ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ
ім. О.Я. УСИКОВА
Губін Олексій Іванович
УДК 537.86
МІКРОХВИЛЬОВИЙ ВІДГУК НАДПРОВІДНИКІВ ПРИ КОВЗНИХ КУТАХ ПАДІННЯ ХВИЛІ
01.04.03 – радіофізика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Харків-2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України.
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор
Черпак Микола Тимофійович,
Інститут радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова
НАН України, м. Харків, старший науковий
співробітник відділу радіофізики твердого тіла.
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Мелков Геннадій Андрійович,
Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, м. Київ, професор кафедри кріогенної та мікроелектроніки;
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
Кісельов Володимир Костянтинович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України, м. Харків, завідувач відділу квазіоптики.
Захист відбудеться “ 18 ” жовтня 2007 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, Харків, вул. Акад. Проскури, 12, конференц-зала).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України
(61085, Харків, вул. Акад. Проскури, 12).
Автореферат розісланий “ 10 ” вересня 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Рудь Л.А.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Мікрохвильовий відгук надпровідників, зокрема високотемпературних, визначається їх комплексною провідністю. Остання є важливою характеристикою, що дозволяє визначати такі фундаментальні величини, як поверхневий імпеданс, глибина проникнення, щільність станів та ін. З іншого боку, комплексна провідність є мірою їх якості та є важливою, а в більшості випадків і визначальною характеристикою при застосуванні надпровідників у мікрохвильовій техніці. Таким чином, вимірювання комплексної провідності (або однозначно пов'язаного з нею поверхневого імпедансу) надпровідників має важливе значення як для фундаментальної фізики, так і для мікрохвильової техніки на основі надпровідників. Незважаючи на велику кількість опублікованих робіт, присвячених дослідженню комплексної провідності або поверхневого імпедансу у мікрохвильовому діапазоні, залишаються мало дослідженими особливості цих характеристик у нормальному стані. Такими, наприклад, є особливості надпровідників при температурах, біля та вищих за критичну TC, що проявляються як флуктуаційна провідність та псевдощілинний стан. Резонаторні методи дослідження комплексної провідності та поверхневого імпедансу адаптовано для вимірювання високих значень провідності, характерних для надпровідного стану. Дослідження цими методами зразків у нормальному стані ускладнені та мають велику похибку через те, що добротність резонансних систем, частиною яких є зразок високотемпературного надпровідника (ВТНП), сильно знижується і не завжди може бути виміряна з достатньою точністю. Крім того, резонаторні методи мають ще один істотний недолік, який полягає в можливості вимірювань, як правило, тільки на одній, резонансній, частоті. Нерезонанcні методи в принципі дозволяють проводити вимірювання у певному діапазоні хвиль. Відомим є нерезонансний метод з використанням лінії передачі на прохід, який дозволяє досліджувати плівки тільки малої товщини (меншої від глибини проникнення поля в зразок l). З іншого боку, добре відомо, що коефіцієнт відбиття від товстих плівок і масивних зразків з високою провідністю, таких як метали і надпровідники (у нормальному і надпровідному станах), близький до одиниці та змінюється мало навіть при зміні їх провідності у великих межах, що також не дозволяє досліджувати провідність з достатньою точністю. Таким чином, розробка і обґрунтування нерезонансного методу дослідження комплексної провідності товстих зразків надпровідників (та у загальному випадку всіх провідників), а також його реалізація, є актуальними.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до планів науково-дослідних робіт Інституту радіофізики і електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України в рамках держбюджетних тем: “Електромагнітні і акустичні явища НВЧ-діапазону в твердотільних структурах” (шифр “Кентавр-1” №ДР 0196U006106), “Дослідження електромагнітних і акустичних явищ НВЧ-діапазону в твердих тілах” (шифр “Кентавр-2” №ДР 0100U006335) , “Дослідження регулярних і стохастичних явищ, що обумовлені взаємодією електромагнітних хвиль і потоків заряджених часток з речовиною” (шифр “Кентавр-3” №ДР 0103U002260) і “Дослідження лінійних та нелінійних властивостей твердотільних структур із застосуванням електромагнітних хвиль НВЧ діапазону і заряджених часток” (шифр “Кентавр-4” №ДР 0106U011978).
Мета і задачі дослідження. Об'єктом досліджень є мікрохвильовий відгук надпровідників. Предметом досліджень є мікрохвильовий відгук ВТНП при ковзних кутах падіння у міліметровому діапазоні довжин хвиль. Метою роботи є експериментальне та теоретичне обґрунтування можливості дослідження комплексної провідності надпровідників за допомогою вимірювання коефіцієнта відбиття паралельно поляризованої хвилі при ковзних кутах падіння. При цьому необхідно дати фізичне пояснення ефекту підвищення чутливості коефіцієнта відбиття від зразка надпровідника до зміни його провідності з використанням ковзних кутів падіння хвилі. Вимірювання повинні мати високу чутливість для зразків ВТНП у нормальному стані і бути неруйнівними, тобто проводитися без зміни форми і розмірів зразка. Крім того, необхідно показати придатність розробленого підходу до завдань мікрохвильового дослідження ВТНП. Для досягнення сформульованої мети необхідно було розв’язати такі задачі:
1.
