автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Транспортные свойства нормальных металлических наноструктур со сверхпроводящими областями

г га о

*,? / Г • > Г. ......

' РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОСОБОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи АНТОНОВ Владимир Николаевич

ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА НОРМАЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР СО СВЕРХПРОВОДЯЩИМИ ОБЛАСТЯМИ

Специальность 05.27.01 —твердотельная электроника и микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1993

Работа выполнена в Институте проблем технологии микро-электропики и особочистых материалов РАМ.

Научный руководитель: доктор физико-математических паук Петрашов В. Т.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Шикин В. Б.

кандидат физико-математических паук Ильичев Е. В.

Ведущая организация: Институт физических проблем им. П. Л. Капицы

Защита состоится „_/Л_" _М^Г_ 199^ г. в А? час.

на заседании специализированного совета при Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАИ по адресу: 142432, Черноголовка, Ногинского района, Московской области, ИПТМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.

Автореферат разослан ¡0 » _1997 года

Ученый секретарь специализированного совета кандидат химических наук ^//-уу ¿( Н- В- Лнчкона

© Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

Актуальность теш.

I

В настоящее время одним из наиболее 'интенсивно развивающихся направлений исследований физики твердого тела является изучение ¡электронных транспортных свойств низкоразмерных систем. Размерность системы относительно того или иного процесса, влияющего на перенос: заряда, определяется соотношением ее пространственных размеров с масштабами длин, определяющими этот процесс (длюта сбои фазы, длина когерентности, длина свободного пробега, длина волга! электрона и др.) Интерес к таким системам обусловлен, по" меньшей мере, двумя причинами. Во- ггервнх, в низ. возникают новые физические' явления, представляющие самостоятельный хштерес. Примерами могут быть е^фжты Арснова- Сема, мезоскопичесние фвукту-..ц;т проводимости, кулонопокая блокада. Зторой причиной, сгинулпрукщей исследования, являйгея то, что нлзкорэзмершм систеян в будущем станут, пэ-еидамому, основой састродей«тьу1хцих влек тронных приборов.

Экспериментальные ¡тс следования систем о низкой размерности определ-шгея уровнем развития 1ехтгалогпчо ской базы М)и;вдс^'уктури1.''-ааш1я. Пространственнее киса т-'аСм, о которых идет речь, состанлют Ю- 1СГ нзнсметров, что Д'остижнмо на базе жт технологий микроэлектроники, как электронно- лучевая литография, лскрлышЯ, вплоть до 500 Л, контроль состава и качестпа поверхности, низксэлергетическоо ионное травление, лагерное напыление различных материалов. Иг развитие, таким образом, является органической частью задачи изучения низкорпзиериы! систем.

Цель работы.

Развитие технологии изготовления металлических

наноструктур п экспериментальное исследование влияния сверхпроводящих граничных условий на их транспортные свойства.

Научная.новизна.

Научная новизна работы состоит Б следующем:

1. Впервые наблюдались "гигантские" осцилляции' магнетосопротивления Ааронова- Бома о периодом h/2e в кольцах из нормального металла с HS- границами.

2. Обнаружены осцилляции с периодом h/4e в кольцах из нормального металла с HS- границами;

3. Обнаружена нелинейная зависимость h/Êe- и h/4e-компонент, магнетосопротивления колец с N3- границами. от измерительного тока; • •

4. Обнаружен аномальный эффект "близости" в "гибридных" наноструктурах, состоящих из нормальных и с в е рхцроподящах областей.

«

Практическая значимость проделанной работы состоит:

X. Обнаружены физические Явления, которые могут быть . положены в основу новых приборов микровлейтроники.

2. Развиты лабораторные методы многослойной металлической нанолятограф1ы. : • '

Апробация' работы.

Результатыi полученные в Диссертационной работе, докладывались на научных семинарах ИИХМ РАН, Чэлмерокого • технологического университета (Швеция), . Нобелевском

2 "

симпозиуме i. Стокгольм, 1991 г.), 30-й международной

конференции по физике•низких температур. *

Публикации.

результат!« прозздеккшс исзлчдоб.чкяй 5 научных статьях п. 2 тми s ах докладо в

Объен и структура диссертации.

Диссертация состоит "ла Педзгшя, тр?х г.пзз, описка "Л'Пфованиой лктора^урн ;í нзлогк-на на маитлс1шско.;'о текста, гкл;.л:ал рису: ¡коп.

