RU2197037C1 - Method for producing metal-insulator-high- temperature-superconductor nanostructure - Google Patents

Abstract

FIELD: producing metal-insulator-high-temperature-superconductor or metal-insulator-superconductor structures. SUBSTANCE: method involves exposure of cuprate high-temperature superconductor surface to accelerated particle flux whose energy is sufficient for their penetration into material through depth equal to desired thickness of insulator. Surface is watched in the course of structure formation and exposure is ceased as soon as metal segregate is noted on this surface. In the process nuclear-pure surface of high-temperature superconductor with degradation layer of thickness smaller than desired thickness of insulator is produced in advance in superhigh vacuum. Mentioned exposure on surface is effected by electron current whose energy is higher than minimal activation energy of superconductor metal atoms. EFFECT: ability of producing metal-insulator-superconductor structure with nanodimensions not only in depth but also in plane. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к проблеме получения структур "металл/диэлектрик/высокотемпературный сверхпроводник", или MIS-структур, которые используются для создания таких приборов сверхпроводниковой электроники, как диоды (MIS-diodes) и полевые транзисторы (MISFET, или MIS-field-effect transistors). Их перспективность связана с более высокой, чем у кремния, подвижностью носителей и, следовательно, потенциально очень высоким быстродействием. Кроме того, преимуществом транзисторов со сверхпроводящим каналом является практическое отсутствие потерь в открытом сверхпроводящем состоянии, в принципе, неограниченный коэффициент усиления по току и высокое выходное сопротивление, определяемое параметрами диэлектрического слоя. The invention relates to the problem of obtaining metal / dielectric / high-temperature superconductor structures, or MIS structures, which are used to create superconducting electronic devices such as diodes (MIS-diodes) and field effect transistors (MISFET, or MIS-field-effect transistors) . Their promise is associated with higher carrier mobility than that of silicon and, therefore, potentially very high speed. In addition, the advantage of transistors with a superconducting channel is the practical absence of losses in the open superconducting state, in principle, unlimited current gain and high output impedance, determined by the parameters of the dielectric layer.

