Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de la matière complexe IPMC

Tunnelling experiments in high Tc superconductors : intrinsic and heating effects

Geiges, Thomas ; Forró, László (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3346.

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    Summary
    Tunnelling experiments have played an essential role in the development and verification of theories for superconductivity. They are usually interpreted within the so-called semiconductor model, in which the tunnelling current is given by the convolution of the density of states of the tunnelling electrodes. With a break junction technique, we have measured the current-voltage characteristics I(V) in the high Tc superconductor Bi2Sr2Can-1CunO2(n+2) at different temperatures and doping levels. The derivative dI/dV shows the well-known peak-dip-hump structure. These results, including their dependence on temperature and doping, are similar to that of other tunnelling experiments like scanning tunnelling microscopy, grain boundary junction or mesa structure experiments. In mesa structures it is known that self-heating of the structure is a severe problem. At a bath temperature of 4.2 K, temperatures as high as Tc were measured in the mesa stack already when a voltage comparable to the dip-position was applied. The typical current-voltage characteristics can be described with a heating model, in which all the non-linearities are explained by only the temperature dependence of the junction resistance. It seems that the peak-dip-hump structure is an artefact of Joule heating. This heating model can in principle also explain the peak-dip-hump structure of our break junction measurements. Many features like the temperature or doping dependence of the I(V) characteristics are described naturally. Furthermore we realised that the so-called Kohlrausch relation gives an estimate of the junction temperature in function of the voltage that is consistent with the heating model. The typical features of our spectra are independent of the contact area between the broken parts: this observation has often been used as a proof against heating. The Kohlrausch relation shows that this argument does not hold. For low bath temperatures the relation predicts that a voltage U = 3.6 kBT/ε has to be applied to reach the contact temperature T. This similarity to the BCS relation 2Δ = 3.52 kBTc makes clear that care has to be taken when an experimental feature appears at twice the BCS gap energy Δ: it might be caused by heating. Due to problems of thermal dilatation of the sample holder, the validity of the heating model could only be tested qualitatively for our break junction technique. However, data of grain boundary structures allowed a more precise verification. These results are in very good agreement with the model predictions: the heating model is a valid alternative to the semiconductor model. This work opens many questions concerning the validity of the semiconductor model. We argue that further investigation of heating effects in tunnelling experiments is important.
    Zusammenfassung
    Tunnelexperimente spielten eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung einer Theorie für Supraleitung. Diese Experimente werden normalerweise mit dem so genannten Halbleiter Modell erklärt. Der Tunnelstrom ist dabei durch die Faltung der Zustandsdichten der Tunnelelektroden bestimmt. Mit einer Bruch-Übergang (break junction) Technik haben wir die Strom-Spannungs Kurve I(V) im Hochtemperatur Supraleiter Bi2Sr2Can-1CunO2(n+2) in Abhängigkeit von Temperatur und Dotierung gemessen. Die Ableitung dI/dV zeigt die bekannte "peak-dip-hump" (Scheitelpunkt-Minimum-Buckel) Struktur. Diese Resultate, einschliesslich deren Temperatur- und Dotierungsabhängigkeit gleichen denjenigen von anderen Tunnelexperimenten wie Rastertunnelmikroskop (STM), Korngrenzen-Übergang oder Mesa Struktur Experimente. Es ist bekannt, dass Selbstheizung ein ernst zu nehmendes Problem in Mesa Strukturen ist. Wenn eine Spannung vergleichbar mit derjenigen vom "dip" über der Struktur angelegt wird, können in der Nähe des Mesas Temperaturen so hoch wie Tc gemessen werden, auch wenn die Badtemperatur nur gerade 4.2 K beträgt. Die typische Strom-Spannungs Kurve kann mit einem Heizmodell beschreiben werden, bei welchem alle Nichtlinearitäten einzig durch die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes des Übergans erklärt werden. Es scheint, dass die "peak-dip-hump" Struktur ein Artefakt von Joule-Heizung ist. Dieses Heizmodell kann prinzipiell auch die "peak-dip-hump" Struktur unserer Bruchübergang