（凝聚态物理专业论文）“p波”超导体中量子相干效应的研究.pdf

兰州大学研究生学位论文 摘要 在超导体中，电子的运动同时包含了配对电子c 0 0 p e r ( 库伯) 对的运动以 及电子相互之间的运动。库伯对里两个电子的相对运动在常规超导体和高温铜氧 化物超导体中分别被描述为“s 波”和“d 波”结构，它们的总轨道量子数分 别为0 和2 ，总自旋量子数s 均为0 ，即都是自旋单态配对。 m a e n o 等人在十一年前发现了锶钉氧( s r ：r u o | ) 的低温超导现象，它是第一 个被发现不含铜而能够超导的钙钛矿结构氧化物。通过多种物性的测量发现 s r ：r u o 。很有可能是自旋三重态配对的“p 波”超导体，即轨道量子数三等于1 ， 自旋量子数s 等于l ，这同氦一3c h e ) 凝聚态的状况十分类似。但最终的确认 需要更加有力的实验来确定电子对p 波结构。对p 波超导体配对机理的研究将加 深我们对超导态电子( 甚至超流态情形) 配对机制的理解，对整个超导学领域、 低温学领域都具有重大意义。 在这里，我们试图通过类似超导量子干涉仪的s r 2 r u 吼一常规超导体角结结 构来研究s r 。r u n 的超导配对机理，弄清其p 波玎相移的真实来源和超导序参量 的对称特性。其间，我们利用聚焦离子束刻蚀与沉积系统、低温物性测量系统制 作和测试了s r ：r u o a c ( b c ) 面上点接触式s r ，r u o t 一常规超导体隧道结、s r 。r u o 。 - - s r 。r u 仉超导微桥，可惜没有看到直流约瑟夫森效应和单粒子隧道效应，一种 可能是s r 。r u o 的a c ( b c ) 面存在正常层造成的，一种可能是两侧超导体没有达 到理想耦合，或者我们通入的稳恒电流超过了隧道结的临界电流。 通过测试s r 。r u o , 从3 0 0 k 到1 5 k 温区内a b 平面电阻率p o ，我们发现p 矗在 3 0 k 到3 0 0 k 之间随温度线性变化，在2 5 k 以下近似与温度平方成正比。这种电 阻率一温度关系说明，s r 。r u o 是一种电子关联金属，处于二维费米液金属态。 我们对s r 。r u o 。一常规超导体角结的后续制作提出了实验建议，寻找合适的、 与s r 。r u o 。耦合较好的常规超导体和去除s r ：r u 仉晶体表面正常层应当是后续工作 的重点。 关键词：约瑟夫森效应单粒子隧道效应自旋三重态超导量子干涉仪角结费 米液 兰州大学研究生学位论文 a b s t r a c t e 1 e c t r o n si ns u p e r c o n d u c t o r sm o v ei nt h el a t t i c e sa sc o o p e rp a i r e s a n ds i m u l t a n e o u s l yb e h a v er e l a t i v e l yi nt h ec o o p e rp a i r s t h ec o o p e rp a i r c a nb ei nas t a t eo ft o t a lo r b i t a la n g u l a rm o m e n t u ml = 0 ( s w a v e ) f o r c o n v e n t i o n a ls u p e r c o n d u c t o r sa n das t a t eo f 上= 2 ( d - w a v e ) f o rh i g h t ： s u p e r c o n d u c t i v i t y i n c u p r a t e s t h e i r t o t a l s p i na n g u l a rm o m e n t u m i s s = 0 ，w h i c hi sc a l l e ds p i n s i n g l e t s t a t e t h ef i r s tn o n c u p r a t es u p e r c o n d u c t o rs r 2 r u o ( w h i c hp o s s e s s e dal a y e r e d p e r o v s k it es t r u c t u r ew a sf o u n db ym a e n ou n t il e l e v e ny e a r sa g o s r 2 r u 吼 i sv e r yl i k e l yt ob eas p i n t r i p l e tp - w a v es u p e r c o n d u c t o r ( l = 1 ，s = 1 ) i n v i e wo fi t ss o m ep r o p e r t y t h es t a t ei ss i m i l a rt oh e l i u m - 3c o n d e n s a t i o n m o r ec o n v i n c i n ge x