Температурная зависимость критического тока ВТСП пленок, выращенных методом лазерной абляции

А.В. Демин, Е.А. Канев, О.Л. Курнявко, А.Б. Муравьев, А.А. Скутин, К.К. Югай, К.Н. Югай,

Омский государственный университет, кафеда общей физики
644077, Омск, пр. Мира, 55-A

Институт сенсорной микроэлектроники СО РАН
644077, Омск, пр. Мира, 55-A

Получена 19 июня 1998 г.

A temperature dependence of the critical current of high-Tc YBCO films grown by the laser ablation method is investigated. It is shown that this dependence is monotonically decreasing for the films with and this one have peaks and collapses at . An assumption on the possible connection the dependence with the macrostructure of these films is expressed.

Известно, что критический ток сверхпроводников - ток распаривания куперовских пар - зависит от температуры. Эта зависимость, обусловленная, в частности, его зависимостью от энергетической щели, также являющейся функцией температуры, относится к числу важнейших свойств сверхпроводника. В случае однородного сверхпроводника из теории Гинзбурга-Ландау для тонкой пленки эта зависимость вблизи критической температуры имеет вид [1]:

,

(1)

где j_co - критический ток при T=0.

В высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) пленках температурная зависимость в широком интервале температур, как и в случае классических сверхпроводников, близка к линейной (см., например, [2]). В работе [3] была получена зависимость j_c(T), характерная для пиннинга, обусловленного рассеянием электронов на границах зерен . Вблизи T_c, как было показано в [4], j_c(T) хорошо описывается с помощью соотношения , где .

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

Схема экспериментальной установки, использованная нами, показана на рис. 1. Образец YBaCuO пленки помещался на столик 9 криогенной ячейки 8 и охлаждался от комнатной температуры до 18 K. Критический ток пленки измерялся в условиях стабилизации температуры четырехзондовым методом при возникновении напряжения в 1 мкВ. Температура образца контролировалась полупроводниковым термодатчиком, который позволял измерять температуру с точностью до 0,1 К в диапазоне от 100 до 18 K. Сами образцы представляли собой ВТСП пленки толщиной около 100 нм, выращенные на подложках SrTiO₃ (100) и LaAlO₃ (100) методом лазерной абляции. Использовали импульсный лазер YAG с длиной волны , длительностью импульса около 20 нс и частотой повторения импульсов 12 Гц. Энергия в импульсе составляла 70 мДж, плотность мощности падающего на поверхность мишени лазерного излучения W варьировалась в пределах . Использовались образцы со следующими параметрами: образец 1 - критическая температура T_c = 88,2 K, ширина перехода , критическая плотность тока при Т=77 K ; образец 2 - T_c = 87,7 K, , ; образец 3 - T_c = 82 K, , .

Рис. 2. Зависимость плотности критического тока от температуры для образца N.1.

Измерения дали неожиданные результаты, они представлены на рис. 2 - 4. Как видно, зависимость j_c(T) соответствует монотонно убывающей с ростом температуры зависимости только для образца 1 с . Для остальных образцов эта зависимость имеет ярко выраженные максимум и провалы. Причем глубина этих провалов увеличивается при уменьшении j_c(77) и достигает даже значения, равного нулю, для образца 3. Величина максимума для этого образца, возникающего при температуре T = 65,6 K (T/T_co = 0,8), превосходит значение j_c при T = 22,8 K в 1,28 раза.

Рис. 3. Зависимость плотности критического тока от температуры для образца N.2.

Еще более поразительные результаты мы получили при термоциклировании образца 4 с , которое заключалось в его охлаждении до температуры кипения жидкого азота и нагревания на воздухе до комнатной температуры. Эти результаты представлены на рис. 5. Видно, что зависимость j_c(T) с характерным провалом и локальным максимумом сменяется при числе термоциклов n=30 на монотонно спадающую кривую при увеличении T/T_c, а при n=70 эта зависимость вновь представляет собой кривую с провалом и локальным максимумом.

