Физические свойства тонких эпитаксиальных пленок высокотемпературных сверхпроводников YBa2 Cu3 O7-x и Nd2-x Ce x CuO4-y

• Автор: Иванов, Андрей Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 121 с. : ил

Сообщение Беднорца и Мюллера [1] о синтезе нового сверхпроводящего соединения Ьа-Ва-Си-О стало настоящим прорывом в физике сверхпроводимости. Был открыт новый класс соединений — высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Ряд необычных свойств таких соединений и прежде всего высокая температура перехода в сверхпроводящее состояние не укладывались в рамки традиционных представлений о механизмах сверхпроводимости и требовали своего объяснения. Это вызвало всплеск интереса исследователей к новым материалам, за короткое время был синтезирован целый ряд новых соединений, сверхпроводящих даже при температуре жидкого азота. Однако первые результаты исследований, опубликованных сразу после открытия высокотемпературных сверхпроводников содержали подчас противоречивые данные о параметрах сверхпроводящего состояния.
Эти противоречия, как в последствии выяснилось, были связаны со способом синтеза. Самый простой и широко распространенный способ получения новых сверхпроводников - керамическая технология. Получающиеся при этом образцы представляют собой набор плохо спеченных зерен-кристаллитов, поверхность которых часто отличается по своему составу от состава зерен. В первую очередь это относится к содержанию кислорода, который оказывает критическое влияние на свойства. Керамические образцы пространственно неоднородны по своему составу, отличаются развитой поверхностью, и не могут быть удовлетворительным объектом для исследований физических свойств ВТСП. Для этого нужны монокристаллы.
Один из способов синтеза монокристаллов - получение монокристалли-ческих пленок. Пленки вообще являются очень удобным объектом исследований электрофизических свойств соединений, особенно если есть возможность управлять кристаллографической ориентацией их роста. Это существенно упрощает интерпретацию эксперимента для анизотропных сред. К тому же существует ряд экспериментальных методик, для которых нужны образцы малой толщины. Это прежде всего эксперименты по исследованию воздействия радиационных дефектов на физические свойства материалов. Такие исследования имеют большое значение как для разрешения фундаментальных вопросов, касающихся изучения явлений переноса в этих средах, так и для прикладных задач ( например, применение ВТСП в устройствах ядерно-физических установок) и они могут быть выполнены только на тонкопленочных образцах. Кроме того, для практического применения каких-

либо материалов в микроэлектронике необходимо синтезировать их в виде тонких пленок.
Несмотря на большое разнообразие методов получения пленок как физических, так и химических, лазерное напыление является, пожалуй, наиболее гибким и приспособленным для исследовательских целей. Автор диссертационной работы использовал метод лазерного напыления для синтеза тонких эпитаксиальных пленок соединений УВа2Сиз07_Л(УВС0) и Ш2-хСехСи04_у(МСС0). К началу работы над диссертацией не было систематических исследований влияния материала подложки и различных условий синтеза на качество тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников.
Цель работы: Экспериментально исследовать физические свойства тонких эпитаксиальных ВТСП пленок Ш2_;сСехСи04_;у и УВагСизСЦ-*, в частности: изучить явления переноса в тонких эпитаксиальных пленках 1тССО в зависимости от концентрации церия и содержания кислорода; исследовать механизм разрушения сверхпроводимости в ВТСП под действием радиационного облучения; исследовать взаимосвязь транспортных, структурных и шумовых характеристик эпитаксиальных пленок УВСО. Для достижения этой цели синтезировать методом лазерного напыления тонкие эпитаксиальные пленки ВТСП с высокими критическими параметрами и высоким качеством поверхности, для чего определить оптимальные условия синтеза исследованием зависимости свойств тонких пленок от характеристик лазерного излучения, типа подложки,давления и состава окислительной среды, геометрии напыления, температурного режима роста пленок.

Диссертация состоит из следующих разделов.

Первая глава — литературный обзор, посвященный методу лазерного напыления и его применению для синтеза пленок ВТСП.

Во второй главе описаны экспериментальные методы, используемые в работе.

