НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР
ім. Б. І. ВЄРКІНА

Бомзе Юрій Валерійович

УДК 537.312.62, 538.945

Структура та надпровідність напівпровідних
гетероструктур халькогенидів свинцю, олова
та рідкісноземельних металів

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук,

Фогель Ніна Яківна,

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, провідний науковий співробітник відділу надпровідних і мезоскопічних структур.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор,

Оболенський Михайло Олександрович,

Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри фізики низьких температур.

доктор фізико-математичних наук, професор,

Нацик Василь Дмитрович,

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, головний науковий співробітник відділу фізики реальних кристалів.

Провідна установа:

Інститут Фізики НАН України,
лабораторія теорії недосконалих кристалів, м. Київ

Захист відбудеться “__7__” __червня__ 2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03 по захисту докторських дисертацій при Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України за адресою: 61103, м. Харків, пр. Леніна, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ФТІНТ ім. Б. І. Вєркіна НАН України (м. Харків, пр. Леніна, 47).

Автореферат розісланий “__6_” ___травня__ 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.175.03
доктор фізико-математичних наук, професор Сиркін Є. С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з очевидних тенденцій у розвитку сучасних нанотехнологій є контрольоване формування композитних матеріалів у наномасштабах. Подібні комбінації матеріалів з різними власними властивостями (электро- і теплопровідність, магнітне або надпровідне упорядкування, пружні властивості) виявляють незвичайні характеристики внаслідок мезоскопічної поведінки їх компонентів. Прикладами успіху подібних зусиль є металоорганічні сполуки], структури, що складаються з вуглецевих нанотрубок,3] та фулеренів], а також електромеханічні системи наномасштабів].

Створення структур, у яких пружні й електронні властивості змінюються на наномасштабах, можливо і без застосування нанотехнологій. Прикладом можуть служити тривимірні епітаксіальні надґратки, що складаються з ізоморфних монохалькогенидів різних металів. Модуляція фізичних характеристик надґраток у перпендикулярному до шарів напрямку забезпечується почерговим напилюванням двох напівпровідників. Модуляція в площині шарів відбувається через наявність регулярної сітки крайових дислокацій невідповідності на поверхнях поділу між двома ізоморфними шарами]. Період дислокаційної сітки дорівнює декільком нанометрам, що дозволяє називати ці надґратки наноструктурами.

Давно відомо, що напівпровідникові надґратки PbTe/SnTe] та PbTe/PbS,9] переходять у надпровідний стан при температурах 5,5та 6відповідно. Серед напівпровідників, що входять до складу цих надґраток, тільки SnTe є надпровідником з Tc=0,2210]. Запропоновані пояснення появи надпровідності з настільки високим Tc у зазначених гетероструктурах суперечливі, і жодне з них не є задовільним на сьогоднішній день,9,11]. З'ясування реальних механізмів, що сприяють появі надпровідності в багатошаровій системі PbTe/PbS, а також пошук аналогічних систем є темою даної дисертації.

Зв'язок роботи з науковими темами, планами. Дисертаційна робота виконана у Фізико-технічному інституті низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України відповідно до теми “Квантові когерентні явища в надпровідних та мезоскопічних структурах”, номер державної реєстрації 0100U006265. Результати дисертаційної роботи викладені у розділі 4 заключного звіту з даної теми.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є пошук нових надпровідних напівпровідникових гетероструктур і з'ясування механізму, що відповідає за надпровідні властивості цих гетероструктур.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- провести дослідження напівпровідникової гетероструктури PbTe/PbS для з'ясування зв'язку між її надпровідними властивостями й існуванням сіток дислокацій невідповідності на границях поділу напівпровідникових шарів;

- у випадку підтвердження зв'язку між дислокаційними сітками на міжфазних границях і надпровідністю системи PbTe/PbS зробити вибір матеріалів, на основі яких можуть бути створені інші епітаксіальні напівпровідникові гетероструктури з дислокаційними сітками на міжфазних границях;

- провести тестування отриманих гетероструктур на наявність надпровідних властивостей;

- провести розрахунок впливу міжфазної взаємодії на електронні властивості напівпровідникових шарів у епітаксіальних гетероструктурах.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є напівпровідникові багатошарові гетероструктури, які складаються з монохалькогенидів свинцю, олова і рідкісноземельних металів.

Предмет дослідження. Предметом експериментального дослідження є надпровідні та транспортні властивості в нормальному стані напівпровідникових гетероструктур на основі монохалькогенидів свинцю, олова і рідкісноземельних металів, а також їх структура. Предметом теоретичного дослідження є вплив пружних деформацій, що виникають у досліджуваних гетероструктурах, на величину забороненої щілини в напівпровідникових шарах.

Методи дослідження. Для дослідження кристалічної структури напівпровідникових гетероструктур використовувався рентгеноструктурний аналіз, для дослідження структури дислокаційних сіток – просвічувальна електронна мікроскопія та електронна дифрактометрія. Низькотемпературні транспортні вимірювання використовувалися для визначення критичних температур та критичних полів, а також типу провідності при температурах понад критичну. Розрахунок зміни величини забороненої щілини в напівпровідникових шарах під впливом пружних деформацій проводився в межах анізотропної теорії пружності з урахуванням різниці пружних констант у напівпровідникових плівках.