p e r i m e n t s a r en e e d e dt oc o n f o r mt h e s p i n t r i p l e t c h a r a c t e r i ti sv e r ys i g n if i c a n tt os t u d yt h ep a r i n gm e c h a n i s mi np - w a v e s u p e r c o n d u c t o r s f o ri tw i l lc o n t r i b u t et oo u ru n d e r s t a n d i n ga b o u t e l e c t r o n p a r i n g m e c h a n i s mi na l ls u p e r c o n d u c t o r s ，e v e nm e c h a n i s mi n s u p e r f l u i d s t h i sw i l lb r i n g a ni m p r e s s e di m p a c to ns u p e r c o n d u t i v i t ya n d l o w t e m p e r a t u r es c i e n c e w et r i e dt of a b r i c a t eas r 2 r u o 一c o n v e n t i o n a ls u p e r c o n d u c t o rc o r n e r j u n c t i o nw h i c hi sa n a l o g i c a l t os u p e r c o n d u c t i n gq u a n t u mi n t e r f e r e n c e d e v i c ei no r d e rt o i n v e s t i g a t et h eo r i g i no f ，r p h a s e s h i f ta n dt h e s y m m e t r yo fs u p e r c o n d u ti n go r d e rp a r a m e t e r i ns r , r u o , w ef a c t u r e da n d t e s t e d i n p l a n es r r u o , 一c o n v e n t i o n a ls u p e r c o n d u c t o rp o i n t c o n t a c t t u n n e l l i n gj u n c t i o n sa n ds r z r u 0 4 一s r 2 r u 仉m i c r o b r i d g e su t i l i z i n gf o c u s e d i o nb e a me t c h i n g d e p o s i t i n gs y s t e ma n dp h y s i c a lp r o p e r t ym e a s u r e m e n t s y s t e m i n t h e r e s u l t ，w ed i d n t o b s e r v ed cj o s e p h s o ne f f e c ta n d s i n g l e p a r t i c l et u n n e l l i n g i tw a sm a y b e b e c a u s ee i t h e rt h e r ew a san o r m a s u r f a c ea tt h ea c ( b c ) p l a n e ，o rt h es u p e r c o n d u c t o r sd i d n tc o u p l ew e l l ， o rt h ei n p u t i n gi n v a r i a b l ec u r r e n t se x c e e d e dt h ec r i t i c a lc u r r e n t s a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n to fi n p l a n ee l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yp 女 h 兰州大学研究生学位论文 o fs r , r u 0 4f r o m3 0 0 kt o1 5 k ，w ef o u n da1i n e a rtd e n p e n d e c eo f p “f r o m 3 0 kt o3 0 0 ka n dt s q u a r e dd e p e n d e n c eb e l o w2 5 k t h i ss u g g e s t st h a ts r z r u o | a c t sa sac o r r e l a t e de l