ВАХ наблюдается для сильнонапряженной пленки (кривая 6), где происходит значительное смещение ВАХ в сторону больших токов (даже при превышении током критического значения в 30 раз наблюдается слабый рост напряжения).
Рис. 1 ВАХ различных YBCO пленок. 1, 2 - монокристаллические пленки, 3,4 - гранулярные, 5,6 - напряженные, полученные методом контролируемой закалки
Другой способ формирования сверхпроводящих тонких пленок, имеющих области с различными значениями плотности критического тока, основан на создании механических напряжений в монокристаллической подложке, на которой затем выращивают напряженную сверхпроводящую пленку [2]. Перед нанесением YBCO пленки выбранный участок поверхности монокристаллической подложки облучают импульсным лазерным излучением наносекундной длительности для организации в ней полей упругих напряжений. Интенсивное лазерное излучение вызывает ионизацию вещества, в результате чего возникает пространственно неоднородное облако горячих неравновесных электронов. Облако «раздувает» кристалл, приводя к образованию в нем сильных полей напряжений. Впоследствие на облученной подложке выращивают сверхпроводящую тонкую пленку, в которой формируются дополнительные упругие напряжения только в тех областях, которые расположены над облученными участками подложки. В этих областях значение плотности критического тока пленки находятся в прямой зависимости от степени упругих напряжений в материале, что позволяет изготавливать сверхпроводящие микромостики с джозефсоновскими свойствами. Наблюдения физических свойств пленок на протяжении одного года показали, что значения плотности критического тока пленок не подвергаются существенной релаксации в процессе хранения при нормальных условиях. Исследования структуры облученных подложек на предмет устойчивости сформированных в них механических напряжений к релаксационным процессам показывают, что при длительном хранении параметры деформации меняются незначительно (не более чем на 0,2 %).
Вольтамперные характеристики YBCO пленок, выращенных на напряженных подложках, представлены на рис. 2, где кривая 1 соответствует слабонапряженной пленке, а кривая 2 соответствует сильнонапряженной пленке. И в этом случае для сильнонапряженных пленок наблюдается существенное смещение ВАХ в сторону больших токов.
Рис. 2 ВАХ напряженных YBCO пленок, выращенных на напряженных подложках. 1 - слабонапряженная пленка, 2 - сильнонапряженная пленка
Вопрос о влиянии механических нагрузок на сверхпроводящие характеристики высокотемпературных сверхпроводников (критическую температуру Тс и критический ток Iс) обсуждается во многих статьях. В случае пленок эффект нагрузки представляется более важным, чем в керамиках, поскольку в пленках уже в процессе их изготовления возникают остаточные механические напряжения и соответствующие им деформации. Так, по расчетам [3] подобные напряжения в пленках YBCO из-за разницы в коэффициентах теплового расширения пленки и подложки могут достигать сотен МПа. Рентгеновским методом были определены остаточные упругие деформации пленки, величины которых е ~ 10-3 хорошо соответствовали расчетным оценкам. На рис. 3 показан пример изменения ВАХ YBCO пленки под действием нагрузки. При воздействии на образец давлением, отчетливо наблюдается смещение ВАХ в сторону больших токов, что соответствует уменьшению напряжения при заданном токе. Кривой 1 соответствует внешнее давление 0 МПа, кривой 2 - давление 40 МПа.
Рис. 3 Влияние сжимающей нагрузки на ВАХ YBCO пленки [3]
При исследовании влияния давления Р 2 ГПа на критическую температуру YВСО пленок, выращенных на подложках SrTiO3 и MgO, было установлено, что значения dTc/dP для указанных подложек равны соответственно 0,65 и 0,45 K/ГПа [4]. При одноосном сжатии изучалось влияние механической нагрузки на ВАХ относительно несовершенных YВСО пленок с плотностью критического тока 1 - 10 A/cм2. Оказалось, что для таких пленок деформация сжатия, как и в случае YВСО керамики, приводит к смещению ВАХ в сторону больших токов, т.е. к уменьшению сопротивления образца R при I > IС.