Наукова новизна роботи. У поданій дисертаційній роботі вперше проведене систематичне дослідження надпровідних властивостей гетеросистеми PbTe/PbS. Показано, що перехід у надпровідний стан відбувається тільки при наявності суцільних дислокаційних сіток на границях розподілу напівпровідникових шарів, а самі надпровідні шари локалізовані на цих границях.

Вперше проведено пошук надпровідності в гетероструктурах: PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS, YbS/YbSe, YbS/EuS. Виявлено, що п'ять з них, що містять хоча б один вузькощілинний напівпровідник, переходять у надпровідний стан при температурах Tc=2,56,52(PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS). Це, як і результати дослідження критичних магнітних полів і вивчення структури міжфазних границь, дозволяє вперше доказово стверджувати, що надпровідність у подібних напівпровідникових системах обумовлена наявністю сіток дислокацій невідповідності.

Вперше показано, що під впливом пружних деформацій, основним джерелом яких є дислокаційна сітка, у вузькощілинних напівпровідниках поблизу міжфазної границі можливе перекриття дна зони провідності і стелі валентної зони, що приводить до металізації цієї границі. Розрахована геометрія металізованих областей.

Практичне значення отриманих результатів. Результатом представленої роботи є створення нового класу надпровідних багатошарових систем типу Sc/Sc (напівпровідник /напівпровідник), у яких надпровідність є "наведеним" ефектом, а не характерною властивістю компонентів цих систем. Надпровідність "наводиться" поблизу міжфазних границь в області металізації вузькощілинного напівпровідника. Металізація відбувається під впливом пружних напруг, що виникають через невідповідність параметрів кристалічних ґрат напівпровідників. Оскільки основним джерелом напруг є регулярні сітки дислокацій невідповідності, металізована область має періодичну структуру з періодом 3,323 нм, однозначно обумовленим величиною невідповідності параметрів кристалічних ґраток двох напівпровідників, для створення якої не потрібне застосування дорогих літографічних технологій. Таким чином, запропонована проста методика створення тривимірних періодичних наноструктур з унікальними властивостями.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає у проведенні експериментальної частини роботи, обробці отриманих експериментальних результатів, а також в активній участі в теоретичних розрахунках. Усі наукові статті дисертанта, що містять основні результати даної роботи, виконані у співавторстві. Дисертант брав безпосередню участь у написанні наукових статей і доповідав результати робіт на міжнародних конференціях і наукових семінарах.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, викладених у дисертації, були представлені на конференціях:

1. The 24th International Conference on the Physics of Semiconductors, Israel, Jerusalem, 1998.

2. 4th International Conference on Nanostructured Materials, Sweden, Stockholm, 1998.

3. Electron transport in mesoscopic system, Sweden, Goteborg, 1999.

4. International Conference on Low Temperature Physics LT-22, Helsinki, Finland, 1999.

5. International conference of European Materials Research Society E-MRS-2003.

6. Frontiers in Condensed Matter Physics, Russian Israeli Conference, 2003.

7. Наукова сесія МІФІ-2004, Москва, 2004.

Публікації. Результати досліджень, які представлені в дисертації, викладені в 4 статтях, які опубліковані у провідних вітчизняних та іноземних наукових виданнях:

1. N.A. Erenburg, A.Yu.A.and V.Semiconducting chalcogenide multilayers: structure and superconductivity// Physica B – 2000. – Vol. 284-288, Part . – P. 1123-1124.

2. A.N.Yu.A.A.V.and M. Norell. Structural investigations of superconducting multilayers consisting of semiconducting materials// Low Temp. Phys. – 2001. – Vol. , № . – P. 93-95.

3. N.A.Yu.A.A.and R.Novel superconducting semiconducting superlattices: dislocation-induced superconductivity?// Phys. Rev. Lett. – 2001. – Vol. 86, № . – P. 512-515.

4. N.Yu.O.A.E.A.V.R.and M. Jonson. Interfacial superconductivity in semiconducting monochalcogenide superlattices// Phys. Rev. B – 2002. – Vol. 66, № . – P. 174513.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, трьох доповнень, висновків і списку використаної літератури, що містить 55 найменувань. Загальний обсяг дисертації 100 сторінок, включаючи 24 рисунків і 8 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі здійснене обґрунтування актуальності теми, визначена мета роботи і методи її досягнення, перераховані основні результати, отримані в дисертаційній роботі, описана практична цінність результатів.

Розділ 1 (літературний огляд) присвячений огляду літератури з надпровідності напівпровідників, напівпровідникових надґраток, а також структури міжфазної межі епітаксіальних напівпровідникових гетероструктур.