e c t r o ns y s t e ma n da ne s s e n t i a l l yt w o d i m e n s i o n a l f e r m i l i q u i d s o m ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t a ls u g g e s t i o n s a b o u ts r 2 r u o , 一c o n v e n t i o n a l s u p e r c o n d u c t o rc o r n e rj u n c t i o n sw e r ep u tf o r w a r d a b o v ea 1 1 ， w es h o u l d s e a r c hs u i t a b l ec o n v e n t i o n a ls u p e r c o n d u c t o rw h i c hc a nc o u p l ew e l lw i t h s r z r u 0 4a n dr e m o v et h en o r m a ls u r f a c ea tt h ep l a n e k e y w o r d s ：j o s e p h s o ne f f e c t ，s i n g l e - p a r t i c l et u n n e l l i n g ，s p i nt r i p l e t ， s u p e r c o n d u c t i n gq u a n t u mi n t e r f e r e n c ed e v i c e ，c o r n e rj u n c t i o n ，f e r m i 1 i q u i d 喇 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鲎建日期：型剑 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅：本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 做作者繇监翩签艘日 兰州大学研究生学位论文 1 1 背景与意义 第一章绪论 在超导体中，电子对能够通过材料运动而不产生任何电阻。电子的运动同时 包含了配对电子的运动以及电子相互之间的运动。根据b c s 理论，电子形成库伯 对是由电子与晶格之间的相互作用造成的。在常规超导体中，库伯对里两个电子 的相对运动被描述为“s 波”( s - w a v e ) 结构，其对应的电子轨道角动量之和为 零( l = 0 ) 。在8 c s 理论提出后不久，k o h n 和l u t t i n g e r 推测，电子对具有有 限角动量( l = 1 或更大) 的超导体也可能出现。但物理学家一直不清楚，这种 非常规的超导体如何可能实现、其性质又如何才能证实。 曾有科学家设想，电子库伯对可以通过自旋交换或磁化波动( 而不是晶格振 动) 来形成。这一设想在发现了液态3 h e 的超流体之后得到极大的激励，因为m e 的凝聚态具有p 波结构，其对应的角动量为l ( 三= 1 ) 。3 h e 与电子都是费米子， 费米子与玻色子不同，必须服从“泡利不相容定理”，即两个费米子不能同时占 据同一个状态，但恰当组合的“费米子对”却有可能表现出类似于玻色子的凝聚 态。因为氮原子不携带电荷，所以 h e 的凝聚态被称为“超流体”而不是超导体。 然而。试图在金属材料中实现3 h e 超流体对应状态的努力直没有获得显著成果。 大约十年前，m a e n o 等人的一项研究发现了锶钉氧( s r , r u o 。) 的低温超导现象， 并有迹象表明，在所有温度下其电子运动都出现相互避让的现象，这与3 h e 原子 的状况十分相似。这一观察很快引起了进一步的猜测，s r 承u 饥的超导状态也具 有“p 波”结构( 三= 1 ) 。费米子的量子机理要求电子对以“自旋三重态”来配 对，而不是传统超导体中的“自旋单重态”配对。后来的一些研究显示s r 水u n 具有三重态的磁性，但最终的确认需要在量子干涉实验中探测到电子对的内在p 波结构。在大约2 0 年前，g e s h k e n b e i n 等人曾提出利用超导量子干涉仪( s q u i d ) 来进行测试1 ，但由于当时试验技术的局限，他们没有作出相应的实验结果。 在这里，我们试图通过类似s q u i d 的s r 。r u 仉一常规超导体角结结构来研究 s r ：r u o , 的超导配对机制，弄清其p 波厅相移的真实来源和超导序参量的对称特 性。只要能够清晰明确并且重复性地观察到一些实验现象，并和s 波超导体、d 兰州大学研究生学位论文 波超导体的相应实验现象相互比较，通过理论分析应当能够进一步明确s r ：r u 0 4 的超导特性，并且加深对超导体电子配对机理的理解。 1 2 单粒子隧道效应 单粒子隧道效应是电子穿过极薄绝缘层的隧道效应，绝缘层厚度小于电子在 绝缘材料中的平均自由层。