Теоретично дослідити коефіцієнт відбиття від структури “надпровідна плівка на діелектричній підкладці” при будь-яких кутах падіння залежно від температури, частоти та кута падіння хвилі.
2.
Вивчити електродинамічні властивості хвилеводних секцій, що реалізують падіння паралельно поляризованої хвилі на зразок під ковзними кутами.
3.
Експериментально обґрунтувати можливість вимірювання провідності надпровідників за допомогою вимірювання коефіцієнта відбиття паралельно поляризованої хвилі при ковзних кутах падіння.
4.
Експериментально обґрунтувати можливість оцінки надпровідних властивостей об'ємного зразка за результатами вимірювань властивостей у нормальному стані при кімнатній температурі.
5.
Показати можливість експериментального дослідження температурної залежності провідності плівок ВТНП вище за критичну температуру, зокрема, дослідження флуктуаційної провідності.
Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні даної роботи отримано такі нові результати:
1.
Експериментально і теоретично показано збільшення крутизни залежності коефіцієнта відбиття від провідності зразка при падінні паралельно поляризованої хвилі під ковзними кутами в мікрохвильовому діапазоні хвиль і вперше дано фізичне пояснення цьому ефекту.
2.
Показано і обґрунтовано нову можливість дослідження провідності надпровідних матеріалів нерезонансним методом з використанням знайдених особливостей відбиття за ковзних кутах падіння.
3.
Показано кореляцію властивостей надпровідника в нормальному та надпровідному станах.
4.
Експериментально досліджено провідність YBCO плівки і знайдено прояв флуктуаційної 2D-провідності в інтервалі температур від критичної до 115 К за допомогою вимірювання коефіцієнта відбиття при куті падіння q0=80o у 6-мм діапазоні довжин хвиль.
Практичне значення одержаних результатів. Дослідження мікрохвильової провідності за допомогою вимірювання коефіцієнта відбиття при ковзних кутах падіння паралельно поляризованої хвилі може бути використане як у фундаментальній фізиці для визначення особливостей надпровідних матеріалів у нормальному стані, так і для визначення мікрохвильових характеристик ВТНП з метою створення на їх основі мікрохвильових пристроїв таких, як лінії передачі, лінії затримки, резонатори, фільтри, генератори і т.д. Вимірювання коефіцієнта відбиття дозволяє досліджувати температурні залежності провідності плівок і об'ємних зразків ВТНП, на основі яких можна отримати такі важливі параметри ВТНП як глибина проникнення мікрохвильового поля в надпровідник, поверхневий імпеданс. Можливою стає оцінка імпедансних властивостей надпровідника шляхом дослідження відбивних властивостей при кімнатній температурі. Крім того, метод вимірювання коефіцієнта відбиття при ковзних кутах падіння може бути застосовано для дослідження провідності інших матеріалів, провідність яких змінюється під дією різних зовнішніх чинників (частота, температура, магнітне поле і т.д.), наприклад, зразків з колосальним магнетоопором.
Особистий внесок здобувача. Публікації, які складають основу дисертаційної роботи, виконано в співавторстві. Особистий внесок претендента полягає у: теоретичному дослідженні відбивних властивостей структури “ВТНП плівка – діелектрична підкладка” при довільних кутах падіння паралельно поляризованої хвилі [2], експериментальному виявленні збільшення чутливості коефіцієнта відбиття до зміни провідності YBCO зразка і експериментальному обґрунтуванні можливості дослідження його мікрохвильових властивостей при падінні паралельно поляризованої хвилі під ковзними кутами [1,3], експериментальному дослідженні зразків з колосальним магнетоопором за допомогою вимірювання коефіцієнта відбиття від них при ковзних кутах падіння у міліметровому діапазоні довжин хвиль [4,6], експериментальному дослідженні об'ємних властивостей ВТНП і спільному із співавторами знаходженні кореляції властивостей зразка у надпровідному стані з властивостями у нормальному при кімнатній температурі [5,8], проведенні температурних вимірювань поверхневого імпедансу ВТНП тонких Nb плівок резонаторним і нерезонансним методами, проведенні спільно з іншими авторами аналізу даних, отриманих обома методами [7,9].
Апробація результатів дисертації. Матеріали і результати досліджень доповідалися і обговорювалися на таких конференціях:
·
Supraleitung und Tieftemperaturtechnik, Tagungsband zum 7, Statusseminar 14, und 15, Germany, Garmisch-Partenkirchen, 2000;
·
XIV Seminar on High-temperature Superconductors, Russia, Moscow, 2001;
·
International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter waves (MSMW-2001), Ukraine, Kharkov, 2001;
·
19th General Conference of the Condensed Matter Division of European Physical Society, Brighton, Great Britain, 2002;
·
7th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High temperature Superconductors (M2S-RIO), Brazil, Rio de Janeiro, 2003;
·
16-я Междунар. Крымская конф.”СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”, Украина, Севастополь, 2006;
Публікації. Основні результати, що увійшли до дисертації, відображено у 15 надрукованих роботах, зокрема у 9 статтях та 6 тезах конференцій.
