Исследование магнитоиндуцированного перехода сверхпроводник-изолятор в тонких плёнках NbTiN

Представлено экспериментальное исследование магнитоиндуцированного перехода сверхпроводник-изолятор в квазидвумерных неупорядоченных пленках NbTiN двух серий, находящихся в окрестности перехода сверхпроводник-изолятор по беспорядку. Транспортные измерения проводились при температурах от 300 К до 0.1 К и магнитных полях до 12 Тл. В результате измерений продемонстрирован управляемый магнитным полем переход сверхпроводник-изолятор, отмечены его основные свойства: существование точки пересечения (Bc, Rc) кривых R(B), отрицательная производная dR/dT в полях B > Bc, а также экспоненциальная зависимость сопротивления от температуры на диэлектрической стороне перехода.

Целью работы являлось экспериментальное исследование магнитоиндуцированного фазового перехода сверхпроводник-изолятор в тонких неупорядоченных пленках NbTiN. Для выполнения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Получение тонких пленок NbTiN с различной степенью беспорядка.
2. Измерение температурных и магнитополевых зависимостей сопротивления при температурах от 300 К до 100 мК и в магнитных полях от -12 Тл до 12 Тл.
3. Анализ полученных результатов с точки зрения существующих на сегодняшний день теорий.
4. Определение критических параметров исследуемых систем.

В последние несколько десятилетий наблюдается бурное развитие методов и подходов, обеспечивающих создание и изучение наноразмерных систем с принципиально новыми свойствами. Однако детальное описание поведения подобных систем при изменении каких-либо внешних параметров зачастую недостаточно полно. Так, большое количество дискуссий сегодня вызывает природа фазового перехода сверхпроводник-изолятор, изучению которого посвящена настоящая работа. С практической точки зрения, понимание процессов, лежащих в основе разрушения сверхпроводимости, позволит повысить значение T_c пленочных сверхпроводников и расширить диапазон функционирования приборов на их основе. 

В качестве объекта изучения выступали две серии квазидвумерных пленок NbTiN, полученных методом атомарно-слоевого осаждения из газовой фазы. Первая серия состояла из восьми пленок, вторая – из семи. Для увеличения степени беспорядка пленки второй серии были подвергнуты плазмохимическому травлению длительностью 3 - 7 с. Изучение поверхности пленок проводилось с помощью высокоразрешающего просвечивающего электронного микроскопа, подтвердившего высокую степень однородности образцов по толщине (рисунок 1). На основе анализа дифракционных картин был сделан вывод о поликристалличности пленок. Кристаллиты в пленках плотно упакованы и имеют средний размер около 3 нм.

Образцы для транспортных измерений с помощью фотолитографии были изготовлены в виде холловских мостиков (рисунок 2).

Исследование заключалось в измерении температурных и магнитополевых зависимостей сопротивления пленок NbTiN различной толщины при температурах в диапазоне от комнатных до 100 мК и в магнитных полях от -12 Тл до 12 Тл. Низкотемпературные транспортные измерения проводились в криостате растворения He³/He⁴, оборудованном сверхпроводящим соленоидом. Температура определялась по калиброванному термосопротивлению, расположенному за пределами магнитного поля соленоида.

Измерение сопротивления пленок с R  1 МОм проводилось по четырехточечной схеме на переменном токе низкой частоты с помощью двух синхронных фазовых детекторов SR830. Для образцов с R > 1 МОм использовалась двухточечная схема измерения.

Сопротивление пленок при комнатной температуре R₃₀₀ выступало в качестве параметра порядка. Пленки первой серии являлись менее разупорядоченными по сравнению с пленками второй серии. При увеличении степени беспорядка наблюдалось уменьшение критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние T_c от 2 К до 0.7 К, что является свидетельством приближения исследуемых образцов к области перехода сверхпроводник-изолятор по беспорядку в отсутствие магнитного поля. Указанный переход был продемонстрирован в пленках второй серии. В ходе анализа температурных зависимостей сопротивления показано, что при температурах T > 10 K ход кривой R(T) задается вкладами от слабой локализации и взаимодействия электронов в диффузионном канале [1]. При более низких температурах T 

С увеличением магнитного поля для пленок обеих серий наблюдался рост сопротивления. Для пленки NTN304 (первая серия) оно имело тенденцию к насыщению в сильных магнитных полях, что характерно для магнитоиндуцированного перехода сверхпроводник-металл. Для образца NTN1840 (вторая серия), расположенного ближе к окрестности перехода по беспорядку из сверхпроводящего состояния в диэлектрическое, сопротивление достигало максимального значения и затем уменьшалось, демонстрируя характерное поведение для перехода сверхпроводник-изолятор (рисунок 3). 

Еще более характерное для исследуемого перехода поведение было получено на пленке NTN1840_3s, изготовленной из образца NTN1840 с помощью плазмохимического травления длительностью 3 с (рисунок 4). 

В ходе выполнения работы было продемонстрировано наличие точки пересечения (B_c, R_c) кривых R(B), отрицательная производная dR/dT в полях B > B_c, экспоненциальная зависимость сопротивления от температуры на диэлектрической стороне перехода (рисунок 5). На основе этого был сделан вывод об осуществлении магнитоиндуцированного перехода сверхпроводник-изолятор для пленок второй серии NTN_1840 и NTN1840_3s. Установлен переход от активационной к гиперактивационной зависимости в координатах R(1/T) для пленки NTN1840_3s с большой степенью беспорядка. Показано, что изменение степени беспорядка системы влияет на конечное ее состояние (металлическое или диэлектрическое) при разрушении сверхпроводимости магнитным полем.

В качестве заключительных рассуждений о природе исследуемого перехода был подробно рассмотрен механизм подавления сверхпроводящего состояния магнитным полем. Показано, что для пленок первой серии экспериментальная зависимость верхнего критического поля от температуры хорошо описывается классической кривой [4], но для пленок второй серии с большей степенью беспорядка экспериментальная зависимость заметно отклоняется вверх от предсказанной в [4], указание на возможность подобного поведения встречается в литературе [5].

[1] S. Hikami, A.I. Larkin, Y. Nagaoka. Spin-Orbit Interactions and Magnetoresistance in Two Dimensional Random System. - Progress of Theoretical Physics. 63, 707 (1980).
[2] L.G. Aslamasov, A.I. Larkin. The influence of fluctuation pairing of electrons on the conductivity of normal metal. - Physics Letters A. 26, 238 (1968).
[3] K. Maki. The Critical Fluctuation of the Order Parameter in Type-II Superconductors. – Progress of Theoretical Physics 39 (4), 897 (1986).
[4] N.R. Werthamer, E. Helfand, C. Hohenberg. Temperature and purity dependence of the superconducting critical field, Hc2. III. Electron spin and spin-orbit effects. – Physical Review 147, 1, 295 (1966).
[5] F. Hunte et. al. Two-band superconductivity in LaFeAsO0.89F0.11 at very high magnetic fields. – Nature 453, 7197 (2008).

The present work investigates magnetic-field and disorder tuned superconductor-insulator transition in strongly disordered quasi-2D NbTiN films. Standard four-probe and two-probe techniques were applied to obtain temperature and magnetic field dependences of the resistance. The 200 mK refrigerator was used for the low temperature measurements. The experimental data were obtained both in the zero and non-zero magnetic fields. On the one hand, the decrease of the superconducting transition temperature during the resistance reduction took place in the zero magnetic field. On the other hand, by analyzing the results it was concluded that films demonstrate the field-induced superconductor-insulator transition.