Протягом понад сорока років після відкриття в 1911 р. Камерлінг-Оннесом надпровідності ртуті] надпровідні властивості були виявлені тільки у металів, сплавів і інтерметалічних сполук. Однак однозначного зв'язку між поняттями "метал" і "надпровідник" не було. Метали з маленьким питомим опором ?, такі як Cu, Au і Ag не виявляли надпровідних властивостей, а метали з великим ?, навпаки, мали високу критичну температуру (Pb – 7,2Tc – 7,8Nb – 9,25Найвищу ж серед металів Tc=23,2має сплав NbGe. Серед неметалів найбільш перспективними кандидатами у надпровідники були вироджені напівпровідники, концентрація носіїв у які залишається кінцевою при низьких температурах. У 1964 р. була відкрита надпровідність у GeTe13] і SrTіO3], а пізніше й у деяких інших напівпровідниках (SnTe], керамічних змішаних титанатів BaxSr1-xTі3 і CaySr1-yTі315], бінарній системі PbxSn1-xTe], Pb(Tl)Te17]). Критична температура напівпровідників, як і очікувалося, виявилася досить низькою (<0,55і тільки в Pb(Tl)Te Tc1,4чуттєвою до концентрації носіїв, стану домішкових рівнів і типу зонної структури. Висока концентрація носіїв, необхідна для досягнення максимальних Tc, досягалася або за рахунок допірування, або за рахунок нестихіометрії складу.

У 1986 р. була відкрита надпровідність у багатошаровій напівпровідниковій гетеросистемі PbTe/SnTe], а через два роки й у PbTe/PbS,9]. Температури надпровідного переходу складали ~6і 5,5відповідно, що набагато вище, ніж у відомих на той час надпровідних напівпровідників. Було запропоновано декілька пояснень надпровідних властивостей напівпровідникових надґраток. Надпровідність гетеросистеми PbTe/SnTe пояснювалась як наслідок випадіння фази свинцю, тому що використовувалися додаткові джерела свинцю при напилюванні обох напівпровідникових шарів]. Як механізм, що сприяє появі надпровідності в епітаксіальній гетероструктурі PbTe/PbS, розглядалася інверсія зон у шарах PbTe під дією псевдоморфних деформацій]. Автори робіт [9] припустили, що надпровідність у системі PbTe/PbS пов'язана з наявністю на міжфазних границях напівпровідникових шарів регулярних сіток дислокацій невідповідності, що утворюються для компенсації псевдоморфних напруг. Саме припущення про зв'язок надпровідності в епітаксіальній гетероструктурі PbTe/PbS з утворенням дислокаційних сіток на міжфазних границях і лягло в основу даної роботи.

У другому розділі описані характеристики напівпровідникових матеріалів, використаних для напилювання гетероструктур, методика приготування гетероструктур і методика транспортних вимірювань.

Для приготування напівпровідникових гетероструктур використовувалися халькогениди свинцю (PbTe, PbS, PbSe), олова (SnTe) і рідкісноземельних металів (EuS, YbS, YbSe). Халькогениди свинцю й олова є вузькощілинними напівпровідниками, халькогениди рідкісноземельних металів – широкощілинними. Усі ці напівпровідники мають ГЦК кристалічну структуру типу NaCl, з близькими параметрами елементарної комірки, і можуть бути використані для приготування епітаксіальних гетероструктур, у яких відбувається утворення дислокаційних сіток на міжфазних границях.

Усі досліджені гетероструктури формувалися шляхом послідовної конденсації пари відповідних напівпровідників на нагріту до 520570підложку у безмасляному вакуумі ~10-6 Торр. Товщина шарів і швидкість осадження контролювалися іn sіtu за допомогою кварцового резонатора. Халькогениди свинцю випаровувалися термічним шляхом із вольфрамових човників, а SnTe і халькогениди рідкісноземельних матеріалів _за допомогою електронно-променевого випару. При напилюванні використовувалися тільки стехіометричні мішені. Як підложка використовувалася свіжосколена поверхня (001) монокристалу KCl. Для деяких зразків системи PbTe/PbS як підложка використовувалася поверхня (111) лосняку. Для більшості багатошарових зразків кількість шарів дорівнювала 20.

Транспортні виміри проводилися по чотиризондовій схемі. Виміри залежностей R(T) у температурному діапазоні 4,2100проводилися у стандартному гелієвому кріостаті з теплою вставкою. Виміри залежностей R(T) і R(H) при T4,2 проводилися у стандартному гелієвому кріостаті з відкачкою пари гелію, оснащеному 5надпровідним соленоїдом. Критичні магнітні поля визначалися з резистивних переходів у магнітному полі за рівнем опору R=0,5Rn (Rn _опір зразка в нормальному стані). Критичні температури визначалися як з резистивних переходів R(T) за рівнем опору R=0,5Rn, так і з екстраполяції температурної залежності критичних магнітних полів.

Третій розділ присвячений дослідженню структурних властивостей напівпровідникових гетероструктур.

Дифракційні дослідження показали, що в надґратках, вирощених на поверхні (100) KCl, усі кристалографічні напрямки, як у підложці, так і в напівпровідникових шарах, збігаються (Рис. 1). Залишкові деформації у напівпровідникових шарах на два порядки менші невідповідності ґраток напівпровідників. Як показали електронно-мікроскопічні та електронно-дифрактометричні дослідження, у всіх гетеросистемах, вирощених на поверхні (001) KCl, релаксація псевдоморфних напруг відбувається шляхом утворення на міжфазній границі регулярної сітки дислокацій невідповідності (Рис. 2). Дислокаційна сітка складається з двох дислокаційних стінок зі взаємно ортогональними векторами Бюргерса типу a/2[110]. Значення експериментально отриманих періодів дислокаційних сіток Dg знаходиться у прекрасній згоді з їхніми теоретичними значеннями.