Структура і об'єм роботи. Дисертація складається з п'яти розділів, вступу, висновку і списку використаних джерел, що включає 83 найменування. Дисертація має загальний об'єм 132 сторінки, зокрема 123 сторінки основного тексту і 59 рисунків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі викладається актуальність і обґрунтовується необхідність виконання роботи, формулюються мета і задачі досліджень. Показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.
У розділі 1 приводяться основні співвідношення, які описують комплексну провідність ВТНП. Описуються сучасні резонаторні та нерезонанcні методи вимірювання комплексної провідності і поверхневого імпедансу надпровідників та проводиться їх порівняльний аналіз. Приведено основні співвідношення, що визначають флуктуаційну провідність надпровідників.
У розділі 2 проведено теоретичний аналіз коефіцієнтів відбиття і проходження електромагнітної хвилі крізь двошарову структуру “ВТНП плівка – діелектрична підкладка” у мікроволновому діапазоні. Повні коефіцієнти відбиття і проходження визначені за допомогою оптичної термінології з урахуванням усіх перевідбивань від меж розділу середовищ у двошаровій структурі, а також набігу фаз при проходженні шару певної товщини. Коефіцієнти відбиття і проходження від межі розділу двох середовищ визначено за допомогою формул Френеля для плоскої паралельно поляризованої хвилі, що падає під довільним кутом [1]. Кути заломлення при проходженні межі розділу двох середовищ визначено за допомогою закону Снелліуса. Для моделювання температурної залежності провідності ВТНП було використано модифіковану дворідинну модель надпровідності [2]. Дана модель враховує залишковий опір надпровідника при низьких температурах, а також має змінний параметр ступеня температурної залежності. За допомогою моделі отримано залежність діелектричної функції від температури як у надпровідному, так і в нормальному станах.
Залежності коефіцієнта відбиття і проходження від товщини плівки і температури показали, як і слід було очікувати, неможливість дослідження властивостей масивних зразків і плівок типової товщини 300 нм при нормальному падінні завдяки практично нульовому коефіцієнту проходження і близькості до одиниці коефіцієнта відбиття зі слабкою його зміною при переході з надпровідного у нормальний стан, що вказує на непридатність такого підходу до вивчення товстих надпровідників. Залежність коефіцієнта відбиття при падінні паралельно поляризованої хвилі під довільними кутами для тонких плівок практично не дає виграшу в збільшенні різниці коефіцієнта відбиття при переході із надпровідного до нормального стану, тоді як для товстих плівок і масивних зразків спостерігається різке збільшення цієї різниці при кутах падіння у 80 градусів і вище. Знайдена особливість пояснюється тим, що залежність коефіцієнта відбиття до зміни провідності зразка зростає при наближенні кута падіння до кута Брюстера, який у випадку падіння хвилі на поверхню метала дорівнює приблизно 90°. Для зручності аналізу було введено фактор збільшення, визначений як відношення різниці коефіцієнта відбиття у надпровідному і нормальному станах при певному куті падіння до цієї ж різниці при нормальному падінні
. (1)
Фактор збільшення підвищується із збільшенням товщини плівки при ковзних кутах падіння. Для товстих плівок і масивних зразків цей фактор зростає більше, ніж на порядок при ковзних кутах падіння (рис.1). Зокрема показано, що при переході із інфрачервоного у міліметровий діапазон фактор збільшення навіть певною мірою підвищується. Отже, при застосуванні ковзних кутів падіння паралельно поляризованої хвилі відкривається можливість дослідження мікрохвильових властивостей надпровідників.
Рис. 1. Кутова залежність фактора збільшення dR на частотах f=62 Ггц для двошарової структури для різних значень товщини плівки
У розділі 3 проведено електродинамічний аналіз і порівняння різних хвилеводних секцій, що реалізують падіння хвилі під довільними кутами у 3 см діапазоні хвиль. Вперше експериментально показано збільшення чутливості коефіцієнта відбиття при застосуванні ковзних кутів падіння у хвилеводі порівняно з нормальним падінням у міліметровому діапазоні довжин хвиль. На підставі аналізу і порівняння хвилеводних секцій з кутковим вигином і похилою короткозамикальною площиною було вибрано варіант із похилою короткозамикальною площиною у вигляді досліджуваного зразка, що реалізує падіння хвилі під кутом 80 градусів, вибраним як оптимальне значення між підвищенням фактору збільшення (уведеному в розділі 2), з одного боку, та збільшенням площі досліджуваного зразка, з іншого. Досліджуваний зразок притискується до вимірювального вікна, утвореного зрізом хвилеводу 6 мм діапазону під кутом 10 градусів, за допомогою пружини через мідну пластину, в якій розміщується температурний датчик (рис.2).
Рис.2. Вимірювальна секція з похилою короткозамикальною площиною.
У розділі описано експериментальну установку, в основу якої покладено фазовий міст. Сигнал від генератора мікрохвильового випромінювання Г4-141 розподіляється на 2 плеча: опорне і вимірювальне. У опорному плечі розміщуються удосконалені атенюатор і фазообертач з приводом на крокові двигуни. У вимірювальному плечі знаходиться розв'язувальний атенюатор, циркулятор і хвилеводна секція, розташована в кріостаті. Кріостат дозволяє проводити вимірювання в інтервалі температур від кімнатної до кипіння рідкого азоту. Циркулятор виконує функцію розв'язування падаючої та відбитої від зразка хвилі. Сигнал з обох плечей після детектування та посилення надходить до пристрою синхронізації і далі у комп'ютер.