Рис. 4. Зависимость плотности критического тока от температуры для образца N.3.

Рис. 5. Зависимость плотности критического тока от температуры для образца N 4 при различном числе термоциклов

В настоящей работе мы не ставили целью дать адекватную интерпретацию всем полученным результатам, выскажем только некоторые соображения. То, что необычная температурная зависимость j_c(T) имеет место именно для low-пленок, говорит о том, что она связана, очевидно, с макроструктурой выращенных ВТСП пленок. В нашей предыдущей работе [5] было показано, что YBaCuO пленки, выращенные методом лазерной абляции, обладают различной макроструктурой: при пленки обладают малодефектной монокристаллической структурой (high-пленки), а при пленки являются зернистыми (low-пленки). Граница, разделяющая эти две различные по свойствам пленки по критическому току , является вместе с тем границей раздела между двумя характерными макроструктурами пленок.

В работе [6] было показано, что high- и low-пленки ведут себя различным образом при термоциклировании: low-пленки достаточно быстро деградируют, причем у них проявляется эффект возрастания критического тока; high-пленки весьма устойчивы к термоциклам, их сверхпроводящие свойства мало изменяются и при более 1000 термоциклов.

Переход между этими двумя макроструктурами возникает при определенной температуре подложки во время роста пленки, T_sub = 850 ^o C, что позволяет говорить о макроструктурном фазовом переходе [7]. Таким образом, необычное поведение зависимости j_c от T, отличное от предсказания теории Гинзбурга-Ландау, появляется для low-пленок, что позволяет с достаточной долей уверенности говорить о существенной роли межзеренных границ на зависимость j_c(T). Иными словами, джозефсоновские свойства межзеренных границ, по всей вероятности, существенным образом зависят от температуры. Если иметь в виду, что плотность куперовских пар с понижением температуры может только увеличиваться, то уменьшение j_c с уменьшением температуры может быть связано с уменьшением вероятности туннельного перехода пар, что в свою очередь может быть обусловлено увеличением ширины и высоты туннельного барьера.

В дальнейшем мы надеемся вернуться к этому во многом загадочному явлению и с экспериментальной и теоретической точки зрения.

Литература

[1]	Абрикосов А.А. Основы теории металлов. М.: Наука, 1987.
[2]	Жуков А.А., Мощалков В.В. Критическая плотность тока в высокотемпературных сверхпроводниках (обзор) // СФХТ. 1991. Т. 4. N 5. С. 850-878.
[3]	Гапонов С.В., Гарин Ф.В., Голубев В.Н., Калягин М.А., Клюенков Е.Б., Косыев В.Я., Кочемасов А.В., Стриковский М.Д. Вольт-амперная характеристика и критические токи в слабых магнитных полях в // ЖЭТФ. 1989. Т. 95. Вып. 3. С. 1086-1091.
[4]	De Vries J.W.C., Gijs M.A.M. et al. // J. Appl. Phys. 1989. V. 64. P. 426.
[5]	Югай К.Н., Серопян Г.М., Скутин А.А., Югай К.К., Муравьев А.Б. Макроструктура ВТСП YBaCuO пленок, выращенных методом лазерной абляции // ЖТФ. 1998. Т. 68. N 2. С. 48-51.
[6]	Yugay K.N., Seropjan G.M., Skutin A.A., Yugay K.K. Superconducting properties of YBCO thin films at thermocycling // Low Temp. Phys. 1997. V. 23. N. 4. P. 281-284.
[7]	Yugay K.N., Skutin A.A., Yugay K.K., Muravjev A.B. Macrostructure phase transition into YBCO high-Tc films during pulsed laser deposition// EUROMECH Colloquium 363 "Mechanics of laser ablation". Novosibirsk, Russia. 23-26 June. 1997. Abstracts of papers. Р. 43.