Надґратки, вирощені на поверхні (111) лосняку, містять блоки з двома різними орієнтаціями] і [111], перпендикулярними до площини шарів. Релаксація напруг, що виникають через невідповідність параметрів кристалічних ґраток напівпровідникових плівок, також відбувається за рахунок утворення на міжфазній границі дислокаційної сітки. Однак ця сітка нерегулярна і має вигляд окремих острівців, що не перекриваються, оскільки дислокації невідповідності з'являються тільки в областях, де розташовані блоки з орієнтацією [100].

На рентгенівських дифрактограмах гетеросистем, що містять PbS, інколи видні рефлекси, що відповідають вільному свинцю. У свіжовиготовлених зразках PbTe/PbS лінії свинцю часто були відсутні, однак це ніяк не впливало на його надпровідні властивості. Ніяких кореляцій між присутністю ліній свинцю і надпровідністю згодом виявлено не було.

У четвертому розділі представлені результати дослідження надпровідних властивостей гетеросистем PbTe/PbS.

По типу дислокаційних ґраток були досліджені три види зразків PbTe/PbS:

- зразки, вирощені на поверхні (100) KCl з дуже тонкими шарами напівпровідників (dPbTe, dPbS<5 нм), що містять лише незначну кількість дислокацій невідповідності, розташованих випадковим чином на міжфазній границі;

- зразки, вирощені на поверхні (100) KCl з тонкими шарами напівпровідників (dPbTe, dPbS~78 нм), і на поверхні (111) лосняку, що містять на міжфазній границі нерегулярну дислокаційну сітку у вигляді острівців, що не перекриваються;

- зразки, вирощені на поверхні (100) KCl з досить товстими шарами напівпровідників (dPbTe, dPbS>10 нм), що містять на міжфазній границі регулярну дислокаційну сітку, яка покриває всю міжфазну границю.

Зразки, що відносяться до першої групи, мають напівпровідниковий хід опору з температурою і не виявляють надпровідних властивостей. Зразки, що відносяться до другої групи, мають широкі і неповні надпровідні переходи (вставка на Рис. 3). Зразки, що відносяться до третьої групи, мають вузькі і повні надпровідні переходи (Рис. 3).

Температура надпровідного переходу не залежить від товщини шару PbTe і залежить від товщини шару PbS. При збільшенні dPbS від 7,5 до 20 нм Tc швидко зростає. При dPbS>50 нм спостерігається тенденція до насичення Tc (Рис. 4). Температура надпровідного переходу однакова для симетричних (dPbS=dPbTe), несиметричних (dPbS?dPbTe) надґраток і тришарових сендвічів PbS-PbTe-PbS.

У магнітному полі резистивні переходи R(T) розширюються, що пов'язано з дисипацією енергії при русі магнітних вихорів. Величина розширення залежить від напрямку магнітного поля. У нижній частині резистивних переходів (R/Rn<0,40,5) рух вихорів носить термоактиваційний характер. При цьому залежність опору від температури і магнітного поля описується законом Арреніуса: . Як для деяких ВТСП і звичайних надґратокенергія активації має зворотну кореневу залежність від магнітного поля . При відповідному виборі системи координат усі резистивні криві для різних значень H в області крипу потоку сполучаються на єдиній скейлінговій кривій (Рис. 5).

Критичне магнітне поле анізотропне, а на залежності паралельного критичного поля присутні особливості, характерні для 3D-2D розмірного кросовера, звичайного для шаруватих надпровідників (Рис. ). Період надпровідних шарів у симетричних надґратках, визначений зі значення поля 3D-2D кросовера, виявляється рівним половині періоду, отриманого з рентгенівської дифракції, тобто рівним відстані між сусідніми міжфазними границями.

Для зразку з малим числом шарів поблизу Tc також спостерігається 2D-3D кроссовер, характерний для тонких плівок (вставка до Рис. 6). Повна товщина зразка, визначена з залежності Hс2||(T) поблизу Tc, дорівнює відстані між нижньою та верхньою міжфазними границями (до неї не входить товщина крайніх напівпровідникових шарів).

Дослідження зразків з різною якістю дислокаційної сітки показує, що кращі надпровідні характеристики мають зразки з регулярною дислокаційною сіткою, а дослідження критичних полів свідчить про те, що надпровідними шарами в гетеросистемі PbTe/PbS є міжфазні границі, що містять ці сітки.

П'ятий розділ присвячений пошуку нових надпровідних напівпровідникових гетероструктур.