За допомогою ПК через пристрій синхронізації проводяться вимірювання температури, компенсація фазового моста і вимірювання внесених втрат і зсув фаз за допомогою розробленого програмного забезпечення, яке дозволяє у реальному часі відображати залежності втрат і зсуву фаз від температури.
У розділі 4 експериментально отримано підтвердження збільшення крутизни залежності коефіцієнта відбиття від провідності зразка ВТНП при його розміщенні у хвилеводі 6 мм діапазону довжин хвиль під ковзним кутом (рис.3).
Розділ також присвячено дослідженню особливості температурної залежності втрат в секції з ВТНП об'ємним зразком у випадку утворення хвилеводного мікроканалу між зразком, що досліджується, та хвилеводним фланцем, яка полягає у появі за певних умов піку поглинання (рис.4). У даному випадку мікроканал має ширину, рівну ширині стандартного хвилеводу, та малу висоту (1 мкм). При дослідженні даної секції на частоті 41 ГГц виявлено немонотонну залежність КСХ від довжини каналу і наявність мінімуму КСХ при певній довжині мікроканала, причому цей мінімум знаходиться при різних довжинах для різних зразків, отже, залежить від провідності зразка.
Рис.3. Температурна залежність коефіцієнта відбиття від секцій з об'ємним зразком YBa2Cu3O7-d, що реалізують: нормальне падіння в секції із короткозамикальною площиною (a); падіння під кутом 80 градусів в кутковому вигині (b); падіння під кутом 80 градусів в секції з похилою короткозамикальною площиною (c).
Рис.4. Втрати в секції з текстурованим зразком YBCO залежно від температури при наявності мікроканалу (прямокутники) та без нього (кола).
Дослідження температурної залежності втрат при різних довжинах мікроканалу із ВТНП зразком у вигляді широкої стінки також виявили пік втрат (відповідно, мінімум КСХ), положення якого змінюється на температурній шкалі в залежності від довжини каналу. Також було виявлено залежність положення максимуму втрат від висоти мікроканалу, при цьому показано, що при зменшенні висоти мікроканалу пік зсувається в область вищих температур. Вся сукупність знайдених особливостей пояснюється за допомогою теорії хвилеводів з імпедансними стінками. У даному випадку мода в хвилеводі відрізняється від фундаментальної моди H10 і довжина хвилі в хвилеводі залежить як від імпедансу провідної стінки, так і від висоти хвилеводу. Розрахунок, проведений з використанням модифікованої моделі надпровідності, показує, що перехід зразка із нормального в надпровідний стан має характер, більш виражений при малих висотах мікроканалу (< 100 мкм).
У розділі 5 проведено експериментальне дослідження об'ємних властивостей зразка YBa2Cu3O7-d з лінійними розмірами 20х20х15.5 мм3, який згодом було розрізано на пластинки по товщині зразка перпендикулярно осі с (вісь c перпендикулярна купратним площинам). Для всіх отриманих граней у площині ab було проведено температурні дослідження поглинання, з яких видно загальне збільшення втрат від верхньої площини зразка до нижньої площини і невелике збільшення втрат на верхній площині, пов'язане з наявністю затравочного кристала на поверхні, який має гірші властивості, ніж сам зразок. Отримані залежності говорять про поліпшення надпровідних властивостей зразка (збільшенні провідності) в його об’ємі від нижньої грані до верхньої, що узгоджується з даними аналізу за допомогою вимірювання сили левітації, проведеного відразу після вирощування зразка в Інституті високих технологій (Йена, Німеччина) [3]. Крім того, перед розрізанням зразка було знято залежність КСХ у нормальному стані при кімнатній температурі від положення вимірювального вікна на поверхні зразка. При пересуванні по бічній грані від нижньої площини з гіршими властивостями до верхньої спостерігаються: збільшення КСХ та максимальні значення його на верхній площині з провалом в центрі, пов'язаним з властивостями затравочного кристалу, зменшення КСХ при просуванні по протилежній бічній грані і практично однакові та низькі значення на нижній площині. Отримані залежності дозволяють говорити про кореляцію властивостей зразка у надпровідному стані з властивостями у нормальному. Дані для КСХ, що отримані на бічній грані, яка містить вісь с до розрізування, добре узгоджуються з даними для втрат, отриманими в площині ab як в нормальному, так і в надпровідному станах після розрізування зразка (рис.5), що говорить про можливість оцінки якості надпровідних об'ємних зразків у нормальному стані при кімнатній температурі без застосування температурних циклів вимірювання. Ця обставина досить важлива при створенні електротехнічного обладнання на основі високотемпературних надпровідників, де більшість масивних деталей виготовляються із складових частин. Через те, що масивні деталі повинні виготовлятися із однорідного матеріалу, важливо мати можливість тестування кожного із зразків з метою відбору їх з максимально близькими фізичними властивостями. На практиці для дослідження властивостей зразків використовуються температурні цикли вимірювань. Тому використання виявленої кореляції і можливість дослідження властивостей зразків у нормальному стані при кімнатній температурі може істотно спростити процес тестування окремих зразків, призначених для виготовлення певної масивної частини сильнострумового обладнання.