Основное r:o,r;;p.v3mio дисссфтации.

5о Пгедэшш дана -¡л -^р-м-т^р^ст-ка psí^r",

с 1юр?<улир-взно цель и иьучплл пягягт р&5отв

В первой ГЛ8ВЙ го?: ос:'')'п;сс:тп тьяиопсрттпгх

своЯстк ксази-г>дче меряет мст-1л.-г.'".'г;.тл ;гсоно;гч.1коп rrpt: кигтлх

тсмп'.'рптурз*. Деа пила ct^or гов <"i тзз язляят огклоагкие ик от

плясскческьл: »¡Гфскт:; к: о!:т.;г wßpj^peiüipii д е^фэтггч,

свяяглгонр с пространств лпвгм ix&htor¿:uh»m ензргетич*с<»ог о

спектра иссктэлеЯ заряда. Пэпр•jskp к ировид»1Ч02ти, связг.зпшс

с клянтсьсй интерес р.?1П":т'Е, rc;j¡o иодрпздо.шгь на

глабс/лс-кдокзпционпыэ. агоэсяогаггвгзд:? i* ьлек* р?я-

oj.-eicTpcfíTior: Е.-лкмсдсДегга.». Чсс- ein: .'шлягтсл результатом

того, что алек:репная ь-олна сог.рзняег фазовую пгмять ' ггри

упругом рассе.чнии, а тор/мт не л.гль при иэупругом рассеянии

шят рассеянии j переворотом с:впп. Дае величины, длина сбоя I-I

Sa г, и, L -1Гг ) ' " ! т - суммарна* tscto'.o всег

- Основкы?* сггублу.коп';ны в ко:гф?ренг?гй. •

EbEOÍíia, стр.

S

рассеяния электронов, приводящих к потере електроком фазовой памяти» U- коэффициент даЗДузии электронов проводимости) и

Т /<э

длина когерентности нормального металла, (hD/kT) ,

определяют м?еттаб д-тэт и величину интерферукционных пффектов.

Первый параграф главы посвящен еф|>зкту слабой локализации в нормальных металлах. Для описания слаболокалпзационных поправок к • провооцимооти вводится куперон,С(г,г'), который является решением диффузного уравнения о заданными граничными условиями. Добавка к проводимости пропорциональна усродненному по длине проводника куперону. В квази- одномерном проводнике Поиск функции С (-г,г' í сводится к решетш систем алгебраических уравнений. На примере зчдачи для колец с нулевыми , С(г,г'и открытыми, <1С(г,г' )<?-0, граничными условиями,

:тродемонстр;1ройяно влияние гршшц на величину еффекта.' Следующий параграф посвящен особенностям слабой локализации в металлах с сильным спин-орбитальным рассеянием . и : в сверхлравопникэх выше. Тг. В металлах с сильным спин-орбитзльньгм рчсс^тшем слчболокализашгонная квантовая поправка к проводимости изменяет свой знак. Диффузная длина спин- 'орбитального рассеяния, J1', наряду "о длиной

сбоя фазы, определяет кнгерференцло.чнне аффекты' в этом

случае. Сгот-орбитальное рассеяние .доминирует, то есть I<3¿< 1ф, в металлах с большой атомной массой,_ таких как серебро, сурьма, висмут. .В сверхпроводящих материалах выше Т0•слабая локализация усиливается вф^ектом от неравновесных куперовских пар, рффект Мэдсм-Томпсонэ. С точностью до параметра Ларкино, ptT/T ), он огасывается теш же уравнениями, что И слабая локализация. Величина результирующего изменения сопротивления становится равной I + р(Т/Тс)). - 1 „' .

В заключении главы обсуждается влияние MS- гршшц . fia

4

транспортные свойства нормальных прсвсдникэв. В рассмотрение включены Андреевское .отражение нормальных влектронов от N3-границ и наведенная сверхпроводимость. ■

Вторая глава диссертации посвящена технологии изготовления многослойных наксмятровых металлических структур и технике низкотемпературного икспзримскта. Для создания металлических' структур нелс.и,попались технолсгии шсохоразрчшяюней фото а электронно- лучевой литографии, различные вида напыления пленок, ион-плазменного травления, локального, до О.Ь- Ц, контроля качества и состава поверхности. Электронно-■ лучевая литография являлась базовым процессом- в технологии I1 зготсвлекия наноструктур. Она проводилась на специалпзиров-шяой установке ¿ИХ--5II и на РЭМ 05М-040А. Наряду о позитивной одектпсяно- лучевой литографией, использовалась пегэтгвтг па основе 'соПъатЗлз!;! :.п"~ реписта и вакуумного р .нейтронного негативного речиста..