Messungen erklären. Viele Eigenheiten, wie die Temperatur- oder Dotierungsabhängigkeit werden in natürlicher Weise beschrieben. Wir haben zudem gemerkt, dass die so genannte Kohlrausch-Relation eine spannungsabhängige Kontakttemperatur voraussagt, die recht gut mit derjenigen übereinstimmt, die man vom Heizmodell erwarten würde. Gleichzeitig wird daraus auch klar, dass die Unabhängigkeit unserer Spektren von der Kontaktfläche zwischen den gebrochenen Teilen nicht als Beweis gegen ein Heizmodell gelten kann. Bei tiefen Temperaturen besagt diese Relation, dass eine Spannung von U = 3.6 kBT/ε eine Kontakttemperatur T hervorruft. Aus der Ähnlichkeit zur BCS-Relation 2Δ = 3.52 kBTc geht hervor, dass man sehr vorsichtig umgehen muss mit Merkmalen, die nahe der doppelten Energielückenenergie Δ auftreten: Sie können von Heizeffekten stammen. Da wir in unseren Experimenten Probleme mit der thermischen Ausdehnung des Probenhalters haben, kann die Anwendbarkeit des Heizmodells auf unsere Bruchübergansstrukturen nur qualitativ überprüft werden. Messungen in Korngrenzen-Übergängen erlaubten eine genaue Überprüfung des Heizmodells. Unsere Voraussagen wurden bestätigt: Das Heizmodell kann als gültige Alternative zum Halbleitermodell betrachtet werden. Diese Arbeit stellt viele Fragen zur Gültigkeit des Halbleitermodells in den Raum. Wir schlagen vor, dass eine vertiefte Untersuchung von Heizeffekten in Tunnelexperimenten nötig ist.
    Résumé
    Les expériences d'effet tunnel ont joué un rôle essentiel dans le développement de théories de la supraconductivité. On les interprète habituellement dans le cadre du "modèle semi-conducteur", dans lequel le courant est donné par la convolution de la densité d'états des électrodes. Avec une technique de "break junction" (jonction de cassure), nous avons mesuré la caractéristique courant-tension I(V) à différentes températures et niveaux de dopage dans le supraconducteur à haute Tc Bi2Sr2Can-1CunO2(n+2). La dérivée dI/dV présente la structure bien connue de "peak-dip-hump". Ces résultats, ainsi que la dépendance en température et dopage, sont similaires à ceux d'autres expériences, comme celles de microscopie à effet tunnel, de jonctions à joints de grains ou de structures Mesa. Dans les structures Mesa, on sait que le réchauffement est un sérieux problème. A une température extérieure de 4.2 K, des températures aussi élevées que Tc ont été mesurées près de l'échantillon lorsque des tensions comparables à la position du "dip" sont appliquées. La caractéristique courant-tension typique peut être décrite au moyen d'un modèle de réchauffement, dans lequel toutes les non-linéarités sont expliquées par la dépendance en température de la résistance de la jonction uniquement. Il semble que la structure "peak-dip-hump" soit un artefact dû au réchauffement par effet Joule. Ce modèle de réchauffement peut en principe aussi expliquer la structure "peak-dip-hump" de nos mesures de "break junction". Plusieurs caractéristiques telles que la dépendance en température ou en dopage de la relation I(V) sont décrites de manière naturelle. En outre, nous nous sommes rendu compte que la relation de Kohlrausch, qui relie la tension appliquée et la température du contact, prédit une température qui est consistante avec le modèle de réchauffement. Les caractéristiques typiques de nos spectres sont indépendantes de la surface de contact entre les extrémités de la jonction: cette observation a souvent été utilisée en guise de preuve contre le réchauffement. La relation de Kohlrausch montre que cet argument n'est pas valable. Pour des températures extérieures basses, la relation prédit qu'une tension U = 3.6 kBT/ε doit être appliquée pour atteindre la température du contact T. Le fait que cette expression ressemble à la relation 2Δ = 3.52 kBTc de la théorie BCS met en évidence qu'il faut considérer avec prudence les caractéristiques expérimentales apparaissant autour du double du gap Δ: il pourrait en effet s'agir d'effets de réchauffement. A cause de problèmes de dilatation thermique du porte-échantillon, la validité du modèle n'a pu être testée que qualitativement pour notre technique de "break junction". En revanche, des données de structures de joints de grains ont permis une vérification plus précise du modèle. Ces résultats sont en très bon accord avec les prédictions: ce modèle de réchauffement est donc une alternative valide au modèle semi-conducteur. Ce travail pose de nombreuses questions concernant la validité du modèle semi-conducteur. Nous jugeons nécessaire d'entreprendre une étude approfondie des effets de réchauffement dans les expériences d'effet tunnel.