Рис.5. Залежність втрат у надпровідному (квадрати) і нормальному (крапки) станах від відстані від нижньої площини h, виміряних в ab-площині, а також залежність КСХ на бічній грані, паралельній осі с, у нормальному стані при кімнатній температурі.
У розділі описується процес проведення калібрування [4], необхідний для одержання абсолютних значень коефіцієнта відбиття від самого зразка, необхідний для визначення комплексної провідності. Виміряний коефіцієнт відбиття пов'язано з дійсним коефіцієнтом відбиття за допомогою виразу, що містить три калібрувальні коефіцієнти. Для їх отримання проведено вимірювання температурних залежностей коефіцієнта відбиття матеріалів з відомими характеристиками – титану, міді і поглинача. Після розв’язування системи із 3-х рівнянь отримано температурні залежності 3-х калібрувальних коефіцієнтів, за допомогою яких визначено коефіцієнт відбиття безпосередньо від зразка. Для перевірки правильності калібрування і вимірювання проведено порівняння провідності різних матеріалів (рис.6), отриманих даним методом, а також методом на основі застосування квазіоптичного діелектричного резонатора (КДР метод) з хвилями типу шепочучої галереї [5]. Дослідження зразків дюралюмінію, об'ємного зразка YBCO і кремнію показали достатньо хорошу відповідність даних, отриманих обома методами в межах їх похибок, підтверджуючи достовірність результатів вимірювання.
Як відомо, флуктуаційна провідність виявляє себе більшою мірою на плівках з недостатнім вмістом кисню. З цією метою було проведено відпал серії плівок YBCO у вакуумі протягом 10 хвилин при різних температурах. Необпалена плівка має TС=87 К і найменші втрати з усієї серії. Ширина надпровідного переходу для даної плівки дорівнює 2,8 К. На плівці, підданій відпалу при температурі 200оС відбувається збільшення критичної температури до 89,7 К із загальним збільшенням ширини переходу до 5,1 К і збільшенням загального рівня втрат. При подальшому відпалі спостерігається збільшення втрат, збільшення ширини переходу (6,2 К для плівки, підданої відпалу при температурі 250оС), зменшення критичної температури (89,5 для плівки що відпалена при 250оС і зникнення надпровідного переходу аж до азотних температур на плівці, підданій відпалу при температурі 300оС.
Рис.6. Провідність різних матеріалів, що отримана за допомогою нерезонансного (при ковзному куті падіння) та резонаторного (на основі КДР) методів вимірювання
Температурні залежності для всіх плівок даної серії не показують будь-якого помітного відхилу експериментальних даних від лінійної температурної залежності опору, характерної для металів, тому що не проявляють парапровідності, яка спостерігалася іншими дослідниками поблизу TC у зразках із недостатнім вмістом кисню. Отриманий результат, очевидно, пов'язаний з неоднорідністю властивостей плівок по товщині. Цей висновок підтверджується збільшенням ширини надпровідного переходу, збільшенням критичної температури, а також результатами проведеного рентгеноструктурного аналізу. З метою вимірювання плівки, про однорідність якої наперед було відомо, з недостатнім вмістом кисню було обрано надпровідну плівку, яка певною мірою деградувала, про що свідчать вимірювання поверхневого імпедансу за допомогою сапфірового квазіоптичного діелектричного резонатору (10 мОм відразу після напилення, та 0,1 Ом після деградування). Проведені дослідження показують, що на температурній залежності провідності даної плівки спостерігається відмінність експериментальних даних від лінійної залежності опору при температурах від 115 К до критичної температури переходу. Найкращий збіг знайденої парапровідності з відомими моделями має місце при використанні моделі флуктуаційної провідності у двовимірному випадку [6]. 2D-модель може бути наслідком сильної анізотропії зразка YBCO та слабкого зв'язку між шарами у напрямі осі с при температурах вище критичної. Як показують обчислення, крива з параметром “відсікання” L=0,75 (рис.7) добре описує отримані експериментальні дані від температури 115 К, рівної приблизно 1,25TС, що узгоджується з даними інших авторів, до практично температури надпровідного переходу, де зв'язок надпровідних шарів зразка YBCO посилюється і провідність переходить в тривимірну.
Отримана залежність, а також відповідність даних про парапровідність відомій моделі 2D флуктуаційної провідності дозволяє говорити про ефективність даного методу при дослідженні провідності надпровідників у нормальному стані.
Рис.7. Температурна залежність флуктуаційної частини провідності (експериментальні точки) і теоретична оцінка 2D провідності для значень параметра “відсікання” Л: 1 - штрихова лінія, 0,75 - суцільна лінія, 0,25 - пунктирна лінія.
Крім того, проведено дослідження зразків з колосальним магнетоопором, що показує можливість вивчення провідності і інших матеріалів, властивості яких змінюються під впливом різних зовнішніх факторів, наприклад, температури, магнітного поля і т.д.
