Supraleitung in Zinnschichten auf InSb: Eine Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften mit Berücksichtigung der Morphologie der Schichten

Abstract

Aus LEED-, AES- und Ramanspektroskopie-Untersuchungen an den Zinn-Schichten auf InSb direkt nach der Präparation konnte festgestellt werden, daß die Schichten nicht, wie aus der Literatur erwartet, nur aus dem halbmetallischen a-Zinn bestehen, sondern aus einer Mischung von halbmetallischem a\- und metallischem supraleitenden b-Zinn.

AFM-Untersuchungen an den Schichten zeigten ein deutliches Insel-Wachstum mit kleiner werdenen Inseln bei abnehmender Schichtdicke. Durch diese Struktur- und Morphologieuntersuchungen konnte bestimmt werden, daß die Schichten aus b -Zinn-Inseln eingebettet in einer a-Zinn-Matrix bestehen, so daß eine zweidimensionale Schicht mit einem Netzwerk statistisch verteilter Normalleiter-Supraleiter-Normalleiter-Kontakte existiert.

Die gefundene Probenmorphologie hat einen großen Einfluß auf die supraleitenden Eigenschaften der Zinn-Schichten, wie es sich aus Widerstands- und Suszeptibilitätsmessungen ergab. Anhand der Widerstandsmessungen konnte gezeigt werden, daß die supraleitenden kritischen Temperaturen bei allen hier untersuchten Zinn-Schichten deutlich unterhalb der Übergangstemperatur des Volumenmaterials (Tc=3,7 K) liegen. Das Verhalten des kleiner werdenden Tc mit abnehmender Schichtdicke kann durch das Auftreten des "Proximity"- und des "Size"-Effekts erklärt werden.

Das kritische Magnetfeld Bc der Schichten zeigte ebenfalls ein abweichendes Verhalten gegenüber dem des Volumenmaterials . Das kritische Magnetfeld liegt bei allen Schichten oberhalb des kritischen Magnetfeldes des Volumenmaterials (Bc=30mT) und wurde mit abnehmender Schichtdicke größer. Diese Erhöhung des kritischen Magnetfeldes entspricht der Erwartung der London-Theorie, die diese Erhöhung mit dem geringer werdenden Feldprofil im Inneren einer supraleitenden Schicht bei abnehmender Dicke erklärt.

Bei senkrecht zum Magnetfeld orientierten Schichten wurde ebenfalls eine Erhöhung des kritischen Magnetfeldes gefunden. Dies kann durch die Ausbildung eines supraleitenden Mischzustandes in der Schicht senkrecht zum Magnetfeld erklärt werden. Messungen der Winkelabhängigkeit des kritischen Magnetfeldes unterstützen dies.

Durch die oberflächenphysikalischen Untersuchungen (LEED, AES, AFM, Raman) an den Zinn-Schichten und die Bestimmung der supraleitenden Eigenschaften an denselben Zinn-Schichten, konnte erstmals die Abhängigkeit der Supraleitung in zweidimensionalen Schichten von der Morphologie der Schicht direkt bestimmt werden. Da zum einen aus der Untersuchung der kritischen Magnetfelder der Schichten in parallelen und senkrechten Orientierungen zum Magnetfeld klar geht hervor, daß es sich bei den untersuchten Zinn-Schichten um ein quasizweidimensionale Systeme handelt. Zum anderen zeigen die Messungen der Temperaturabhängigkeit des Widerstands, daß eine globale Supraleitung in den granularen Schichten auftritt. Diese globale Supraleitung manifestiert sich in einem scharfen supraleitenden Übergang im Widerstand und einem Widerstandsabfall auf Null und wird unterstützt durch das Verhalten der Strom- Spannungs-Kennlinien, die keine Hinweise auf lokale Supraleitung zeigten. Insgesamt läßt sich daraus schließen, daß in den zweidimensionalen Schichten eine Kopplung der b-Zinn-Inseln in der a-Zinn-Matrix vorliegt.

From the LEED, AES and Raman spectroscopy it is known that the films consist of a-islands in an b-matrix differently from the outcome in the literature. The spectroscopy investigations were taken in the ultrahigh vacuum chamber. The films are grown in islands and the island became smaller with decreasing film thickness which is observed in AFM investigations. From these structural and morphology studies it is well known that the films are two dimensional and it exists a random network of normal-superconductor-normal-contacts. The resistance and susceptibility measurements have shown that the sample morphology had a strong influence on superconducting properties of the tin films. The superconducting critical temperatures of the tin films with different film thickness are clearly smaller as in the bulk material (Tc=3.7 K) this was found in the resistance measurements. The decreasing superconducting critical temperature with decreasing film thickness could be explained with the proximity and size effect. The critical magnetic field Bc of the films had another behavior as in the bulk material too. It was always higher than in the bulk (Bc=30mT) and the critical magnetic field increase with decreasing film thickness. The Explanation of this behavior came from the London theory. The magnetic field variation gets smaller with decreasing thickness in a film with a magnetic field parallel to the film plane. The critical magnetic fields were also higher when the film plane parallel to the external magnetic field. The superconducting tin films are composing a Shubnikov phase in this orientation which was supported from the angular dependence of the critical magnetic field. The dependence on the superconductivity in two dimensional films from the film morphology could be shown directly for the first time because we were taking the surface investigation (LEED, AES, AFM, Raman), resistance and susceptibility measurements on the same sample. On the one hand it is known from the angular dependence of Bc the films are two dimensional, on the other hand the temperature dependence of the resistance is showing the global superconductivity in the granular films. The global superconductivity was observed in the resistance by a sharp drop and falling to zero when the tin film became superconducting. There was also no indication of local superconductivity in the current-voltage-curves. In conclusion, it could say that the superconducting behavior of these tin films is deciding the coupling between the a-islands and the b-matrix in the two-dimensional film.