В работе [5] исследовались монокристаллические пленки толщиной 200 - 500 нм с критическими параметрами Тс ~ 86 К и jc = 5·104 - 2·106 A/cм2, выращенные на подложках SrTiOз (100). ВАХ пленок без нагрузки и под нагрузкой измерялись при 77 К, т.е. при Т < Тс. При этом нагружение образцов могло производиться как до начала измерения ВАХ, так и при некотором значении I = const (I > Ic). В последнем случае фиксировалось изменение напряжений V на ВАХ в результате нагружения. Нагруженное состояние образца характеризовалось сжимающими напряжениями в подложке s = F/S, где S - площадь поперечного сечения кристалла подложки.
В работе [6] исследования влияния механических напряжений на критический ток и ВАХ однофазных и высокоплотных керамик состава Y1-xErxCu3O7-y позволили установить, что одноосное сжатие приводит к росту критического тока и уменьшению электрического сопротивления образцов при I > Ic. Авторы предполагают, что наблюдаемые эффекты связаны с воздействием внешних напряжений на межзеренные границы, которые определяют критический ток и вольтамперные характеристики образцов.
В YВСО керамике критический ток и ВАХ определяются слабыми связями на границах зерен, а влияние нагрузки на ВАХ может быть связано с изменением «толщины» и «состояния» границ, а также площади «контактов» на них [7]. Упругие деформации влияют на вольтамперные характеристики не только сверхпроводящей керамики и относительно несовершенных пленок, но могут приводить к значительным эффектам и в случае монокристаллических пленок с плотностью критического тока порядка 106 A/cм2.
Проведенный анализ ВАХ различного вида пленок показывает, что значение плотности критического тока определяется степенью механических напряжений в пленке. Оба типа напряженных пленок ведут себя примерно одинаково - имеют сильный наклон ВАХ на начальном участке вблизи критического тока. Это может означать, что в этих типах пленок работает одинаковый механизм, влияющий на транспортные сверхпроводящие свойства пленок. Этот механизм может быть связан с повышением внутреннего давления в материале пленки из-за больших напряжений, что может быть причиной подавления распаривания куперовских пар даже при токах в десятки раз превышающего критический сверхпроводящий ток.
Библиографический список
1. Югай К.Н., Серопян Г.М., Муравьев А.Б. [и др.] Тонкие ВТСП пленки YBCO с замороженными напряжениями // ФНТ. 2006. Т. 32. Вып. 1. С. 75-82.
2. Захаров А.В., Муравьев А.Б., Позыгун И.С., Серопян Г.М., Яшкевич Е.А. Сверхпроводящие тонкие пленки иттрий-бариего купрата, выращенные на напряженных подложках // Вестник НГУ. 2008. Т. 3. Вып. 4. С. 25-32.
3. Братухин П.В., Захарченко И.В., Шавкин СВ., Жилин П.В., Евстигнеев B.C. Влияние одноосного сжатия на вольт-амперные характеристики ВТСП-пленок YBa2Cu3O7-x // ФТТ. 1992. Т. 34, № 3. С. 879-881.
4. Вороновский А.Н., Дижур Е.М., Ицкевич Е.С. Влияние давления на критическую температуру пленок YBaCuO, нанесенных на подложки MgO и SrTiO3 // СФХТ. 1990. Т. 3, № 1. С. 35-37.
5. Adrian G., Wilkens W., Adrian H., Maul M. Superconductive and normal state transport properties of YВа2Cu3Оy films on sapphire in high magnetic fields // Supercond. Sci. Technol. 1991. Vol. 4, no 2. P.169-171.
6. Дамм З., Орлова Т.С., Смирнов Б.И., Шпейзман В.В. Влияние механических напряжений на критический ток и вольтамперные характеристики керамик Y1-xErxCu3O7-y // ФТТ. 1994. Т. 36, № 8. С. 2465-2471.
7. Жуков А. А., Мощалков В.В. Критическая плотность тока в высокотемпературных сверхпроводниках // СФХТ. 1991. Т. 4, №5. С. 850-887.