Оскільки у четвертому розділі було показано, що надпровідними шарами в гетеросистемі PbTe/PbS є міжфазні межі, які містять дислокаційні сітки, для пошуку надпровідності використовувалися напівпровідникові гетероструктури на основі халькогенидів свинцю (PbTe, PbS, PbSe), олова (SnTe) і рідкісноземельних металів (EuS, YbS, YbSe). Ці напівпровідники ростуть один на одному пошарово, з утворенням регулярної сітки дислокацій невідповідності на міжфазній межі. Свіжосколена поверхня (100) KCl використовувалася як підложка. Товщина напівпровідникових шарів дорівнює 100 нм. Цей вибір обумовлений тим, що в системі PbTe/PbS при товщині шару PbS більш ніж 50 нм Tc виходить на насичення (від товщини шару PbTe Tc не залежить). Для систем, на яких неможливо було провести дослідження на багатошарових зразках через їхнє розтріскування при термоциклюванні, використовувалися тришарові сендвічі. Як було показано при дослідженні системи PbTe/PbS, температура надпровідного переходу однакова як для багатошарових зразків, так і для тришарових сендвічів. Серед використаних напівпровідників є як вузькощілинні (PbTe, PbS, PbSe, SnTe), так і широкощілинні (EuS, YbS, YbSe).

Було досліджено 8 гетероструктур: PbTe/SnTe, PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS, YbS/YbSe, YbS/EuS. Шість із них перейшли у надпровідний стан. Уперше надпровідність була виявлена в системах PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS, а для системи PbTe/SnTe критична температура виявилася в два рази менша, ніж раніше повідомлялося]. Ця відмінність пов'язана з тим, що надпровідність дослідженої в] системи PbTe/SnTe, швидше за все, пов'язана з надлишковим вмістом свинцю. Ми ж використовували стехіометричні джерела напівпровідників і вважаємо, що в нашому випадку надпровідність обумовлена наявністю на міжфазних границях регулярних дислокаційних сіток. Для усіх надпровідних систем характерний металевий хід опору зі зниженням температури. У надпровідний стан не перейшли гетеросистеми, що складаються тільки із широкощілинних напівпровідників. Для них характерний напівпровідниковий хід опору. Кожна гетероструктура характеризується своїм періо-дом дислокаційної сітки Dg і своєю температурою надпровідного переходу Tc. Між ними спостерігається кореляція. При Dg=3,38,6 нм Tc практично не залежить від періоду, а при Dg>10 нм зменшується з його ростом (Рис. 7).

У шостому розділі розраховується зміна щілини у напівпровідникових шарах під дією пружних деформацій, що виникають як при рості гетероструктури, так і при її охолодженні до низьких температур.

У досліджуваних гетероструктур існує три джерела пружних деформацій: псевдоморфні деформації, деформації, створені дислокаційною сіткою, і деформації, що виникають при охолодженні гетероструктури. Псевдоморфні деформації виникають на початковій стадії росту напівпровідникових плівок і пов'язані з розходженням параметрів елементарних ґраток двох напівпровідників. Ці деформації однорідні і не залежать від координат. Деформації, створені дислокаційною сіткою, цілком компенсують псевдоморфні деформації в глибині напівпровідникового шару (на відстанях від міжфазної межі більше періоду дислокаційної сітки). Однак поблизу міжфазної межі вони не цілком компенсують псевдоморфні деформації і мають періодичний характер у площині міжфазної границі. При охолодженні гетероструктури виникають додаткові деформації напівпровідникових шарів через різницю коефіцієнтів температурного розширення напівпровідникових шарів і підложки. Ці деформації, як і псевдоморфні, однорідні.

Розрахунок деформацій від дислокаційної сітки проводився в рамках анізотропної теорії пружності з урахуванням різниці пружних констант у напівпровідникових плівках [18]. Отримані результати якісно збігаються з результатами розрахунку виконаного в рамках ізотропної теорії пружності без урахування різниці пружних констант [19].

Оскільки вузькощілинні напівпровідники, які входять до складу надпровідних гетероструктур мають негативну й аномально велику по абсолютній величині похідну dEg/dP, під впливом пружних деформацій поблизу міжфазної межі відбувається перекриття стелі валентної зони і дна зони провідності. Область, у якій відбувається це перекриття, має складну геометрію через неоднорідність пружних деформацій. У напівпровіднику з меншим параметром кристалічної ґратниці (PbS у системі PbTe/PbS) область металізації має вигляд квадратної сітки, що збігає за періодом з дислокаційною сіткою (Рис. 8 а). У напівпровіднику з більшим параметром кристалічної ґратки (PbTe у системі PbTe/PbS) область металізації має вигляд острівців, що лежать у центрах осередків дислокаційної сітки (Рис. 8 б).

ВИСНОВКИ

1. Дослідження надпровідних властивостей гетеросистеми PbTe/PbS показали, що для повного резистивного переходу у надпровідний стан необхідна наявність на міжфазних границях суцільних сіток дислокацій невідповідності.

2. Аналіз критичних полів для симетричних надґраток гетеросистеми PbTe/PbS показав, що надпровідними шарами є міжфазні границі, що містять суцільні сітки дислокацій невідповідності.

3. Вперше досліджено сім напівпровідникових гетероструктур: PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS, YbS/YbSe, YbS/EuS. У п'ятьох з них уперше виявлена надпровідність: PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS. Це дозволило істотно розширити клас напівпровідникових надґраток, що володіють надпровідними властивостями, і установити причину появи надпровідності в таких системах.