Плешей различных матерился ганосткксь с помощью гермичес1.о1Х,, магн-этроннсго • -лл^рного напыления.

Пзьертлост^ 'П..1ДЯСЖКИ перед нппыл'чг'.-гм "сухой"

чистке в плозш кислорода или аргстп дли улуч-ют-.я рдгегяя. 3 ;.лч','С1ЕС- и ;риальннх м-гтлллзв песельз^в&лпоь аоребро, висмут, сурьма, -»ледялшй (?: V,.!, а в кочестап сне ртерздодипхев -сплав иьинец- сурьма, сплав омшеа - золото, ялмэттй (Г< Т ;лоьо- к ниосиС. Критерием при рнсорз матегязлог. 'являлось то, что имеете они ехпатнеали широкий спзктр .удельного оохгсогльлеш я, ксьцонтраыш плектг.отгав, а для свгархпроБо.ы-'икл-ь - . вслппхны сверхпроводящей щели и корреляционной длины. .

Б за!:л№ешш главы описаны условия шгзхотсмпсратурного экспесимен-.а и даны сх^мы электрических измерений.

Эксперимента проводились.при температурах от ¡¿С мК до К в

?

магнитных полях до 20 кТс. R диссертация были решена задача измерения электропроводности металлических просод:сг.<оп о

„ гт о

сечением вплоть до 10 ем".

Экспериментальному исследованию транспортных . свойств низкоразмершх структур поевядека тратья глава. Е качестве объектов для исследований использовались одно- и мнсгосвязниз пленарные нормя^ьше металлические ( см, рис-In), ц также "гибридные", имеющие сЕеригрсводящде области ("зеркала"), наноструктуры.' "Гибридные" структуры бит Дду.£ типов: о "зеркалами"-, вне классических линий тока, Т-зеркала ( см. рис. I о ) и с "зеркалами" на токовых липияг, L-- порхала (см.рис ЛЬ). .

. ' Нормальна© металлические структуры изготавливались кз Б'гтомута и серебра, удолыюа сопротивление я плотность носителей . тока з которых отличались более,, чем на два., порядка. Длина сбоя, фазы составляла соответственно "0.3 |1 и |х при Х=1.3 К. В магштнсм поле оапротиздекие висмутовых ' колец монотошга возрастало, что хорошо описывалось еЗДзк.том слабой локализации с учетом сильного сгогн- орбитального рассеяния. Периодогческич осцилляции- магне тосопротивлешт отсутствовали, что легко объясняется милей длиной с^оя фасн й пленках висмута. В анйлопг-шых. кольцах из серебра, Наряду о •монотонным возрастанием, мггнетосопротивлект осциллировало в следствие рффекта Лэронова-. Бсма . с периодами,'.' соотвотствовующими квантам потока ho/e й he/2e через площадь колеи (см.рис.Та). Относите, ышя амплитуда оецшишций,' AR/R, была невелика и составляла "JICT^. Кривые мате то сопротивления удовлетворительно, описывались -теорией слабой локализации,' о учетом граничные*. • условий, накладываемых подводящими цройодниками. ! Фактически,•подводяшие к кольцу проводники были допожзйтельнмм источником- сбоя фазы, мектроЧк^Б., Увеличение числя подводимых к кольцу ■ проводников уменьшало ятлитуду

В

ооцилняцкй.

Для изучения роли граничных- условий ъ проводимости

мезоскопических проводников были проведены вксперимнты на

"гибридных" .структурах со сверхпроводящие L-- и Т-

"зеркалами"» Было обнаружено резкоэ возрастание амплитуда

осцилляций магнегссопротивления о периодом ho/2e, а также

возшгчновении новой компоненты с периодом ho/Ле. Усиления

по/е- осцилляции обнаружено не было. На рис.1 представлены

фотографии структур и соответствующие кривые

магиетосопротивлени. Амплитуды обеих компонент был:'.