我们可以利用单粒子隧道效应测援超导体的超导能 隙、态密度和有效声子谱等。 根据b c s 理论，超导态的单粒子能态密度是： m 伍) = 伯 ，i e f a l0 ， i e l 0 n ( e ) 是正常态时的态密度，e 是电子相对于费米能级e 的能量，是超导体绝 对零度下的超导能隙。 根据半导体模型，对于超导体一绝缘层一正常金属( s i n ) 结的单粒子隧 道，在t = o 足时，当0 v a q 时( v 为隧道结电压) ，不能产生隧道电流，只 有当v a q 时，由于一侧电子态密度很高，另一侧空穴态密度很高，电流，将 急剧增大。随后随v 的增大继续增大，且最终，与y 的关系与正常金属一绝缘 层一正常金属( n i n ) 结的结果一样。所以隧道交流电导率d l l d v 在v = g 处 呈现一个峰值。在t o k 时，由于热激发，超导态能隙之上有少量正常电子， 能隙之下有少量空穴，正常金属费米能级之上有少量电子，费米能级之下有少量 空穴，所以当0 v ：) 处极大， 口 在y ：垒堡处急剧增加，所以电导率驯d y 在矿：垒二垒王和矿；垒生处分别出 qqq 现峰值。此时，由于超导体内能隙以上出现热激发的正常电子，且正常电子受另 一侧超导能态密度变化的影响，将在垒二垒王 样品电阻艮，电路中恒定电流，。= c 胆，微分电流d l = 。r 。p p m s 样品空 间的电压噪声通常为几个至十几个纳伏，锁相的输出电压噪声约几个纳伏。测试 过程中，我们通入一个固定微小交流电压提供讲，设定直流电压在一定区间内 单调变化，这样电路中的恒定电流也在发生单调变化，记录交、直流电压表示数 ( 即d v 、v ) 。这样，我们就得到交流电导率d l i d v 与样品直流偏压之间的关 系曲线。电路中最大直流电流一般不超过1 l i l a ，以免导致结区烧坏和电流环路中 电阻发热功率过大。交流电压小于或约等于直流电压的变化间距，以提高各点交 流电导率的测量准确性。 兰州大学研究生学位论文 4 3s r 。r u 0 。一常规超导体隧道结的测试结果和理论分析 4 3 1 样品电阻的测试结果和理论分析 首先，我们测试了从常温( t = 3 0 0 k ) 到低温( t “1 0 k ) 的样品电阻，以 确认隧道结在低温收缩的情况下仍能够保持良好点接触且低温下结电阻不会过 大。典型的样品电阻随温度的变化曲线如图4 5 ： t e m p e r a t u r e ( ：k ) t e m p e m t u r e ( k ) 图4 5 样品电阻随温度的变化曲线 一a)9ucgis璺 aa3c器一绻k 兰州大学研究生学位论文 测量时，恒流源，。，。的大小在测量信号可以掩盖系统噪声的前提下越小越 好，这样可以减小器件发热功率，有利于p p m s 系统控温。 结果显示，样品电阻随温度的变化平缓连续的变化，而且，我们在升温过程 中也测量了样品电阻，发现曲线与降温过程基本重合，这说明点接触部位已经形 成较稳定的连接。对于大电阻样品，电阻主要来自结区，其随温度的降低而增大 是因为材料冷缩造成结区势垒变大，从而电阻增大。对于小电阻样品，两侧材料 在结区耦合得很好，电阻主要来自两侧材料，样品电阻随温度的降低而降低是由 于材料电阻随温度降低而下降造成的。 s r 。r u q 晶体在生长过程中会掺入r u 晶体成分，如果r u 出现在隧道结结区 中，这将增加测试结果的不确定性。我们通过测试样品电阻与温度的关系，发现 关系曲线中没有特殊点存在( 尤其是3 k 附近) ，这说明结区中没有r u 晶体。 4 3 2 隧道结的测试结果和理论分析 我们测试了在不同温度、不同磁场强度下隧道结的直流电流，与电压v 的关 系曲线、交流电导率d l d v 与电压矿的关系曲线，希望借此得到j o s e p h s o n 效应 的隧道谱或者单粒子隧道效应的隧道谱，从而彳导到s r ：r u 0 。超导能隙、临界电流 密度、临界磁场强度、态密度、有效声子谱等物性。 我们对n b s r ：r u 0 。、i n s b r u 0 。、a 1 - - s r ：r u 0 。三种点接触弱连接的隧道结 进行了一测试，得到的典型数据曲线如图4 ，6 图4 9 所示。 n b 、i n 、a 1 的超导临界温度分射为囊肼= 9 2 5 k 、毛m = 3 4 1 k 、 t 刊= 1 1 8 k ，绝对零度下的临界磁场强度分别为h c - n b ( o ) = 1 9 7 0 0 e 、 h 。一m ( o ) = 2 8 1 5 3 0 e 、h 。w ( o ) = 1 0 4 9 3 0 e ，超导能隙分别为a ( o k = 1 5 5 m e v 、 ( o l = 0 5 4 1 m e v 、a ( o l ，= o 1 7 9 m e v 。s r 。r u o 的超导临界温度t = 1 2 k 。 从图4 7 看出，i n s r ：r u 仉结交流电导率峰值对应的“能隙”大小稍大于 n b s n r u 0 。