4. Встановлено, що температура переходу у надпровідний стан залежить від періоду дислокаційної сітки, що має визначене значення для кожної напівпровідникової гетероструктури. Критична температура росте зі зменшенням періоду дислокаційної сітки.

5. Усі надпровідні гетероструктури задовольняють трьом умовам: наявність суцільних сіток дислокацій невідповідності на міжфазних границях; металевий тип залежності опору від температури; наявність у складі композиції вузькощілинного напівпровідника.

6. Розрахунок пружних деформацій показав, що поблизу межфазної границі в вузькощілинному напівпровіднику під їх впливом відбувається перекриття дна зони провідності і стелі валентної зони, що приводить до металізації деякої частини приграничного простору. Область, у якій відбувається це перекриття, має складну геометрію через неоднорідність пружних деформацій. У напівпровіднику з меншим параметром кристалічної ґратки область металізації має вигляд квадратної сітки, період якої збігає з періодом дислокаційної сітки. У напівпровіднику з більшим параметром кристалічної ґратки область металізації має вигляд острівців, що лежать у центрах осередків дислокаційної сітки.

Список використаних джерел:

1. A.Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers// Chem. Rev. – 1996. – Vol. 96. – P. 1533-1554.

2. P.H.and A.Nanoscale electronic devices on carbon nanotubes// Nanotechnology – 1998. – Vol. 9, № . – P. 153-157.

3. S.M.H.A.R.L.and C.Individual single-wall carbon nanotubes as quantum wires// Nature – 1997. – Vol. 386. – P. 474-477.

4. H.J.A.E.A.and P.Nanomechanical oscillations in a single-C60 transistor// Nature – 2000. – Vol. 407. – P. 57-60.

5. A.C.W.and R.Nanomechanical Resonator Shuttling Single Electrons at Radio Frequencies// Phys. Rev. Lett. – 2001. – Vol. 87, № . – P. 96106.

6. V.and L. Palatnik. Electron microscopic images of dislocations and stacking faults. M.: Nauka 1976.

7. K.S.S.T.H.A.and M.Superconducting behavior in PbTe-SnTe superlattices// Surface Science – 1986. – Vol. 170, № . – P. 486-490.

8. О. А. Миронов, Б. А. Савицкий, А. Ю. Сипатов, А. И. Федоренко, А. Н. Чиркин, С. В. Чистяков и Л. П. Шпаковская. Сверхпроводимость полупроводниковых сверхрешеток на основе халькогенидов свинца// Письма в ЖЭТФ – 1988. – Т. 48, № . – С. 100-106.

9. О. А. Миронов, С. В. Чистяков, И. Ю. Скрылев, В. В. Зорченко, Б. А. Савицкий, А. Ю. Сипатов и А. И. Федоренко. Локализация параметра порядка на сетке дислокаций несоответствия сверхпроводящих сверхрешеток PbTe-PbS// Письма в ЖЭТФ – 1989. – Т. 50, № . – С. 300-334.

10. R.J.R.daier, B.R.and R.Superconductivity in the Sn1-xTe// Low Temperature Physics Conference – LT9. New York – 1965. – P. -606.

11. D.and T.Strain-induced superconductivity in lead salt superlattices// Phys. Stat. Sol. (b) – 1990. – Vol. 160, № . – P. 601-611.

12. Kamerling Onnes H// Leiden Comm. – 1911. – Vol. 122b. – P. 124.

13. R.J.R.R.and J.Superconductivity in germanium telluride// Phys. Rev. Lett. – 1964. – Vol. 12, № . – P. 320-322.

14. J.W.and M.Superconductivity in semiconducting SrTiO3// Phys. Rev. Lett. – 1964. – Vol. 12, № . – P. 474-475.

15. H.J.W.E.and W.Superconductivity in ceramic, mixed titanates// Phys. Rev. Lett. – 1966. – Vol. 16, № . – P. 579-581.

16. D.and R.Superconducting properties of PbxSn1-xTe// Sol. St. Comm. – 1974. – Vol. 15, № 6. – P. 1039-1042.

17. И. А. Черник и С. Н. Лыков. Объемная сверхпроводимость в легированном теллуриде свинца при 1,4 К// ФТТ – 1981. – Т. 23. – P. 1400-1406.

18. Л. А. Пастур и А. М. Косевич. Теория дислокаций: В 4 ч.: Препр./ АН Украины. Физико-технический ин-т. –Х., 1962. – Ч. 2: Некоторые задачи теории статических дислокаций. – 53 с.

19. A. Gurevich and E.Enhancement of superconductivity at structural defects in high-temperature superconductors // Phys. Rev. B – 1997. – Vol. 56, № 10. – P. 6213-6225.

Бомзе Ю. В. Структура та надпровідність напівпровідних гетероструктур халькогенидів свинцю, олова та рідкісноземельних металів – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України, Харків, 2005 р.

