Универсальный характер туннельной проводимости гетероструктур металл-изолятор-металл с наноразмерными оксидными прослойками

М. А. Белоголовский$^{1}$, И. В. Бойло$^{1}$, В. Е. Шатерник$^{2}$

$^1$Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины, ул. Р. Люксембург, 72, 83114 Донецк, Украина
$^2$Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина

Получена: 22.02.2011. Скачать: PDF

Обсуждаются два универсальных эффекта в туннельных характеристиках слоистых структур металл—изолятор—металл, в которых диэлектрический барьер сформирован наноразмерной разупорядоченной плёнкой оксида: (1) универсальное распределение прозрачностей такого слоя, независящее от конкретных микроскопических характеристик, и (2) изменение дифференциальноий проводимости таких гетероструктур с напряжением по степенному закону с показателем степени, близким к 1,33. Приводятся экспериментальные результаты для сверхпроводящих трёх- и четырёхслойных структур с неоднородными туннельными барьерами, подтверждающие существование универсального распределения их прозрачностей, и его простая теоретическая интерпретация, основанная на гипотезе о равнораспределении произведения высоты барьера на путь, который электрон проходит внутри него. Показано, что с ростом толщины дефектного слоя изолятора доминирующим механизмом проводимости становится неупругое туннелирование с испусканием бозонных возбуждений, в результате чего зависимость дифференциальной проводимости от напряжения приобретает степенной характер с показателем степени, который характеризует число локализованных внутри барьера состояний, вовлечённых в процесс переноса заряда сквозь него. Показано, что для материалов с фононной плотностью состояний, которая слабо зависит от энергии, показатель степени 1,33 соответствует прыжковой туннельной проводимости с участием двух дефектных состояний. Детально обсуждаются соответствующие экспериментальные данные для разупорядоченных диэлектрических слоёв на поверхности манганитов.

Ключевые слова: туннельная проводимость, слоистые системы металл—изолятор—металл, наноразмерные диэлектрические слои, дефектная структура, универсальность.

PACS: 73.23.-b, 73.40.Gk, 73.40.Rw, 74.50.+r, 74.78.Na, 75.47.Lx, 85.25.Am

Citation: M. A. Belogolovskii, I. V. Boilo, and V. E. Shaternik, Universal Character of Tunnelling Conductance of Metal–Insulator–Metal Heterostructures with Nanosize Oxide Interlayers, Usp. Fiz. Met., 12, No. 2: 157—181 (2011) (in Russian), doi: 10.15407/ufm.12.02.157