结电导率峰值对应的“能隙”或者说相差无几，而t = o 5 k 时，n b 的超导能隙应当明显大于i n 的能隙，这说明该“能隙”不是对应着材料的超导 能隙。 兰州大学研究生学位论文 ， 霎 弓 0 5 0 0 4 5 0 4 0 o 3 5 0 3 0 0 _ 2 5 o 2 0 v ( m v ) 圈4 6i n s r 2 r uo | 隧道结的d i d v - v 曲线 - 4- 3101234 v ( m 、，) 图4 7n b s n r u o - 、i n - - s r 2 r u o 隧道结的d i d v v 曲线 3 1 6 0 0 e 2 5 9 3 e 一2 5 8 7 e 2 5 8 0 e 2 5 7 3 e - 2 5 ，6 7 e - 2 5 6 0 e - 2 一-g一p，lp 兰州大学研究生学位论文 v ( m v ) 蚓4 8n b - - s r z r u o ( 隧道结的d i d v v 曲线 v ( m v ) 闰4 9a l s r 2 r u o 隧道结的d i d v v 曲线 一，u】p，|p 一g一p，lp 兰州大学研究生学位论文 在实验中，我们通入的最小电流为0 0 4 1 1a ，在测试达到的最低温度 t = o 5 k 仍没有看到直流j o s e p h s o n 效应，交流电导$ d u d v 在矿= 0 处也没有 出现直流j o s e p h s o n 效应对应的电导率峰。 从图4 6 、图4 8 、图4 9 看出，随温度的增大，出d y 一矿曲线越加平缓， 说明隧穿过程是有热声子辅助的。电导率峰值对应的“能隙”随s r ：r u 仉失超反 而变大。该“能隙”在隧道结两侧超导体处于正常态时也存在，而且不同隧道结 对应的“能隙”不等，差别明显。实验说明，两侧超导体还没有很好耦合，或者 我们通入的稳恒电流超过了隧道结的临界电流密度。 据文献报导”，s r 。r u o 。的a b 面、a c ( b c ) 面都存在正常层。扫描隧道显微 镜( s t m ) 和低能电子衍射( l e e d ) 显示，a b 面r u o 层的0 位置发生偏移，使得 表面重构，成为一种所谓的“软声子”模式( s o f t - - p h o n o nm o d e ) 。重构使得表 面出现铁磁基态，抑制了a b 面上的超导电性。另外，表面切割和抛光也会抑制 表面的超导电性。 若将s r ：r u 仉表面视作正常态，在常规超导体临界温度以下，形成n i s ( n o r m a l m e t a l i n s u l a t o r - - s u p e r c o n d u c t o r ) 结。当结区势垒很低时，n i s 结会由于 h n d r e e v 表面束缚态( h n d r e e vs u r f a c eb o u n ds t a t e ) 出现h n d r e e v 电导率峰， 但是我们没有观察到a n d r e e v 峰。这有可能是由于结区势垒较高造成的。 兰州大学研究生学位论文 第五章s r 。r u 仉a b 平面电阻的测试与分析 我们幸运地沿s r z r u 仉的a b 面解理出很薄的一层样品( 厚度1 0 6 4 p r o ) 。由 于s r ：r u o 。的超导电性来自于a b 面上的r u o 层，所以测试a b 面电阻率一温度关 系对理解其反常超导特性是很有意义的。 5 1 高温超导体的电阻特性 大量实验报导，高温超导体正常态层内电阻率p 。普遍具有线性温度行为， 温度范围很宽，例如l a m s s r 。，s c u o , 从超导i | 缶界温度瓦延伸到1 0 0 0 k ，y b a 2 c u 。0 7 从疋延伸到6 0 0 k 。通常表示为： p ( t ) - - a t + p o 口表示斜率，风表示剩余电阻率。高温超导材料电阻率的这种行为不同于常规 费米液体那样按温度平方关系变化，而且在高温端没有出现强电声耦合下的电阻 率饱和效应。在高温端无饱和行为( 或说仍远离饱和值) 的假设下，根据常规的 b l o c h - - g r u n e i s e n 散射公式估算出的电声子耦合作用是很弱的，在配对机制中 可能居于次要地位，这导致必须考虑电子一电子关联。但电子关联的常规费米液 体的电阻率应当与温度平方成线性关系。所以这是高温超导体中的一个严重挑 战。通过微波测量表面阻抗的实验”。定量的估算指出电子一电子散射在阻抗中 是主要项。这个实验被认为是证明电子声子散射在电阻中不是主要贡献的直接 证据。高温超导体的反常超导特性应当与其这种反常金属态是相关的。 5 2 样品制备 5 2 1 样品制备过程 我们利用四电极法测试电阻率一温度关系。 首次测试的样品是在样品四个角上各用铂丝连上一根电极，将接触电阻最小 的两根电极作为电流的输入输出端，然后直接放入p p m s 的h e 一3 系统进行测试。 兰州大学研究生学位论文 测试的结果比较理想，得到了5 3 节中所列举的数据曲线。 