У представленій роботі досліджені надпровідні та структурні властивості напівпровідникових гетероструктур, які складаються з халькогенидів свинцю, олова та рідкісноземельних металів: PbTe/PbS, PbTe/SnTe, PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS, YbS/YbSe, YbS/EuS. Усі ці гетероструктури є тривимірними епітаксіальними надґратками. Модуляція фізичних характеристик у перпендикулярному до шарів напрямку забезпечується безпосередньо шаруватістю гетеросистем, а модуляція в площині шарів відбувається через наявність на поверхнях поділу між двома ізоморфними шарами регулярних сіток крайових дислокацій невідповідності.

Гетероструктури, що мають у своєму складі вузькощілинні напівпровідники (PbTe, PbS, PbSe, SnTe), мають металевий тип залежності опору від температури та переходять у надпровідний стан з Tc=2,56,52У гетероструктурах PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS та PbTe/YbS надпровідність винайдена вперше. Гетероструктури, що складаються лише з широкощілинних напівпровідників (YbS, YbSe, EuS), мають напівпровідний тип залежності опору від температури та не переходять у надпровідний стан. Дослідження гетеросистеми PbTe/PbS показало, що повний перехід у надпровідний стан мають лише зразки із суцільними дислокаційними сітками, а надпровідними шарами є міжфазні границі, що містять ці сітки.

Проведены расчеты в рамках анизотропной теории упругости, с учетом разности упругих констант в полупроводниковых слоях, и показано

Виконані розрахунки у рамках анізотропної теорії пружності, з урахуванням різниці пружних констант у напівпровідникових шарах, і показано, що під впливом пружних деформацій, створюваних дислокаційними сітками, в напівпровідникових шарах системи PbTe/PbS відбувається інверсія валентної зони і зони провідності поблизу міжфазної границі, що веде до її металізації. Область металізації може мати вид або сітки, період якої збігає з періодом дислокаційної сітки, або масиву острівців, що лежать у центрах осередків дислокаційної сітки.

Кореляція між появою надпровідності і наявністю дислокаційних сіток у системі PbTe/PbS, локалізація надпровідних шарів в області міжфазних границь у цій системі та відсутність надпровідності в гетероструктурах, що складаються з широкощілинних напівпровідників, дозволяє зробити твердження, що вперше доказана наявність діслокаційно-індуцированої надпровідності.

Ключові слова: надґратки, монохалькогениди, надпровідні напівпровідники, дислокаційна надпровідність.

Бомзе Ю.В. Структура и сверхпроводимость полупроводниковых гетероструктур, состоящих из халькогенидов свинца, олова и редкоземельных металлов – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины, Харьков, 2005 г.

В работе исследованы структурные и сверхпроводящие свойства полупроводниковых гетероструктур, состоящих из халькогенидов свинца, олова и редкоземельных металлов: PbTe/PbS, PbTe/SnTe, PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS, YbS/YbSe, YbS/EuS. Все эти гетероструктуры являются трехмерными эпитаксиальными сверхрешетками. Модуляция физических свойств в перпендикулярном к слоям направлении обеспечивается естественной слоистостью системы, а модуляция в плоскости слоев происходит за счет наличия на границах раздела изоморфных слоев регулярных сеток краевых дислокаций несоответствия.

Гетероструктуры, включающие хотя бы один узкощелевой полупроводник (PbTe, PbS, PbSe, SnTe), имеют металлический тип зависимости сопротивления от температуры и переходят в сверхпроводящее состояние с Tc=2,56,52В гетероструктурах PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, и PbTe/YbS сверхпроводимость обнаружена впервые. Гетероструктуры, состоящие только из широкощелевых полупроводников (YbS, YbSe, EuS), имеют полупроводниковый тип зависимости сопротивления от температуры и не переходят в сверхпроводящее состояние. Исследование гетеросистемы PbTe/PbS показало что полный переход в сверхпроводящее состояние испытывают только образцы со сплошными дислокационными сетками, а сверхпроводящими слоями являются межфазные границы, содержащие эти сетки.

Проведены расчеты в рамках анизотропной теории упругости, с учетом разности упругих констант в полупроводниковых слоях, и показано, что под влиянием упругих деформаций создаваемых дислокационными сетками, в полупроводниковых слоях системы PbTe/PbS происходит инверсия валентной зоны и зоны проводимости вблизи межфазной границы, что приводит к ее металлизации. Область металлизации может иметь либо вид сетки, совпадающей по периоду с дислокационной, либо вид массива островков, лежащих в центрах ячеек дислокационной сетки.

Корреляция между появлением сверхпроводимости и наличием дислокационных сеток в системе PbTe/PbS, локализацией сверхпроводящих слоев в области межфазных границ в системе PbTe/PbS, а также отсутствие сверхпроводимости в гетероструктурах, состоящих только из широкощелевых полупроводников, позволяет сделать утверждение, что впервые доказано существование нового типа сверхпроводимости, которая индуцируется дислокациями несоответствия.

Ключевые слова: сверхрешетки, монохалькогениды, полупроводниковые сверхрешетки, дислокационная сверхпроводимость.

Bomze Yu. Structure and superconductivity of the semiconducting heterostructures of lead, tin and rare-earth metals chalcogenides – Manuscript.

