WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 7 Фазовые состояния и магнитная структура сверхпроводящих включений свинца в узкощелевой полупроводниковой матрице © С.Д. Дарчук, Т. Дитл, Л.А. Коровина, С. Колесник, М. Савицкий, Ф.Ф. Сизов Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252028 Киев, Украина Институт физики Польской Академии наук, PL 02668 Варшава, Польша (Получена 2 июля 1997 г. Принята к печати 10 ноября 1997 г.) С помощью SQUID-магнетометра в области температур 1.7 20 K и магнитных полей до 1 кЭ проведены исследования узкощелевого полупроводника PbTe n- и p-типа проводимости. Показано, что в матрице свинца имеются микроскопические включения сверхпроводящего свинца с минимальными размерами 1300, с концентрацией атомов свинца в них (1 5) · 1018 см-3 и фазовым переходом, характерным для сверхпроводников II рода.

Введение образования вакансий в металле, а также вследствие, например, концентрационного переохлаждения при их Исследования взаимодействия в системе контактов выращивании обычными методами из расплава или паполупроводник–сверхпроводник представляет научный и ровой фазы, эти полупроводники характеризуются налиприкладной интерес в связи с возможностью управления чием включений, обогащенных металлами (см., наприхарактером взаимодействия в такой системе внешним мер, [3,4]). Наличие среди компонентов полупроводника магнитным полем. сверхпроводящих металлов (например, Hg, Pb, Sn и В отличие от джозефсоновских контактов, в которых т. д.) позволяет в принципе наблюдать эффект туннемежду двумя сверхпроводящими фазами используется лирования куперовских пар между сверхпроводящими тонкий слой диэлектрика (окисел металла толщиной включениями, что и наблюдалось, например, при исслеd 10 ), параметры которого трудно контролиру- довании переноса носителей заряда в магнитном поле в емы и нестабильны, использование полупроводника в HgSe [5], а также в низкоразмерных и эпитаксиальных качестве среды раздела сверхпроводящих фаз позволя- слоях PbTe [6,7].

ет значительно увеличить толщину границы раздела и, Однако исследования этих явлений не дают возможкак следствие, увеличить степень контролируемости ее ность сделать заключения о фазовом состоянии вклюпараметров, а также стабильность ее характеристик. С чений в магнитном поле при температурах ниже темэтой точки зрения интерес представляют работы по пературы сверхпроводящего перехода. Для достижения созданию сверхмалошумящих полупроводниковых тран- этой цели необходимы исследования процессов намагзисторов со сверхпроводящими стоком и истоком. Ре- ничивания. В связи с малыми изменениями диамагально такие транзисторы были реализованы, например, нитной составляющей при переходе микровключений в структурах на основе InAs со стоком и истоком из Nb, в сверхпроводящее состояние и в связи с их, как использующих эффект взаимодействия туннельного тока правило, малой концентрацией, заключения о фазовом (куперовских пар) с двумерным электронным газом [1]. состоянии и магнитной структуре сверхпроводящих миО физических процессах и характере взаимодействия кровключений можно сделать лишь с помощью высоков системе полупроводник–сверхпроводник во внешнем чувствительной системы, которой является, например, магнитном поле можно сделать заключение, изучая по- SQUID-магнетометр.

ведение системы полупроводниковой матрицы со сверх- В настоящей работе, в области температур 1.7–20 K проводящими включениями. Исследование поведения та- с использованием SQUID-магнетометра1, выполнены иской системы представляет и самостоятельный интерес, следования характера поведения диамагнитной состатак как существенную роль на характер взаимодействия вляющей магнитной восприимчивости микровключеэлектронной подсистемы со сверхпроводящими микро- ний свинца (температура сверхпроводящего перехода скопическими включениями должны оказывать размеры Tc = 7.15 K) в нелегированной полупроводниковой масамих включений, в связи с тем что условия проникнове- трице PbTe n- иp-типов проводимости. Для исследований ния магнитного поля зависят от размеров сверхпровод- использованы кристаллы, полученные методом Бриджника [2].

мена и Чохральского.По-видимому, наиболее подходящими объектами для Исследования диамагнитного вклада сверхпроводящих включений наблюдения эффекта туннелирования куперовских пар Pb в общую магнитную восприимчивость матрицы монокристаллов между сверхпроводящими включениями в полупроводPbTe выполнены в Институте физики Польской Академии наук.

никовой матрице являются узкощелевые полупроводни- Авторы благодарят В.М. Лакеенкова за предоставление некоторых ки, так как вследствие относительно малой энтальпии кристаллов для исследований.

Фазовые состояния и магнитная структура сверхпроводящих включений свинца в узкощелевой... Результаты эксперимента и их обсуждение На рис. 1 для одного из монокристаллических образцов n-PbTe, вырезанного в плоскости (001), показаны температурные зависимости намагниченности при различных значениях внешнего магнитного поля. Такие образцы n-типа проводимости выращивались с некоторым избытком металлической компоненты в расплаве, и, как правило, в них наблюдаются микровключения Pb в матрице. Как видно из рис. 1, на температурных зависимостях M = f (T ) — на фоне постоянного диамагнетизма матрицы PbTe — в области температур T 7K при относительно слабых внешних магнитных полях H < 600 Э происходит резкое увеличение диамагнитного сигнала, что и обусловлено переходом включений свинца в сверхпроводящее состояние.