接着，我们利用物理研究所微加工实验室聚焦离子束刻蚀沉积系统( f o c u s e d i o nb e a me t c h i n g d e p o s i t i n gs y s t e m ，简称f i b ) 在另一个样品上制作出长 6 0 ：n n ，宽4 4 5 n ，厚1 0 6 4 朋? 的s r ：r u o , 长桥结构，希望借此增大电阻以获得更 加精确的曲线并降温至0 5 k ，观察s r 。r u 吼的超导涨落。 利用f i b 加工样品的步骤是： 1 样品的整体尺寸约为1 6 0 g n x 2 0 0 t 删x 1 0 6 朋( 长宽x 厚) 。用大束流( 7 0 0 0 p a ) 在样品两侧分别刻蚀条长6 0 n n ，宽2 3 ，删，深度超过样品厚度的长槽，中 间预留4 0 u n 长的样品。此步是粗切，目的是使样品上下两部分大致分离，只 在中间区域有连接。中间预留长度大约是样品整体长度的l 6 1 4 ，不能太短， 以保证样品在后续操作中不会断裂。 2 在两深槽的外侧部分沉积s i0 2 或填充其他绝缘材料，欲起到支撑固定中问脆 弱区域的作用。这在转移样品、升降温过程中尤其重要，可以避免中间脆弱区 域由于震动和热胀冷缩而产生断裂。 3 用太束流( 7 0 0 0 p a ) 沿上次的长槽继续向内刻蚀，刻蚀深度超过样品厚度， 中间保留1 3 1 a n 长的连接区。 4 用大束流( 7 0 0 0 p a ) 在中间连接区两侧分别刻蚀一条长略大于4 j m ，宽6 0 a m 。 深度超过样品厚度的矩形槽，各自与第三步刻好的两侧长槽连通，中间样品的 长度为4 5 , w n 。 这样，一个长( d6 0 n n ，宽( w ) 4 4 5 u n ，厚( f ) 1 0 6 4 u n 的s r 2 r u o , 长 桥结构制作完毕了。其低温下的电阻约为五。：旦业二盟! ：1 2 7 脚q ，假设s r 。r u 0 4 在测试温度0 5 k 下的临界电流密度，。约等于1 0 2 a c m 2 ( 根据 驴蔫t a n h 器计算眦远大于1 0 积r 。是j o s e p h s o n 结正常态下 单位结面积上的电阻，g 是单位电子电量，p ) 是超导体在温度t 时的超导能隙， 兰州大学研究生学位论文 k 。为玻尔兹曼常数，s r z r u o , 的，。没有那么大，所以我们按照超导材料中最小的 临界电流密度值做保守估计) ，那么临界电流为i 。= j 。w t = 4 7 3 5 ， r o 1 。= 1 2 7 m r 2 4 7 3 5 ，叫“6 0 1 n v ，该电压值远大于系统噪声，是可以准确测出 的。 值得注意的是，第一步的粗切宽度一定要远大于s r 。r u 仉a b 面的相干长度 ( 6 6 0 a ) 以避免样品的上下两部分在超导态下形成相干信号。第二步填充的绝缘 材料的热膨胀系数应稍大于或接近s r 。r u q 的热膨胀系数。每一步刻蚀过程一定 要刻透样品，否则会在未透部分形成通路。 关于电极的制作、样品的安装，类似第四章讲述的过程操作。此处，由于样 品很小，样品加工后再做电极非常难，一不小心就会损伤样品，我们一般先将样 品的四个电极用银胶点好，再用f i b 加工样品，s r ：r u 吼长桥两侧各有两个电极 分别作为电流和电压引线，这样测试电流就沿桥区流过。 最后加工完毕的样品如图5 1 所示： 例5 1s r z g u o , a b 平面电阻测试样品 兰州大学研究生学位论文 5 2 2 聚焦离子束刻蚀与沉积系统( f i b ) 我们使用美国f e i 公司研制的型号为d b 2 3 5 的聚焦离子束刻蚀与沉积系统 ( f i b ) 对样品进行微加工。 f i b 可通过刻蚀和沉积制作纳米尺度( 2 0 h m ) 的图形，广泛用于各种微器件 的制作，如：微电子器件、光电子器件、生物传感器、微机件、超导电子学器件、 磁电子学器件等，也是研究材料在低维度、小尺寸下的量子行为的重要手段，另 外还可制备截面t e m 样品和沉积纳米电极。系统电子柬分辨率3 r i m ，镓离子束分 辨率7 n m ，可以沉积绝缘材料s i o , 和金属p t ，增强刻蚀s i ，s i 0 2 ，最大样品尺寸 为2 英寸。 f i b 总体结构图如下： 图5 2 聚焦离子束刻蚀沉积系统 ( f o c u s e di o nb e a me t c h i n g d e p o s i r i n gs y s t e m ) 5 3 测试结果和理论分析 我们测试了s n r u 0 4 从常温3 0 0 k 到低温1 5 k 问a b 面电阻率p ，结果同 l j i c h t e n b e r g “、h u s s e y ”等人测得的数据一致，p o b 毛e3 0 k 至3 0 0 k 区问随温度线 兰州大学研究生学位论文 性变化，在2 5 k 以下近似与丁2 成正比。由于样品a b 面尺寸不规则，我们以电阻 r 。代替电阻率，实验结果如图5 3 所示： ( a ) ( b ) t 2 ( k t ( k ) 图5 3 s r 。