Thesis for the candidate’s degree by speciality 01.04.07 – solid state physics.

B.Institute for Low Temperature Physics and Engineering NAS of Ukraine, Kharkiv, 2005.

The superconducting and structural properties of semiconducting multilayers are investigated. These layered systems are obtained by epitaxial growth of the isomorphic monochalcogenides of Pb, Sn, and rare-earth elements on a KCl substrate. Some of these compounds are narrow-gap semiconductors (PbTe, PbS, PbSe, SnTe), the others are wide-gap semiconductors (YbSe, YbS, EuS). Altogether 9 heterostructures have been investigated: PbTe/PbS, PbTe/SnTe, PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS, YbS/YbSe, YbS/EuS.

The x-ray diffractometry investigations testify that for these systems all crystallographic directions in the substrate and in semiconducting layers coincide. Electron microscopy studies reveal that the interfaces between semiconductors contain regular grids of misfit dislocations covering all the interface area. Therefore investigated heterostructures are three dimensional superlattices. Modulation of physical properties in perpendicular to the layers direction is due to alternate deposition of two semiconductors, and modulation in the layer plane is due to deformation fields created by regular dislocation grids.

Investigation of the system PbTe/PbS shows that there are three categories of the samples from point of view of both superconductivity and structure of the interfaces. First group includes the samples with thick layers (> nm) grown on KCl substrate with dislocation grids, which cover all interfaces area. These samples reveal full transition into the superconducting state and have metallic dependence of resistance on temperature. The second group contains the samples with dislocation grids of the island type. These samples are the samples grown on KCl with layer thickness about 78 nm, and samples grown on mica substrate. All those samples reveal partial superconducting transition. The last group is the group, which contains the samples with thin layers (<5 nm) grown on KCl substrate. These samples do not reveal superconducting transition and have semiconducting behavior of resistance with temperature.

The critical magnetic fields and the resistive behavior in the magnetic field reveal features characteristic for other layered superconductors. The resistive transitions at any field orientations are considerably smeared. For perpendicular magnetic field the low-resistance parts of transitions (R<0,5Rn) are well described in terms of thermo-activated magnetic flux creep. The critical magnetic field is very anisotropic. The 3D-2D dimensional crossover is observed on the temperature dependences of the parallel critical magnetic field. The period of the superconducting structure, obtained from the 3D-2D crossover field, corresponds to half of that obtained from x-ray diffractometry investigations. This is evidence that the superconducting layers are confined to the interfaces between two semiconductors, which contain dislocations grids.

The investigation of other heterostructures shows that only systems, which contain at least one narrow-gap semiconductors have a metallic type of conductivity and have superconducting transition at temperatures in the range of 2,56,52 K. Systems containing only wide-gap semiconductors do not demonstrate such properties. The critical temperature reveals the correlation with period of dislocation grid. For systems with larger dislocation density (smaller period of dislocation grid) the critical temperature is usually larger. The superconductivity of PbSe/EuS, PbS/PbSe, PbTe/PbSe, PbS/YbS, PbTe/YbS was observed for the first time.

The correlations between the appearance of superconductivity and the presence of dislocations in the PbTe/PbS system, which have been found experimentally, and the fact that only systems containing the narrow gap semiconductor reveal superconducting properties allowed us to make conclusion that the superconductivity in the systems investigated is connected with band inversion in the narrow gap semiconductor arising due to the elastic deformation fields created by the misfit dislocation. Calculations of the energy gap value in the layers of PbTe/PbS system in approach of anysotropic elastic theory have been done. The difference in elastic constants for different semiconductors is taken into account. The calculation shows that in the both semiconductors near the interface the inversion of the conducting and valence bands takes place. It causes the metallization of semiconductors near the interfaces. Because of non-uniformity of the elastic deformation fields the regions of metallization have non-uniform shape. Since deformation fields into neighboring layers have different sign the shape of metallization regions also is different for different layers. Thus for semiconductor with smaller lattice constant (PbS in our case) the metallization region is the network, which periodicity coincides with that of dislocation grid. For semiconductor with larger lattice constant (PbTe in our case) the metallization region is the set of bubbles, which lie in the centers of the dislocation grid cells.

Thus the superconducting and structural properties of 9 semiconducting multilayers are investigated. The superconductivity of 5 of them was observed for the first time. It was shown that the superconductivity in such systems is connected with band inversion in narrow gap semiconductor near the interfaces between semiconducting layers; superconducting layers are localized on the interfaces. The band inversion is caused by deformation fields of misfit dislocation grids.

Keywords: superlattices, monochalcogenides, semiconducting superlattices, dislocation-induced superconductivity.

Відповідальний за випуск к. ф.-м. н. Юзефович О. І.

Підписано до друку 5.05.05. Формат 60х90 1/16. Друк різограф.

Папір офсетний. Обсяг 0,9 ум. друк. арк. Наклад 100 прим.

Зам. № 154.

______________________________________________________

Надруковано у центрі оперативної поліграфії ТОВ "Рейтинг".

61022, м. Харків, віл. Сумська, 37. Тел. (057) 700-53-51, 714-34-26