Можно отметить, что с увеличением магнитного поля происходит плавное уменьшение диамагнитной добавки, что характерно для фазовых переходов II рода, хотя свинец является сверхпроводником I рода. Подобное изменение типа перехода связано с уменьшением размеров (толщины сверхпроводника в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля, см., например, [8]). Для подтверждения этого предположения были исследованы магнитополевые зависимости намагниченности при различных температурах (рис. 2, a), из которых была получена зависимость диамагнитной добавки от магнитного поля (рис. 2, b, кривая 1), что в свою очередь позволило определить при T = 4.2K значение 2-го критического поля Hc2 950 Э и область Рис. 2. a — магнитополевые зависимости намагниченности монокристаллического образца n-PbTe при температурах T, K: 1 —1.7, 2 —4.2, 3 —5.5, 4 —6.5; b — зависимость диамагнитной добавки намагниченности M от магнитного поля H при T = 4.2K для образцов: 1 — n-PbTe, 2 —Pb.

существования смешанного состояния в интервале от 480 до 950 Э. Как видно из рисунка, с уменьшением температуры увеличиваются значения 1-го и 2-го критических полей. На рис. 2, b кривой 2 представлена также зависимость M = f (T ) для относительно толстого ( 0.5мм) образца чистого Pb. Зная объемы образцов Pb и PbTe, а также абсолютные значения диамагнитных Рис. 1. Зависимость намагниченности M монокристаллическо- сигналов, можно оценить концентрации атомов Pb в го образца n-PbTe от температуры T при значениях внешнего матрице PbTe, которая для исследованных образцов магнитного поля H, Э: 1 — 600, 2 — 200, 3 — 80.

оказалась равной N (1 5) · 1018 см-3.

2 Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 788 С.Д. Дарчук, Т. Дитл, Л.А. Коровина, С. Колесник, М. Савицкий, Ф.Ф. Сизов (наличие перегиба в точке Hc1). Это по-видимому, связано с существованием дисперсии размеров включений и, следовательно, реальная область существования смешанного состояния должна находиться в границах Hc1 < H < Hc2. Для доказательства этого утверждения были проведены исследования гистерезиса намагниченности, возникающего в данной системе (рис. 3, a). Разность между кривыми намагниченности в зависимости от магнитного поля при противоположных направлениях изменения (H и H ) представляет собой динамику захвата магнитного потока (рис. 3, b) и дает возможность сделать заключение о существовании 3 областей: 1 — область сверхпроводящей фазы (0 < H < Hc1), 2 — область сверхпроводящей фазы и смешанного состояния (Hc1 < H < Hc1), 3 —область смешанного состояния (Hc1 < H < Hc2).

Первое критическое поле Hc1 относится к включениям минимального размера, Hc1 — максимального. Дополнительное подтверждение сказанному было получено при исследовании образцов PbTe p-типа проводимости, которые выращивались из стехиометрических расплавов.

Такие образцы, как правило имеют недостаток металлической компоненты в матрице по сравнению с халькогеном. Поэтому в данном случае концентрация микровключений должна быть значительно ниже, чем в образцах n-PbTe, и можно было ожидать в основном преобладания включений малого размера. Микровключения Pb в матрице инициируются низкой энтальпией образования вакансий по Шоттки в металлической подрешетке PbTe M (Hv 0.45 эВ [4]). Действительно, в этом случае = кривая магнитополевой зависимости намагниченности имеет только одно значение 1-го критического поля Hc1 190 Э и величину Hc2 950 Э, что соответствует сделанным предположениям.

Дальнейшее изложение относится к включениям минимального размера, поскольку в этом случае для оценок можно использовать достаточно простые математические выражения, применяющиеся для описания явлений в сверхпроводниках II рода. В соответствии с выражением [8] -1/Hc2 = Hb 1 - (2/d)th(d/2), где Hb — критическое магнитное поле в случае объемного материала, при котором происходит фазовый переход Рис. 3. a — зависимость намагниченности M образца n-PbTe 1-го рода (в случае свинца Hb(T = 4.2 K) =350 Э), — в зависимости от величины H и направления изменения магглубина проникновения магнитного поля в сверхпроводнитного поля, T = 4.2K; b — разность намагниченности M ник (в случае Pb 500 ) [9]. Зная величину Hc2, образца n-PbTe при противоположных направлениях изменения внешнего магнитного поля в зависимости от величины магнит- можно определить значение толщины включений миного поля H при температурах T, K: 1 —1.7, 2 —4.2. нимального размера в направлении, перпендикулярном магнитному полю, которая оказалась равна d 1300.