r u o oa b 面电阻也“与温度t 的关系曲线 ( a ) 低温( 2 5 k 以。f ) 端r 5 。一r 关系曲线( b ) 3 0 k 至3 0 0 k 区间r b t 关系曲线 ( u ) q 毋匹 ( u d 幡越 兰州大学研究生学位论文 2 5 k 以下，几可以表示为如= p o + a t 2 ，这种电阻率一温度关系应当是由 电子一电子间的散射过程决定的。实验结果说明，s r ：r u 也是种强电子关联金 属，处于二维费米液金属态。目前还没有较好的理论说明高温超导体、s r 。r u o , 中电阻率与温度的线性关系以及解释高温超导体中声子散射的消失。 a j s c h o f i e l d 。利用t j 模型提出了一维情况下的解。 在测试a b 平面电阻之前，我们曾测量s r 2 r u o 。晶体的交流磁化率z 。 h ( o e ) 圈5 4 s r 擅u o 晶体交流磁化率z 。( z 。= z 十拓。) 3 9 兰州大学研究生学位论文 低温下随磁场强度增大，交流磁化率实部z ( 0 ) 的绝对值减小，虚部 z ”减小，说明a b 平面磁阻随外磁场的增大而增大，这同h u s s e y 等人测得的趋 势一样“，但看不出在低外场下( h l o 0 9 2 ) ，比s r 2 r u o 。低温下正常态理想 值高出很多，我们怀疑样品断裂了。 测试完毕后，我们将样品用扫描电镜观察了一番，发现样品表面多处出现裂 纹，桥区也有裂纹但没有看到明显的断裂截面。观察到的电镜图象如图6 4 ： 图6 4 测试完毕后的s r 。r u 0 4 超导微桥样品 我们使用的绝缘材料是环氧树脂，其热膨胀系数很小，银胶电极非常稳固， s r ：r u q 的热膨胀系数没有确切数据。s r ：r u o , 是借助电极的力量平稳固定在s i 侥 基片上的。样品断裂很有可能是由于s r 。r u o , 本身在低温下收缩的应力造成的， 小局域填充绝缘材料不能有效地支撑固定中间的脆弱区域。 4 4 兰州大学研究生学位论文 第七章工作展望 由于时间关系，我们还没有制作出理想的s r 。r u 仉一常规超导体角结器件。 通过对以上实验工作的总结和思考讨论，我们计划按以下步骤开展后续工作： 1 利用衍射方法确定s r 。r u o 的晶向。 2 寻找合适的方法在s r ：r u 0 。样品上制作出a b 面上的一个直角，两直角边分别沿 a 轴和b 轴方向( 利用f i b 刻蚀制作直角会造成s r ：r u 0 。表面的g a 污染，利用 抛光会损伤s r ：r u o , 表面，这都会抑制s r 2 r u o , 的表面超导电性) 。 3 将刻蚀好的样品沿c 轴方向植于超低温树脂粘结剂中，直角的底部要没于粘结 剂中( 这样是为了避免实验测试的隧道效应中包含c 轴方向的隧道成份) ，并 将刻蚀好的直角部分尽量多的暴露在外，样品与粘结剂的粘结部位尽量粘合得 紧密无间( 这样是为了以后镀膜时金属薄膜能够将样品与粘结剂连通以方便引 电极) 。 4 在样品上溅射常规超导体金属薄膜，厚度约1 0 0 0 a 。镀膜时最好能够旋转 s r ：r u 矾晶体，以保证薄膜的连续性和均匀性。 5 利用f i b 在样品的t i c 、b c 面上刻蚀，将需要的角结结区的常规超导体金属薄 膜与其他薄膜隔离，在粘结剂上的薄膜同样要将引电极时需要的薄膜区域与其 它多余的薄膜隔离开，隔离的宽度要远大于金属膜的超导相干长度。 6 在s r z r u 仉表面和粘结剂上的电极薄膜上各引两根铂引线，分别做电流和电压 引线。 这样，一个不需要绝缘层的s r 。r u q 一常规超导体角结结构就制作完毕了。 其构造大致如图7 1 所示。 当然，如果能够制作致密均匀的绝缘薄膜，可以在不需要耦合的区域镀上绝 缘膜，利用这种手段可以使角结的制作更灵活些。 为了得到较大的临界电流，结区沿a 、b 、c 方向的尺寸都在毫米量级左右。 角结在a c 和b c 面上的尺寸尽量对称一致，在能够看到调制信号的前提下，施加 的电流和磁场尽量小，测试温度尽量高，这都是为了减小感应磁通和俘获磁通。 另外，在第四步镀膜之前，我们可以制作合适的掩模，仅将角结结区和相连的粘 结剂暴露出来镀膜，那样可以去掉第五步。 兰州大学研究生学位论文 实验过程是有难度的，我们只有经过不断摸索总结，积累经验，才能够做出 满意的样品来。 图7 1 s r ：r u 仉一常规超导体角结结构设计 兰州大学研究生学位论文 第八章结论 1 我们测试了s r 。r u 仉从常温3 0 0 k 到低温1 5 k 之间a b 平面电阻率p 。，发 现p 。在3 0 k 到3 0 0 k 之间随温度r 线性变化，在2 5 k 以下近似与温度平方成正比。 2 5 k 以下，几可以表示为如= p o + a t 2 。这种电阻率一温度关系实验结果说明， s r 。r u o 。是一种电子关联金属，处于= 维费米液金属态。 2 我们尝试制作了s r t r u o , a c ( b c ) 面上点接触式s r 。r u 仉一常规超导体隧道 结、s r 。