чувствительны к измерительному току. Осцилллшш с пзрпедем

h/Йв Имели неыоною1шую зависимость от измерительного тока,

но были слабо чувствительны к положению "зеркал" до

расстояний " 2 Ц>. liftSRp'ú'Ttra, h/ie - компонента исчезала, к^гда

раскаяния от "asprttiíi4' 'до кольца превышали Ь , и сущестговала

ч-

только при слабых Чймаригальных ток^х.

Полученные 'в диссертации результаты стимулировали теоретические исследования в области "гибридных" Мозссконических SU- систем, о.днако к настоящему аремлги полной теории наблюдиемыз эффектов не существует. В работе предлагается следумаэе качественное объяснение набладземкм явлешгям. Увеличение амплитуды h/?.e- оеиилляцгй в кольцах с I, и Т- зеркалами мот.ет быть обусловлено двумя причинами: реализацией открытых - граничных, уологий для задачи кн г&рфэреьцнп из-за Андреевского отражения на HS границах и вкладом сверхпроводящих поправок, типа поправок Мгч'и-Тсмпсона. Е квази- одномерных проводниках экспоне1п\иалыгый закон Исчешюве«шя неравновесных купероиоких пар при удалении от NS- грпдацы ослабевает. Этим мижно объяснить малую чувствительность h/2e-компоненты к расстоянию от "зеркал" до колец.. Описание экспериментальных кривых теоретически:.®, з учетом этого uvxafaizue, де?т для параметра Ларкяна {J 'Т/Тг )

величину 38, слабо зависимую от температуры.

Возникновении оснил.ляций с периодом h/4e в кольцах с L-

и Т- зеркалами, на наш взгляд, обусловлено добавлением К

микроскопической бзэв нормальной электронной волны

макроскопической разности фаз сверхпроводящих "зеркал"., В

магнитном поле фоза'интерферируют« электронных волн, которые

испытали Андреевское отражение от двух "зеркал", равна оу»!ме

Ф„„..= Ф..,.1- ж, где первая является микроскопической фззой сум мк, •

нормального электрон,!, О," 21ГФ/Ф., а'вторая сверхпроводящей,

Г.1К О

ге= й(жт- ж, )f ( жт, гц- фазы сверхпроводников в

L о О j.

нулевом магнитном полз). Результирующий период'от этих двух слагаемых приводит к осиплляциям с периоде» h/Де. Для существования h/Ae- компоненты необходимо выполнение, по крайней мере, двух условий:

а) расстояние мезду сверхпроводниками не должно превышать L^j

б) должно сохраняться условие ацивбатичяссти, которое требует, чтобы изменения фазы зо времени из-за разности потенциалов между "зеркалами" было достаточно малым за время диффузии электрона через образец, Лф^ыух^« I* то есть (2X/-/D) (;2e.W/hK<i, -где L- размер структуры, AV - разность потенциалов между ''зеркалами". Переход от режима адиабаигчностя к резнму неадиЕбатичности в настоящей работе наблюдался {экспериментально.

При переходе "ззркэл" п сверхпроводящее состояние в ряде структур возниклл яьомалЬный эффект "близости": их сопротивление резко возрастало ня величину до 50S от нормального. На рисунке 2 показана температурная и магнетополевая пявисимосги Сбребрянной проволочки с ялкминлешш "зеркалом" ( см.рис.2а ). Знак скачка сопротивления и его амплитуда ¿или случайной функцией положения' "зеркал", до расстояний ~ 2 Ц. Кроме того, как

' Ъ.

0.2 0.0

с:

: -or/.

Qí <¡

•0.4 -0.6 -0.8

-T — 1---ч— t « - • t

0.00 i—------------ I •

T=1.3K

-0.C5

a

\ к

y <-0.10

M !

15-C 0 -3 0 " o" ' '"Tí O 6 oi

b

__t___i--1___X i__.i— i. . - i .

0 12

B.Gs

________ i., .i

3 4

B,kGs

РИС,2 10

температурная зависимость, тэк и' расстояние на котором наблюдалось влияние сверхпроводящих "зеркал" не списывалось длиной Ly, как предсказывалось теорией "обычного" эффекта близости. Сильное магнитное поле и большие», токи разрушали эффект и сопротивление.возвращалось к нормальному. Осцилляции" Ааронова-Бома в таких образцах с кольцами были подавлены. Аналогичные аффекты наблюдались в структурах, представляющих из себя односвязные серббрятше проводники, на поверхность котсрн;; были нанесены поперечные сверхпроводящие полоски шириной ~ 0.1 |.1 с периодом 0.25 Ц.

