Изучение перехода сверхпроводник-диэлектрик в аморфных пленках оксида индия

• Автор: Голубков, Михаил Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 76 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Литературный обзор
1.1 Переход сверхпроводник-диэлектрик в нулевом магнитном поле
1.2 Переход сверхпроводник-диэлектрик под действием магнитного поля. Теория Фишера
1.3 Сверхпроводимость в гранулированных системах
1.4 Влияние размерности пленок на сверхпроводимость
Переход Костерлица-Таулесса
2 Методика
2.1 Измерительная установка
2.2 Образцы
2.3 Изменение состояния аморфных пленок 1п2Ох ,,
3 Переход сверхпроводник-диэлектрик в нулевом поле при изменении концентрации носителей заряда
4 Исходно диэлектрическая пленка оксида индия в магнитном поле
4.1 Влияние магнитного поля вблизи перехода сверхпроводник - диэлектрик.
4.2 Анализ экспериментальных данных
4.3 Сверхпроводящие кластеры, возникающие благодаря флуктуациям
4.4 Однородный изолятор: куперовский вклад в энергетическую щель
5 Изначально сверхпроводящая пленка оксида индия в магнитном поле
5.1 Предварительные эксперименты
5.2 Сепаратриса в плоскости (Т,К)
5.3 Обобщение скейлинговых соотношений
5.4 Обсуждение
5.4.1 Значение критического сопротивления
5.4.2 Состояние материала в сильных магнитных полях
5.4.3 20 или ЗБ?
5.4.4 Фазовая диаграмма
Заключение
Список литературы

Введение
Низкотемпературные исследования переходов металл-диэлектрик и сверхпроводник-диэлектрик потребовали уточнить как определение металла, диэлектрика и сверхпроводника, так и понятие фазового перехода. Определения состояния вещества формулируются на основании электрических свойств при температуре абсолютного нуля. Если проводимость вещества равна нулю, то это вещество называется диэлектриком, если проводимость конечна, то - металлом. Эти определения предполагают, что в металле есть свободные носители заряда, а в диэлектрике все носители заряда связаны.
На языке волновых функций это означает, что в металле волновые функции носителей заряда делокализованы, то есть при внесении точечного пробного заряда его волновая функция со временем неограниченно расползается в пространстве, и бесконечно малое электрическое поле при Т = 0 приводит к появлению электрического тока. В диэлектрике волновые функции всех носителей заряда локализованы, и проводимость равна нулю. Сверхпроводник не только имеет делокализованные волновые функции носителей заряда, но и обладает бездиссипативным токовым основным состоянием.
Переходы металл-диэлектрик, сверхпроводник-диэлектрик относят к квантовым фазовым переходам [1]. К сожалению, на данный момент нет точного определения для этого понятия. Качественно можно сказать, что при квантовом фазовом переходе происходит изменение основного состояния системы при изменении одного из параметров: концентрации носителей заряда, магнитного поля, и.т.п. Характерным для такого перехода является то, что вблизи перехода в системе реализуются квантовые флуктуации, а необходимым условием осуществления перехода является наличие беспорядка в системе. Резкий переход можно наблюдать только при температуре абсолютного нуля. При любой конечной температуре он заменяется переходной областью между конечными квантовыми состояниями системы.
Чтобы продемонстрировать, как происходит квантовый фазовый переход, рассмотрим переход металл-диэлектрик. Возьмем хороший металл и будем уменьшать его проводимость. Это можно делать двумя путями (исходя из формулы Друде, которая хорошо работает для чистого металла): либо увеличивая беспорядок, либо уменьшая концентрацию носителей заряда. Оба способа ведут к увеличению случайного потенциала, на котором происходит рассеяние электронов. Случайный потенциал возрастает или непосредственно из-за увеличения беспорядка или из-за уменьшения экранировки. При достижении некоторой степени беспорядка или достаточно низкой концентрации электронов волновая функция каждого электрона окажется локализованной, и вещество станет диэлектриком.
Переход сверхпроводник-диэлектрик (СД) происходит при увеличении беспорядка