r u o - - s r z r u o , 超导微桥，没有看到直流j o s e p h s o n 效应和单粒子隧道效 应，一种可能是s r z r u o , 的a c ( b c ) 面存在正常层造成的”，种可能是两侧超 导体没有达到理想耦合，或者我f f j 通入的稳恒电流超过了隧道结的临界电流。 3 对s r z r u q 一常规超导体角结的制作提出建议，寻找合适的、与s r 。r u 仉耦 合较好s 波超导体和去除s r 。r u o , 晶体表面正常层是后续工作的重点。 兰州大学研究生学位论文 参考文献 1 v b g e s h k e n b e i n ，a i l a r k i na n da b a r o n e ，v o r t i c e s 村拍加i f m a g n e t i c f l u x q u a r t t a i n “h e a v y - f e r m i o n “s u p e r c o n d u c t o r s , p h y s i c a l r e v i e w 8 ，1 9 8 7 ，v o l u m e3 6 ，p a g e s2 3 5 2 3 8 2 b o j o s e p h s o n ，p o s s i b l en e we f f e c t si ns u p e r c o n d u c t i v et u n n e l 妇； p h y s i c sl e t t e r s ，1 9 6 2 ，v o l u m el ，p a g e s2 5 1 2 5 3 3 阎守胜，固体物理基础( 第二版) ，北京大学出版社 4 y a h a r o n o va n dd b o h m ，s i g n i f i c a n c eo f e l e c t r o m a g n e t i cp o t e n t i a l si n t h eq u a n t u mt h e o r y , p h y s i c a lr e v i e w ，1 9 5 9 ，v o l u m e11 5 ，p a g e s4 8 5 4 9 1 5 r g c h a m b e r s ，s h i f to fa ne l e c t r o ni n t e r f e r e n c ep a t t e r nb ye n c l o s e d m a g n e t i cf u x , p h y s i c a lr e v i e wl e t t e r s 1 9 6 0 ，v o l u m e5 ，p a g e s 3 - 5 6 j f a n n e t t ，s y m m e t r y o ft h eo r d e rp a r a m e t e rf o rh i g h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i v i t y , a d v a n c e s i np h y s i c s ，1 9 9 0 v o l u m e3 9 ，p a g e s8 3 1 2 6 ： 7 j f a n n e t t 。 u n c o n v e n t i o n a l s u p e r c o n d u c t i v i t y ,c o n t e m p o r a r y p h y s i c s ，1 9 9 5 ，v o l u m e3 6 ，p a g e s4 2 3 4 3 7 ： 8 m a n f r e ds i g r i s t a n dk a z u o u e d a ，p h e n o m e n o o g i c a t h e o r yo f u n c o n y e n t i o n a ls u p e r c o n d u c t i v i t y , r e v i e w so fm o d e r np h y s i c s ，1 9 9 1 ，v o l u m e 6 3 ，p a g e s2 3 9 3 1 1 g j e a n p a s c a lb r i s o n ，l o l cg 1 6 m o t ，b e r m a n ns u d e r o w ，a n d r e wh u x l e y ， s h i n s a k uk a m b e ，a n dj a c q u e sf l o u q u e t ，h e a v yf e r m i o ns u p e r c o n d u c t i v i t y , p h y s i c ab ，2 0 0 0 ，v o l u m e2 8 0 ，p a g e s1 6 5 1 7 1 i o e i c h a s h e c h k i n a ，i j l e e ，s e b r o w n ，d s c h o w ，w g c l a r k ，m j n a u g