ВИСНОВКИ
У даній дисертаційній роботі розв’язано задачу використання відбивних властивостей ВТНП при падінні паралельно поляризованої хвилі під ковзними кутами для дослідження їх мікрохвильових характеристик у міліметровому діапазоні довжин хвиль. В ході виконання роботи було отримано такі основні результати:
1.
Теоретично показано збільшення приблизно на порядок чутливості коефіцієнта відбиття від структури ВТНП плівка – діелектрична підкладка до зміни провідності при ковзних кутах падіння (і80°) p-поляризованої хвилі у мікрохвильовому діапазоні порівняно з чутливістю при нормальному падінні. Вперше в мікрохвильовому діапазоні цей ефект зареєстровано експериментально в хвилеводі з плоским похилим зразком ВТНП та дано фізичне пояснення йому на основі особливостей відбиття при кутах, близьких до кута Брюстера,.
2.
Створено експериментальну установку на основі нової вимірювальної секції із зразком, який досліджується, і фазового мосту з комп'ютерним управлінням та удосконаленими у роботі вимірювальними атенюатором та фазообертачем, що дозволяє вимірювати коефіцієнт відбиття при ковзних кутах падіння у широкому температурному інтервалі в 6-мм діапазоні довжин хвиль.
3.
Знайдено кореляцію властивостей об'ємного текстурованого зразка YBCO в S- та N-станах і, таким чином, показана можливість тестування об'ємних надпровідних зразків за допомогою вимірювань при кімнатній температурі.
4.
Показано і обґрунтовано можливість дослідження імпедансних властивостей надпровідників за допомогою вимірювання коефіцієнта відбиття при ковзних кутах падіння в прямокутних хвилеводах з плоским зразком при великих кутах падіння (і 80°). Метод також може бути використано для дослідження інших матеріалів, провідність яких змінюється під впливом зовнішніх факторів, наприклад, матеріалів із колосальним магнетоопором.
5.
Методом відбиття при ковзних кутах падіння визначено провідність плівки YBCO в широкому температурному інтервалі, показано прояв парапровідності плівки в області температур 92-115 К і знайдено відповідність отриманих результатів відомій моделі 2D флуктуаційній провідності на основі рівнянь Гінзбурга-Ландау, залежних від часу.
СПИСОК ПРАЦЬ, ЩО ЦИТУЮТЬСЯ В АВТОРЕФЕРАТІ
1.
Feenstra B.J. Low energy electrodynamics of high-TC superconductors: Proefschrift (University of Groningen, the Netherlands), 1997.-162p .
2.
Vendik O.G., Vendik I.B., and Kaparkov D.I. Empirical Model of the Microwave Properties of High-Temperature Superconductors // IEEE Trans. on Microwave Theory Tech. -1998. -Vol.46. -P.469-478.
3.
Litzkendorf D., Habisreuther T., Wu H., Shasser T., Zeisberger M., Gawalek W., Helbig M., Gornent P. // Mat. Sci.Eng. -1998. -Vol.B53. -P.75-78.
4.
Booth J. C., Wu D. H., Anlage S. M. A Broadband Method for the Measurement of the Surface Impedance of Thin Films at Microwave Frequencies // Rev. Sci. Instrum. -1994. -Vol.65. -P.2082.
5.
CherpakBarannikProkopenkoFilippovVitusevichA. Microwave properties of HTS films: measurements in millimeter wave range // Физика низких температур. -2006. -Т.39. -С.795-801.
6.
Silva E. Frequency-dependent fluctuational conductivity above TC in anisotropic superconductors: effects of a short wavelength cutoff // Eur. Phys. J. B. -2004. -Vol.37. -P.277-289.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАННЫХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1.
Cherpak N.T., Lavrinovich A.A., Gubin A.I. Microwave reflectivity of the HTS oblique plate in a waveguide // Telecommunications and Radioengineering. -1999. -Vol.53, №11. -P.39-41.
2.
Губин А.И., Лавринович А.А., Черпак Н.Т. Микроволновая отражательная способность структуры “ВТСП пленка – диэлектрическая подложка” при произвольных углах падения // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины им. А.Я. Усикова.- 2001. -Т.6, №1. -С. 110-116.
3.
Губин А.И., Лавринович А.А., Черпак Н.Т. Микроволновое отражение ВТСП образцов в волноводных E – структурах // Письма в ЖТФ. -2001. -Т.27, №8. -С.64-67.
4.
Belevtsev B.I., Cherpak N.T., Chukanova I.N., Gubin A.I., Krasovitsky V.B., Lavrinovich A.A. Direct-current transport properties of and microwave absorption in a bulk ceramic sample and a film of La0.5Sr0.5CoO3?д : magnetic inhomogeneity effects // J. Phys.: Condens. Matter. -2002. -Vol.14. -P. 2591-2603.
5.
Cherpak N.T., Gawalek W., Golubnichaya G.V., Gubin A.I., Kirichenko A.Ya., Lavrinovich A.A., Litzkendorf D., Maximchuk I.G. High-frequency absorption in melt-textured high-Tc YBaCuO superconductors // Physica C. -2002. -Vol.372-376. -P.1123-1126.
6.