Рис. 1: Схематическая фазовая диаграмма в плоскости концентрация - магнитное поле (■п,В) при Т — 0. I - диэлектрик. М - металл, 8С - сверхпроводник. Пунктирными линиями показана эволюция состояний пленки а, /?, 7 под действием магнитного поля.
в сверхпроводнике. Пока беспорядок мал, сверхпроводимость не претерпит существенных изменений, парная корреляция электронов будет существовать. Если увеличивать беспорядок, то сверхпроводящий параметр порядка будет подавляться, что приведет к разрушению сверхпроводящего состояния. Имеются две возможности. Первая - сопротивление после подавления сверхпроводимости становится конечным, произойдет переход сверхпроводник-металл [2]. При дальнейшем увеличении беспорядка наступит локализация электронов, и вещество станет диэлектриком. Вторая возможность - непосредственный переход из сверхпроводящего состояния в диэлектрическое [3].
Данная диссертация посвящена экспериментальному исследованию фазовых переходов сверхпроводник-диэлектрик в аморфном 1пО. Аморфный оксид индия 1п20з_х в качестве объекта исследования имеет три достоинства: можно легко менять концентрацию кислорода х и, тем самым, концентрацию носителей заряда, аморфность означает сильный и однородный беспорядок, наконец, аморфность сохраняется при изменении концентрации кислорода.
Мы исследовали изменение низкотемпературных транспортных свойств аморфных пленок оксида индия как при изменении концентрации кислорода, то есть концентраций носителей, так и при наложении магнитного поля. В процессе наших экспериментов была

грева.
Мы произвели собственные эксперименты по окислению одного из наших образцов озоном при комнатной температуре. Под действием ультрафиолетовой лампы в воздухе создавалась некоторая концентрация озона, затем эта газовая смесь прокачивалась через держатель с образцом. Сопротивление образца увеличивалось и за несколько десятков минут достигало насыщения. Было установлено, что если после достижении насыщения прекратить подачу озона и сразу быстро охладить образец в жидком азоте, то образец оказывается в более диэлектрическом состоянии по сравнению с исходным.
Если после прекращения подачи озона образец не охлаждать, то за одну - две минуты пленка вернется к исходному состоянию. Такое малое время возврата в исходное состояние означает, что окисление образца происходит только с поверхности, так как диффузия кислорода в глубину пленки при комнатной температуре требует значительных времен. Электрические свойства образца при поверхностном окислении меняются так же, как и при насыщении кислородом всей толщины пленки, это является доводом в пользу того, что именно концентрация носителей заряда полностью определяет состояние электронной системы в наших пленках. При этом способ изменения концентрации играет второстепенную роль.
Эксперименты по окислению пленки в озоне позволяют сделать вывод о том, что можно получить состояния с разным распределением кислорода в пленке, но с близкими транспортными характеристиками. Поэтому, если мы хотим добиться максимальной однородности образцов, следует проводить длительный нагрев, чтобы равномернее распределить кислород по толщине пленки.
На основании сказанного был выбран следующий способ трансформации образца. Нагревание образца производилось во вставке (поз. 13 на рис. 5) с помощью нагревателя (поз. 24 рис. 6) непосредственно перед низкотемпературными измерениями. Для обеспечения теплообмена использовалось небольшое количество газа Не3, напущенного в низкотемпературную камеру 17 (рис. 5). Давление кислорода поддерживалось малым благодаря опусканию вставки в криостат 16 и вымораживанию кислорода на стенках вставки выше низкотемпературной камеры. Нагрев до 100°С был возможен благодаря вакуумной термоизоляции низкотемпературной камеры 17. После нагрева образец быстро охлаждался до температуры кипения азота, без изменения состояния.
Для поддержания необходимой температуры в процессе трансформации, который занимал несколько часов, использовалась схема автоматического регулирования. В нее входили: термометр сопротивления, размещенный рядом с образцом, омметр Щ300, МкгоПпк - интерфейс связи с компьютером, компьютер 1ВМ РС АТ и источник питания нагревателя ТЕС 40. Принцип регулирования температуры был простой релей-