Отсутствие изменения хода магнитополевых зависимостей от ориентации магнитного поля относительно криПродифференцировав кривую 1, представленную сталлографических осей кристалла позволяет сделать на рис. 2, b, можно заметить область предположение, что подобные включения представляHc1 190 Э < H < Hc1 480 Э с нехарактерным ют собой объекты либо сферической, либо нитевидной для сверхпроводника II рода ходом кривой M = f (T ) структуры.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Фазовые состояния и магнитная структура сверхпроводящих включений свинца в узкощелевой... лизировав зависимость периода одномерной вихревой решетки от магнитной индукции B. Известно [10], что для решетки с одним квантом магнитного потока на нить, имеющей трансляционную симметрию, соответствующую квадратной решетке, соотношение между индукцией и периодом решетки L является достаточно простым:

B =0/L2. Принимая во внимание данное соотношение и учитывая то, что при поле Hc2 расстояние между ближайшими вихрями, т. е. период решетки, становится порядка, можно получить из экспериментальных данных зависимость L = f (B), которая приведена на рис. 4, кривая 1. На этом же рисунке приведены теоретические зависимости для квадратной (кривая 2) и треугольной (кривая 3) решеток. Из рис. 4 видно, что теоретические кривые 2, 3 проходят значительно выше экспериментальной кривой 1. Подобное расхождение можно объяснить образованием антипараллельных пар флюксонов. В этом случае на 3 вихревых нити будет приходиться только 1 квант магнитного потока, направленный вдоль поля, и фактически величина индукции уменьшается в 3 раза. Кривая 4 на рис. 4 построена в соответствии с выражением B = 0/3L2 и достаточно Рис. 4. Зависимость периода L одномерной решетки вихревых хорошо описывает данные, полученные из эксперимента.

нитей от магнитной индукции B: 1 — экспериментальные данные, 2 — расчет для квадратной решетки, 3 — расчет для треугольной решетки, 4 — соответствует выражению Заключение B =0/3L2.

Показано, что независимо от типа проводимости монокристаллов PbTe и наличия избытка или недостатка Как известно, проникновение магнитного поля в сверхметаллической компоненты в расплаве в матрице мопроводник в области смешанного состояния происходит нокристаллов PbTe наблюдаются включения сверхпров виде квантованных вихревых нитей. Каждая такая водящего Pb. Минимальные размеры микроскопических нить (или вихрь) имеет нормальную сердцевину, котовключений Pb составляют примерно 1300, с конценрая представляет собой длинный тонкий нормальный трацией атомов Pb в них (1-5) · 1018 см-3. Поведение цилиндр с радиусом порядка длины когерентности, диамагнитной составляющей магнитной восприимчивовытянутый вдоль направления внешнего магнитного пости микровключений Pb описываются фазовым перехоля. Вокруг этого нормального цилиндра течет незатудом (ФП), характерным для сверхпроводников II рода хающий сверхпроводящий ток, захватывающий область (хотя протяженные объекты Pb характеризуются ФП радиуса порядка. Можно оценить значение длины I рода). Микровключения Pb организуются в одномеркогерентности, используя выражение [9] ные цепочки квантованных вихревых нитей в области смешанного состояния сверхпроводящей и нормальной Hc2 = 1.69 2 (/) Hb.

фазы с размерами нормальной сердцевины нити порядка 1300.

В данном случае 650 и, следовательно, диаметр нормальной сердцевины вихревой нити 2 1300.

Вихри, проникнув в сверхпроводник, располагаются друг Список литературы от друга на расстоянии порядка, образуя в поперечном сечении правильную треугольную (или четырехуголь[1] T. Kawakami, H. Takayanagi. Jap. J. Appl. Phys., 26 (Suppl.

ную) решетку. Таким образом, в нашем случае в области 26–3), 2059 (1987).

смешанного состояния формируется одномерная цепочка [2] T. Matsuda, S. Hasegawa, M. Igarashi, T. Kobayashi, M. Naito, вихрей, каждый из которых несет один квант магнитного H. Kajiyama, J. Endo, N. Odakabe, A. Tonomura, R. Aoki.

потока 0.

Phys. Rev. Lett., 62, 2519 (1989).

Ввиду малости размеров включений (d 1300 ) [3] Т.Т. Дедегкаев, В.А. Мошников, Д.Б. Чеснокова, Д.А. Ясьвозможно проявление эффектов, характерных для двуков. Письма ЖТФ, 6, 1030 (1980).

мерных или одномерных систем. Так, теория Kosterlitz– [4] F.F. Sizov, S.V. Plyatsko. J. Cryst. Growth, 92, 571 (1988).

Thouless (см., например, [2]) предсказывает образование [5] A. Lenard, T. Dietl, M. Sawicki, W. Dobrowolski, K. Dybko, в таких системах антипараллельных пар флюксонов.

T. Skoskiwicz, S. Miotkowska, A. Witek, W. Plesiewicz, Можно попытаться выявить подобные эффекты, проана- A. Mycielski. J. Low. Temp. Phys., 80, 15 (1990).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 790 С.Д. Дарчук, Т. Дитл, Л.А. Коровина, С. Колесник, М. Савицкий, Ф.Ф. Сизов [6] О.А. Миронов, Б.А. Савицкий, А.Ю. Сипатов, А.И. Федоренко, А.Н. Чиркин, С.В. Чистяков, Л.П. Шпаковская.

Письма ЖЭТФ, 18, 100 (1988).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.