В работе предлагается только качественное объяснение наблюдаемого эффекта. На наш взгляд, причиной аномального еффекта "близости" • является пространственное квантование энергетического спектра &лектронов в нормальных частях из-за Андреевского отражеютя на Н8 границах. Оценка показывает, что при" размерах нормальных частой ~ 0.1 |1 расстояние энергетическими уровням! продольного квантования составляет ~ ЙК,. ■ Сопротивление структуры в' целом тогда определяется, взаимным положением уровней впергии продольного квантования в нормальных частях, и может быть, как бельке, так и тпъпе нормального. В сгзребряшшх проводниках о поперечными сверхпроводящими полоекпми, о которых упоминалось Ш2Ш9, US— гратщы образовывались из-за обычного аффекта "близости4 под сверхпроводниками. Возникновение NS- гршлщ а образцах подобных томукоторый представлен на рис.?,, связываем с неоднородностью наведенного параметра порядка в нормальном гтроводшк:е. Для того, чтобы квантование внергетическбго спектра не размывалось перекрытием уровней от различных импульсов параллельных tío грашще, , характерные размеры нормальной области должны удовлетворять условию:

- \\ах < ПпУ& ' / ' '..IT

Д- параметр порядка сверхпроводника.

Причина существования принципиально различных, аффектов-гигантские" Ь/2е- осцилляции сопротивления и аномальный ефрект близости в структурах, подобных друг другу, до конца не ясна. Анализ технологии изготовления експерименталышх образцов показал, что аномального аффект "близости" существовал в структурах о болэе хорошим контактом нормальный металл- сверхпроводник.'

В заключении работы сформулированы основные вывода:

1.' Сверхпроводящие граничные условия приводят к увеличении на два порядка амплитуда h/3i;- компоненты осштлляшгй Апрснояа-Бома.

2. Изменониэ микроскопической фазы нормальных электронов при андреевском отражении от ИЗ- границ приводит к возникновении осцилляштй магнетосопротивлошя п п-эриопом

,3. l&BftSfnte сверхпроводящих областей ira »ормалыгия участки УГШ'аструнтур может приводить как к уменьшению их сопротивления, Так и к возрастанию («аномальный в^Фэкт "близости").

4. Влиглив СЕв[ хлрбводника в "гибридных" SH- структурах распространяется на расстояния, значительно ггревашаюш.ие длину когерентности нормального металла.

Основные "результаты диссертации опубликованы в следувдих работах! ~~

1. T.Ï.Tetraslwv, V.N.Antonov and B.Nilsson "Eleotrip field

12

effects and screening in niesoseopic bismuth wires". J. Plivs.: Condons. Matter, v. 3 (1991), p. 9705—9711.

2 В. Т. Петрашоп, В. 11. Антонов. «Сопротивление мезоскопнческнх SNS-nepe-ходов», Письма в /КЭТФ, т. 54, 1991, с. 245—219.

3. V. Т. Petrashov, V. N. Antonov ".Mesoscopic conductors wilh superconducting probes", Sixth Weak Superconductivity Symposium, Smolenice Castle, Mav 20—21, 1991, Czecho-Slovakia, p. 2G.

4. V. T. Petrashov, V. N. Antonov, and M. Persson. "Kleelron transport in mesoscopic conductors with superconducting contacts", Plivsica Scripta. V. 42, 1992, p. 130-142.

5. V. T. Petrashov, V. N. Antonov, P. Delsnig, and T. Claeson. "Electron phase memory effects in mesoscopic normal metal rings with superconducting probes", Phys. Rev. Lett., v. 70, p. 347—350, 1993.

(i. V. T. Petrashov, V. N. Antonov, P. Delsing, and T. Claeson. "Nonlinear phase memorv effects in mesoscopic normal metal rings with superconducting probes" submitted to LT-20, 1993.

7. В. Т. Петрашоп, В. П. Антонов, С. Максимов, Р. Шайхапдаров. «Аномальный эффект близости вмелоскоипческпх проподпнка.х», Письма п /КЭТФ, 1993.

01.07. 1993 г.

Объем 0,75 п. л.

Типография 11ХФЧ РАН

Зак. 325. Тир. 75 эк.1: