Введение 3
Глава 1. Сверхпроводимость 6
1.1 Теория БКШ 6
1.2 Основные характеристики сверхпроводимости 6
1.3 Теория Лондонов 8
1.4 Сверхпроводящие тонкие пленки 10
Глава 2. Установка и методы исследования 13
Глава 3. Эксперимент 18
3.1 Калибровка 18
3.2 Отработка режимов работы 22
3.3 Зависимость температуры сверхпроводящего перехода от
толщины пленки Nb 26
3.4 Обсуждение результатов 28
Заключение 30
Список литературы 30
Сверхпроводимость-свойство некоторых материалов иметь нулевое сопротивление при достижении ими определенной температуры Tc [1]. Эта температура называется температурой сверхпроводящего перехода. Это уникальное явление открыл нидерландский физик-экспериментатор Хайке Камерлинг Оннес в 1911 году. Он поместил провод в жидкий гелий при температуре 4 К и заметил, что сопротивление резко исчезло. Оннес не смог найти объяснения такому поведению электронов. Природу сверхпроводимости объяснили только в 1957 году три физика- экспериментатора Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер. Эту концепцию назвали в их честь “теорией БКШ”-первыми буквами их фамилий [2].
Сверхпроводники классифицируются по различным критериям, таким как материал (чистый или сплав, на основе железа, керамика и т.д), по температуре, при которой достигается сверхпроводимость (низкотемпературные, если Tc<77 К, и высокотемпературные), а также по поведению проводника в магнитном поле (проводники I и II рода) [3]. Проводники I рода имеют одно значение магнитного поля Hc, после которого у материала не наблюдается сверхпроводящих свойств, а проводники II рода имеют два важных значения поля Hc1 и Hc2. При достижении поля Hc1 происходит его частичное проникновение в сверхпроводник, но оно не разрушает его, но когда поле становится равным Hc2 явление сверхпроводимости исчезает. Ниобий относится к сверхпроводникам II рода[4].
Практически сразу после открытия сверхпроводимости учеными стали рассматриваться возможности применения сверхпроводящих материалов в различных областях. Еще открыватель сверхпроводимости предполагал, что
с помощью сверхпроводниковых материалов можно создавать экономичные машины для создания сильных магнитных полей [5]. Но реальное применение сверхпроводников началось в 50-60 годах прошлого столетия. В настоящее время работают сверхпроводящие магниты различных размеров и форм. Их используют не только в научных исследованиях, но и в лабораторной практике, в ускорительной технике, томографах, установках для управляемой термоядерной реакции. С помощью сверхпроводимости стало возможным многократно повысить чувствительность многих измерительных приборов. Такие приборы названы сквидами (от англ. Superconducting Quantum Interference Devices). Сквиды широко
распространены в различных областях техники, в том числе в медицине.
В настоящее время наибольшее применение сверхпроводники находят в области создания сильных магнитных полей [6]. Современная промышленность производит из сверхпроводников второго рода разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых они получают гораздо более сильные поля, чем с помощью железных магнитов.
Также на основе эффекта Джозефсона создается сверхпроводящая логика, так называются логические схемы, которые сделаны из сверхпроводников и использующие свойство квантования магнитного потока [7]. Благодаря отсутствию сопротивления они имеют высокое быстродействие и энергоэффективность. Использование сверхпроводников позволяет создавать процессоры, в которых частота переходов между отдельными элементами достигает сотен ГГц.
Цель моей работы - найти зависимость температуры сверхпроводящего перехода от толщины пленки ниобия. Такое исследование уже проводилось ранее, но их результат не применим для дальнейшего использования в работе лаборатории “Синтеза и анализа тонкопленочных систем” КФУ, поскольку все установки уникальны, и, казалось бы, при одинаковых условиях можно получить разные результаты.
Задачи:
1. Ознакомиться с литературой по теме работы.
2. Изучить природу сверхпроводимости, ознакомиться с основными свойствами сверхпроводников и эффектами, которые в них возникают.
3. Откалибровать скорость напыления ниобия и кремния.
4. Найти оптимальные условия для напыления
5. Проверить образцы на повторяемость, то есть изготовить несколько образцов при одинаковых условиях и убедиться в том, что получается один и тот же результат.
6. Напылить несколько пленок при одинаковых условиях, меняя только толщину и измерить температуру сверхпроводящего перехода.
7. Обобщить и интерпретировать полученные результаты.
Благодаря своим небольшим линейным размерам сверхпроводниковые нанопленки представляют все больший интерес, как для научных целей, так и для применения в устройствах, которые используются в повседневной жизни. Основная задача науки в этой области проработать все характеристики и свойства сверхпроводников, чтобы уметь управлять ими. Одной из главных характеристик сверхпроводников является температура сверхпроводящего перехода, т.е. температура, при которой проводник начинает иметь нулевое сопротивление. Эта величина зависит от толщины образца, от плотности носителей заряда, а также от самого материала. В данной работе исследовалась зависимость критической температуры от толщины образца. Для этого была проведено ознакомление с литературой по данной теме, а также изучены результаты ученых, которые занимались подобными исследованиями. Была изучена физика сверхпроводимости и основные законы для лучшего понимания результатов. В экспериментальной части поэтапно было сделано следующее: откалибровали скорость напыления, подобрали оптимальную мощность напыления и температуру подложку, проверили образцы на повторяемость, для того чтобы исключить возможную неправильную работу оборудования и изготовили образцы для нахождения зависимости критической температуры от толщины пленки Nb. Для каждой пленки нашли свою температуру сверхпроводящего перехода и построили график зависимости Tc от d. Причиной такого поведения критической температуры от толщины пленки в больше степени является присутствие размерных эффектов, а также наличие рассеяния электронов на границах раздела Nb/Si.