Belevtsev B.I., Cherpak N.T., Chukanova I.N., Gubin A.I., Krasovitsky V.B., Lavrinovich A.A. Magnetic inhomogeneity e ects in DC transport properties and microwave absorptionof La0.5Sr0.5CoO3-delta // Physica E. -2003. -Vol.18. -P.304-305.
7.
Ilin K.S., Vitusevich S.A., Jin B.B., Gubin A.I., Klein N., Siegel M. Peculiarities of the thickness dependence of the superconducting properties of thin Nb films // Physica С. -2004. -Vol.408-410, -P.700-702.
8.
Cherpak N.T., Gubin A.I., Lavrinovich A.A., Gawalek W., Litzkendorf D. Microwave bulk properties of melt-textured high-TC YBa2Cu3O7?д superconductors // Supercond. Sci. Technol. -2004. -Vol.17. -P.645–648.
9.
Gubin A.I., Il’in K.S., Vitusevich S.A., Siegel M., Klein N. Dependence of magnetic penetration depth on the thickness of superconducting Nb thin films // Phys. Rev. B -2005. -Vol.72. -P. 064503-1 - 064503-8.
10.
Cherpak N.T., Lavrinovich A.А., Gubin A.I. Grazing Incidence Microwave Reflectivity of the HTS Film – Dielectric Substrate Structures: Modeling and Experiment // “Supraleitung und Tieftemperaturtechnik” Tagungsband zum 7, Statusseminar 14 und 15. -Garmisch-Partenkirchen (Germany). -2000. -P. 297.
11.
Cherpak N.T., Lavrinovich A.А., Kirichenko А.Ya., Golubnichaya G.V., Maximchuk I.G., Gawalek W., Litzkendorf D. Melt-textured high-TC YBaCuO superconductors in millimeter-wave and radiofrequency fields // Труды XIV семинара по высокотемпературной сверхпроводимости. -Москва (Россия). -2001. -С. 4-5.
12.
Cherpak N.T., Lavrinovich A.А., Kirichenko А.Ya., Golubnichaya G.V., Maximchuk I.G., Gawalek W., Litzkendorf D. Millimeter-Wave and Radiofrequency Absorption in Melt-Textured High-TC YbaCuO Superconductors // Proc. of International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW-2001). -Kharkov (Ukraine). -2001. -P. 351-353.
13.
Krasovitsky V.B., Belevtsev B.I., Cherpak N.T., Chukanova I.N., Gubin A.I., Lavrinovich A.A. Magnetic inhomogeneity effects in DC transport properties and microwave absorption of bulk ceramic sample and film of La(0.5)Sr(0.5)CoO(3) // Abstract book of 19th general conference of the condenced matter division of European Physical Society. -Brighton (Great Britain). -2002. -P. 12.
14.
Ilin K.S., Vitusevich S.A., Jin B.B., Gubin A.I., Klein N., Siegel M. Peculiarities of the thickness dependence of the superconducting properties of thin Nb films // Proc.7th international conference on materials and mechanisms of superconductivity and high temperature superconductors (M2S-RIO). -Rio de Janeiro (Brazil). -2003. -P.166.
15.
Губин А.И., Лавринович А.А., Черпак Н.Т. Микроволновый метод исследования ВТСП и родственных материалов при скользящих углах падения // Труды 16-й Междунар. Крымской конф. ”СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. -Севастополь (Украина). -2006. -С.782-783.
АНОТАЦІЯ
Губін О.І. Мікрохвильовий відгук надпровідників при ковзних кутах падіння хвилі. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата физіко-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика – Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, 2007.
Роботу присвячено обгрунтуванню можливості дослідження комплексної провідності надпровідників за допомогою вимірювання коефіцієнта відбиття паралельно поляризованої хвилі при ковзних кутах падіння. З цією метою досліджено електродинамічні властивості хвилеводних секцій 6 мм діапазону довжин хвиль, що реалізують падіння під ковзними кутами. Вивчено характерні особливості даних секцій, зокрема особливість, що виявляється у вигляді максимума на температурній залежності поглинання в секції з похилою короткозамикальною площиною об'ємного зразка YBCO за наявності мікроканалу. З метою підтвердження достовірності проведено дослідження декількох зразків методом вимірювання коефіцієнта відбиття при ковзних кутах падіння та методом із застосуванням квазіоптичного діелектричного резонатора з хвилями шепочучої галереї, які показують хорошу відповідність даних в межах похибок обох методів. Досліджено об'ємні властивості текстурованого зразка YBCO і показано кореляцію властивостей у нормальному стані як в площині, що містить вісь с, так і в площині ab з властивостями у надпровідному стані в площині c, що свідчить про можливість тестування зразка по результатам вимірювання при кімнатній температурі. Досліджено провідність плівки YBCO методом вимірювання коефіцієнта відбиття при ковзних кутах падіння паралельно поляризованої хвилі у нормальному стані у широкому температурному діапазоні. Знайдено наявність парапровідності в діапазоні температур 92-115К. Отримані дані про парапровідність відповідають відомій моделі 2D флуктуаційної провідності в інтервалі температур від 115 К до критичної температури переходу, при якій зв'язок між надпровідними шарами плівки зростає і провідність переходить у тривимірну.