Цитированная литература (48)  
  1. R. Landauer, IBM J. Res. Develop., 1: 223 (1957); R. Landauer, Philos. Mag., 21: 863 (1970). Crossref
  2. M. Büttiker, Y. Imry, R. Landauer et al., Phys. Rev. B, 31: 6207 (1985). Crossref
  3. M. Büttiker, Phys. Rev. Lett., 65: 2901 (1990). Crossref
  4. S. Dutta, Electronic Transport in Mesoscopic Systems (Cambridge: Cambridge University Press: 1995). Crossref
  5. Ш. М. Коган, УФН, 145: 285 (1985). Crossref
  6. M. B. Weissman, Rev. Mod. Phys., 60: 537 (1988). Crossref
  7. Г. П. Жигальский, УФН, 167: 623 (1997). Crossref
  8. A. Gokse, E. R. Nowak, S. H. Yang et al., J. Appl. Phys., 99: 08A906 (2006).
  9. V. M. Svistunov, V. N. Leonova, M. A. Belogolovskii et al., Mod. Phys. Lett. B, 22: 2811 (2008). Crossref
  10. B. K. Nikolić and P. B. Allen, Phys. Rev. B, 63: R020201 (2001).
  11. K. M. Schep and G. E. W. Bauer, Phys. Rev. Lett., 78: 3015 (1997). Crossref
  12. О. Н. Дорохов, Письма в ЖЭТФ, 36: 259 (1982).
  13. Yu. V. Nazarov, Phys. Rev. Lett., 73: 134 (1994). Crossref
  14. A. H. Steinbach, J. M. Martinis, and M. H. Devoret, Phys. Rev. Lett., 76: 3806 (1996). Crossref
  15. R. J. Schoelkopf, P. J. Burke, A. Kozhevnikov et al., Phys. Rev. Lett., 78: 3370 (1997). Crossref
  16. G. Blonder, M. Tinkham, and T. Klapwijk, Phys. Rev. B, 25: 4515 (1982). Crossref
  17. J. R. Kirtley, Int. J. Mod. Phys. B, 4: 201 (1990). Crossref
  18. D. Averin and A. Bardas, Phys. Rev. Lett., 75: 1831 (1995). Crossref
  19. A. Bardas and D. V. Averin, Phys. Rev. B, 56, No. 14: R8518 (1997). Crossref
  20. Y. Naveh, V. Patel, D. V. Averin et al., Phys. Rev. Lett., 85: 5404 (2000). Crossref
  21. K. K. Likharev, Dynamics of Josephson Junctions and Circuits (Amsterdam: Gordon and Breach: 1991).
  22. E. L. Wolf, Principles of Electron Tunneling Spectroscopy (Oxford: Oxford University Press: 1985).
  23. V. Lacquaniti, N. De Leo, M. Fretto et al., J. Appl. Phys., 108: 093701 (2010). Crossref
  24. M. Gurvitch, M. Washington, and H. Huggins, Appl. Phys. Lett., 42: 472 (1983). Crossref
  25. A. A. Golubov, E. P. Houwman, J. G. Gijsbertsen et al., Phys. Rev. B, 51: 1073 (1995). Crossref
  26. G. Blonder, M. Tinkham, and T. Klapwijk, Phys. Rev. B, 25: 4515 (1982). Crossref
  27. J. A. Melsen and C. W. J. Beenakker, Physica B, 203: 219 (1994). Crossref
  28. D. J. Kim, W. S. Choi, F. Schleicher et al., Appl. Phys. Lett., 97: 263502 (2010). Crossref
  29. A. Gokse, E. R. Nowak, S. H. Yang et al., J. Appl. Phys., 99: 08A906 (2006).
  30. Y. Xu, D. Ephron, and M. R. Beasley, Phys. Rev. B, 52: 2843 (1995). Crossref
  31. J. K. Julin, P. J. Koppinen, and I. J. Maasilta, Appl. Phys. Lett., 97: 152501 (2010). Crossref
  32. C. T. Rogers and R. A. Buhrman, Phys. Rev. Lett., 53: 1272 (1984). Crossref
  33. V, Shaternik , S. Larkin , V. Noskov et al., J. Phys.: Conf. Ser., 97: 012243 (2008). Crossref
  34. V. Shaternik, S. Larkin, and M. Belogolovskii, Int. J. Mod. Phys. B, 23: 3520 (2009). Crossref
  35. V. E. Shaternik, S. Yu. Larkin, M. A. Belogolovskii et al., Металлофиз. новейшие технол., 31, № 2: 271 (2009).
  36. V. E. Shaternik, S. Yu. Larkin, V. L. Noskov et al., J. Phys.: Conf. Ser., 234: 042032 (2010). Crossref
  37. V. E. Shaternik, S. Yu. Larkin, and T. A. Khachaturova, Physica C, 435: 96 (2006). Crossref
  38. N. F. Mott and E. A. Davis, Electronic Processes in Non-Crystalline Materials (New York: Oxford University Press: 1979).
  39. В. М. Свистунов, М. А. Белоголовский, Туннельная спектроскопия квазичастичных возбуждений в металлах (Киев: Наукова думка: 1986).
  40. Л. И. Глазман, К. А. Матвеев, ЖЭТФ, 94: 332 (1988).
  41. M. A. Belogolovskii, Cent. Eur. J. Phys., 7: 304 (2009). Crossref
  42. J. G. Simmons, J. Appl. Phys., 34: 1793 (1963). Crossref
  43. T. Kiyomura, Y. Maruo, and M. Gomi, J. Appl. Phys., 88: 4768 (2000). Crossref
  44. S. Mitani, T. Moriyama, and K. Takanashi, J. Appl. Phys., 93: 8041 (2003). Crossref
  45. S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima et al., Nat. Mater., 3: 868 (2004). Crossref
  46. В. М. Локтев, Ю. Г. Погорелов, Физ. низк. температур, 26: 231 (2000).
  47. E. Dagotto, Nanoscale Phase Separation and Colossal Magnetoresistance (Berlin: Springer-Verlag: 2002). Crossref
  48. C. P. Adams, J. W. Lynn, V. N. Smolyaninova et al., Phys. Rev. B, 70: 134414 (2004). Crossref
Цитируется (1)
  1. A. V. Shaternik, A. P. Shapovalov and T. O. Prikhna, J. Superhard Mater. 36, 180 (2014).