В третьей главе исследуется зависимость качества тонких пленок ВТСП соединений от условий лазерного напыления на примере соединения УВСО. Приведены данные о зависимости электрофизических и структурных параметров пленок от условий напыления.
Четвертая Глава IIосвящена синтезу и исследованию физических свойств тонких пленок 1ЧССО.
В пятой главе описаны результаты экспериментов по влиянию радиационных дефектов на сверхпроводящие свойства пленок ИССО. На основании

комплексных исследований транспортных свойств пленок и данных о локальной структуре, полученных методом рентгеновской спектроскопии поглощения предложен механизм разрушения сверхпроводящего состояния в соединении N000 при облучении.
В шестой главе исследуются возможности синтеза слоев ВТСП на традиционных материалах микроэлектроники, рассматриваются вопросы долговременной стабильности ВТСП слоев а также способы литографии для создания устройств микроэлектроники на основе ВТСП-материалов.
Седьмая Глава IIосвящена исследованию возможности использования тонких эпитаксиальных ВТСП-пленок в качестве детекторов ИК-диапазона.
В Заключении сформулированы основные результаты работы.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Метод лазерного напыления тонких пленок с экранированием прямого потока эрозионного факела, позволяющий получать тонкие эпитаксиальные слои ВТСП материалов с высокими критическими параметрами и высоким качеством поверхности.
2. Результаты исследования явлений переноса в тонких эпитаксиальных пленках Ш2-*Се*Си04_у в зависимости от концентрации церия (х=0.0;0.12;0.14;0.15;0.17;0.2) и содержания кислорода.
3. Результаты исследования характера и пространственного расположения радиационных дефектов в Щг-хСедСиО^-у: установлено, что облучение вызывает смещение атомов 0(2) в направлении [001] и локализацию заряда на гибридизованных орбиталях Ж(Се)4Г5с1 и 02р с одновременным уходом из плоскости Си02.
4. Результаты исследования возможности использования тонких пленок УВСО для создания болометров ИК излучения: определены оптимальные условия синтеза тонких пленок УВСО на подложках из монок-ристаллического кремния; предложен способ защиты пленок от агрессивной внешней среды с помощью лазерного или термического напыления слоя серебра с последующей термообработкой; показано, что с помощью ионно-лучевого травления пленок УВСО можно формировать структуры субмикронного размера без ухудшения сверхпроводящих свойств пленок; установлена взаимосвязь между транспортными, структурными и шумовыми характеристиками эпитаксиальных пленок УВСО.

дии экспериментов не проводилось. Измерение температурной зависимости сопротивления полученных образцов ( см.рис. 21) и рентгеноструктурный анализ позволили установить оптимальную температуру, которая была на 90 градусов выше, чем для УВСО. Пленки, полученные в этих условиях, характеризуются металлической зависимостью сопротивления при высоких температурах, которая при охлаждении сменяется полупроводниковой. Интересной отличительной особенностью этих пленок от напыленных в кислороде [69] является наличие сверхпроводящего перехода с Тс ~ 11 К даже в отсутствие отжига. Похожий эффект наблюдался при лазерном напылении в атмосфере ИгО [70], а также при термическом напылении [66].
Следующий этап заключался в создании нужной концентрации кислорода. Попытка повысить температуру перехода путем снижения давления при напылении привела к активному реиспарению пленки с подложки, существенному росту сопротивления и отсутствию сверхпроводимости слоев, поэтому в дальнейшем использовался подход, аналогичный синтезу объемных образцов 1ЧССО — для придания пленке сверхпроводящих свойств использовался вакуумный отжиг. Перебором таких параметров отжига как его продолжительность, давление вакуумной камере и температура образца были определены оптимальные параметры, которые позволяли получать образцы пленок N1X0 хорошей воспроизводимостью результатов. Условия отжига таковы: вакуум 10-2 мм.рт.ст., температура около 740°С, продолжительность отжига — 40 минут, после этого образец охлаждается в вакууме до комнатной температуры. На рис. 22 показано влияние температуры отжига на сверхпроводящие свойства пленки. Если снижение Тс сверхпроводящего перехода при низкотемпературном отжиге связано с неоднородным уходом кислорода из структуры (на это указывает значительная ширина перехода при высокой температуре его начала), то превышение оптимальной требует точного контроля продолжительности отжига. Зачастую ухудшение сверхпроводящих свойств образцов вызвано не дефицитом кислорода, а разложением фазы 14ССО и носит необратимый характер.
В настоящее время существует объяснение парадоксальной роли кислорода в процессе синтеза сверхпроводящих образцов 1ЧССО. Отжиг удаляет из структуры преимущественно избыточный внеплоскостной кислород, который является дефектом, приводящим к флуктуациям потенциала в плоскости Си02 [61]. Можно выделить три основных механизма снабжения растущей пленки сверхпроводника кислородом при лазерном напылении. Это непосредственная абляция из мишени, окисление продуктов распыления ми-