Ключові слова: комплексна провідність, високотемпературні надпровідники, ковзні кути падіння.
SUMMARY
Gubin А.I. Microwave response of superconductors at wave incidence grazing angles. – Manuscript.
Thesis for candidate’s degree by speciality 01.04.03 – radiophysics. Usikov Institute of Radiophysics and Electronics NAS of Ukraine, Kharkiv, 2007.
The thesis is devoted to the justification of possibility to study complex conductivity by p-polarized grazing incidence reflectivity measurements. In this connection electrodynamic properties of the 6 mm range waveguide section realizing grazing wave incidence were studied. The waveguide section features were observed, for example, maximum on the temperature dependence of waveguide section losses with both inclined YBCO sample and microchannel. The comparison of the results obtained by QDR-based method with results obtained by the grazing incidence reflectivity, measurements for different materials was performed to proof the reliability of the method. The data obtained by both methods are in good coincidence with each other. The bulk properties of melt-textured YBCO were studied. The correlation of data on the c-plane in normal state with data on ab-plane in both normal state and superconducting state was shown. The abovementioned correlation allows one to estimate the superconducting properties of the sample on measurement results in normal state at room temperature. The temperature dependence of single crystal YBCO film conductivity at temperatures higher than TC was measured. The paraconductivity was found which are in good agreement with the known 2D fluctuation conductivity model in temperature interval from 115K down to critical temperature, at which coupling between superconducting layers increases and 3D conductivity appears instead of 2D.
Keywords: complex conductivity, high temperature superconductors, grazing angles of incidence.
АННОТАЦИЯ
Губин А.И. Микроволновый отклик сверхпроводников при скользящих углах падения волны. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 – радиофизика. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, г. Харьков, 2007.
Работа посвящена обоснованию возможности исследования комплексной проводимости сверхпроводников посредством измерения коэффициента отражения параллельно поляризованной волны при скользящих углах падения. С этой целью был проведен расчет и анализ коэффициента отражения от структуры “ВТСП пленка – диэлектрическая подложка” в микроволновом диапазоне в зависимости от частоты, толщины пленки, температуры и угла падения волны. Показано увеличение чувствительности изменения коэффициента отражения к изменению проводимости образца при применении параллельно поляризованной волны, падающей под скользящими углами, по мере приближения к углу Брюстера. Экспериментально данный эффект зарегистрирован в микроволновом диапазоне в волноводе с наклонным образцом ВТСП. Исследованы электродинамические свойства волноводных секций 6 мм диапазона длин волн, реализующих падение под скользящими углами. Экспериментально изучены характерные особенности данных секций, в частности особенность, проявляющаяся в виде максимума потерь на температурной зависимости секции с наклонной закорачивающей плоскостью объемным образцом YBa2Cu3O7-d при наличии микроканала. Особенность объясняется в рамках теории волноводов с импедансными стенками. Для получения абсолютных значений проводимости исследуемого образца разработана процедура калибровки установки. Коэффициент отражения от образца связан с измеряемым в эксперименте коэффициентом (при помощи разработанной установки с компьютерным управлением на основе фазового моста) посредством выражения, содержащего три калибровочных коэффициента, которые получены при помощи измерения трех образцов с известными характеристиками: меди, титана и поглотителя и последующим решением системы уравнений. С целью подтверждения достоверности результатов проведены исследования нескольких образцов методом измерения коэффициента отражения при скользящих углах падения и методом с применением квазиоптического диэлектрического резонатора с волнами шепчущей галереи, которые показывают хорошее соответствие данных в пределах погрешностей обоих методов. Исследованы объемные свойства текстурированного образца YBa2Cu3O7-d и показана корреляция свойств в нормальном состоянии как в плоскости, содержащей ось c так и в плоскости ab со свойствами в сверхпроводящем состоянии в плоскости c, свидетельствующая о возможности тестирования сверхпроводящего образца по результатам измерений в нормальном состоянии. Исследована проводимость пленки YBa2Cu3O7-d методом измерения коэффициента отражения при скользящих углах падения параллельно поляризованной волны в нормальном состоянии в широком температурном интервале в 6 мм диапазоне длин волн. При этом найдено наличие парапроводимости в температурном интервале 92-115 К. Полученные данные о парапроводимости соответствуют известной модели 2D флуктуационной проводимости от температуры 115 К (значение которой соответствует данным других авторов) вплоть до критической температуры перехода, при котророй связь между сверхпроводящими слоями пленки возрастает и проводимость переходит в трехмерную.
Ключевые слова: комплексная проводимость, высокотемпературные сверхпроводники, скользящие углы падения.
Наукове видання
Губін Олексій Іванович
МІКРОХВИЛЬОВИЙ ВІДГУК НАДПРОВІДНИКІВ ПРИ КОВЗНИХ КУТАХ ПАДІННЯ ХВИЛІ
Відповідальний за випуск М.Т. Черпак
Підписано до друку 30.07.2007 р. Формат паперу 60Ч84/16
Папір офс. Офс. друк. Об’єм 1 фіз.д.л.
Заказ №37. Тираж 100 прим.
Ротапринт ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України
Харків - 85, Ак. Проскури, 12