В подавляющем большинстве аналогов используется купратный высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП) 123-типа YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO), тонкая пленка которого выращивается на кристаллически согласованных подложках или буферных слоях различными методами, такими, например, как методы магнетронного распыления [1], лазерной абляции [2], молекулярно-пучковой эпитаксии [3]. Так, в одном из аналогов [4] была предложена следующая схема получения обращенной MISFET структуры ("высокотемпературный сверхпроводник/диэлектрик/ металл"). В качестве проводящей подложки выбирается кристалл SrTiО₃, допированный Nb (около 0.05%). Затем на поверхность наносится тонкий (порядка 2-5 нм) слой Pt, слой диэлектрика (SrTiO₃) толщиной 500 нм и, наконец, слой YBCO толщиной 4-10 нм. Для измерения электрических параметров структуры на поверхность сверхпроводника напыляются четыре золотых электрода. Пример еще одной обращенной MISFET структуры приведен в работе [5], в которой эпитаксиальный рост пленки YBCO на поверхности SrТiO₃ обеспечивается методом магнетронного распыления. В другом аналоге [6] обычная (не обращенная) MISFET структура получается следующим образом. На нагретый до температуры Т=570^oС слой ВТСП YBa₂Cu₃O_7-δ направляется поток атомов Mg и молекул О₂. В результате на ВТСП вырастает эпитаксиальный слой диэлектрика MgO. Затем потоки атомов Mg и молекул О₂ заменяют потоком атомов алюминия, и, таким образом, создается слой металла в структуре MIS. Подобным же образом получалась MIS-структура на основе ВТСП YBa₂Cu₃O_7-δ на поверхности MgO (100) методом лазерной абляции при температуре 715-660^oС [7]. Толщины слоев ВТСП и диэлектрика оценивались авторами, как 100 нм и 100-200 нм соответственно. Параметры более поздних аналогов близки к приведенным выше [8, 9 и ссылки в них]. К основным недостаткам рассмотренных аналогов можно отнести, во-первых, невозможность получения тонких слоев структуры и резких границ их раздела из-за весьма эффективной взаимной диффузии ее элементов, особенно активной при используемых температурах формирования (570-720^oС), и, во-вторых, отсутствие средств контроля параметров структур в процессе их получения.The vast majority of analogues use a cuprate high-temperature superconductor (HTSC) 123-type YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ (YBCO), a thin film of which is grown on crystalline matched substrates or buffer layers by various methods, such as, for example, magnetron sputtering [1 ], laser ablation [2], molecular beam epitaxy [3]. So, in one of the analogues [4], the following scheme was proposed for producing an inverted MISFET structure (“high-temperature superconductor / dielectric / metal”). The SrTiO ₃ crystal doped with Nb (about 0.05%) is chosen as the conducting substrate. Then, a thin (of the order of 2-5 nm) Pt layer, a dielectric layer (SrTiO ₃ ) with a thickness of 500 nm, and finally, a YBCO layer of 4-10 nm thickness are applied to the surface. To measure the electrical parameters of the structure, four gold electrodes are sprayed onto the surface of the superconductor. An example of another reversed MISFET structure is given in [5], in which the epitaxial growth of a YBCO film on the surface of SrТiO _{3 is} provided by magnetron sputtering. In another analogue of [6], the usual (not inverted) MISFET structure is obtained as follows. A stream of Mg atoms and O ₂ molecules is directed onto a layer of HTSC YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ heated to a temperature T = 570 ^{° C.} As a result, an epitaxial MgO dielectric layer grows on HTSC. Then the fluxes of Mg atoms and O ₂ molecules are replaced by the flux of aluminum atoms, and thus a metal layer is created in the MIS structure. In a similar way, we obtained a MIS structure based on HTSC YBa ₂ Cu ₃ O _7-δ on a MgO (100) surface by laser ablation at a temperature of 715–660 ^° С [7]. The thicknesses of the HTSC and dielectric layers were estimated by the authors as 100 nm and 100-200 nm, respectively. The parameters of later analogues are close to those given above [8, 9 and references therein]. The main disadvantages of the considered analogues can be attributed, firstly, the impossibility of obtaining thin layers of the structure and sharp boundaries of their separation due to the very effective mutual diffusion of its elements, especially active at the used formation temperatures (570-720 ^o С), and, secondly, the lack of means to control the parameters of structures in the process of obtaining them.

По большинству существенных признаков ближе всех к изобретению относится принципиально отличающийся от приведенных аналогов способ получения наноструктуры "металл/диэлектрик/высокотемпературный сверхпроводник" [10], по которому на поверхность купратного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) DYBa₂Cu₃O_7-δ направляют поток ионов с энергией, необходимой для их проникновения в материал на глубину, равную требуемой толщине диэлектрика, в процессе получения структуры производят наблюдение за поверхностью и прекращают воздействие при обнаружении на ней металлического диспрозия (Dy). Способ основан на обнаруженном авторами явлении сегрегации металлического диспрозия на поверхности образующейся структуры в результате разрыва его химических связей в приповерхностном слое ВТСП, диффузии диспрозия к поверхности и превращения облученного приповерхностного слоя в диэлектрический. Достоинством прототипа является возможность получения квазидвумерных слоистых наноструктур, то есть структур с нанометровыми и субнанометровыми толщинами слоев и границ раздела. Это на один-два порядка меньше, чем у аналогов. Кроме того, прототип позволяет постоянно контролировать технологический процесс in situ и со значительно большей точностью, чем в аналогах, измерять толщины формируемых слоев. Благодаря этим качествам прототип можно отнести к классу управляемых нанотехнологий.According to most of the essential features, the closest to the invention is a method of producing a metal / dielectric / high-temperature superconductor nanostructure [10], which is fundamentally different from the analogues given above, by which an ion flow is directed onto the surface of a cuprate high-temperature superconductor (HTSC) DYBa ₂ Cu ₃ O _7-δ with the energy necessary for their penetration into the material to a depth equal to the required thickness of the dielectric, in the process of obtaining the structure, the surface is monitored and the exposure is stopped when detection of metallic dysprosium (Dy) on it. The method is based on the phenomenon of segregation of metallic dysprosium on the surface of the resulting structure as a result of breaking its chemical bonds in the surface layer of HTSC, diffusion of dysprosium to the surface and the conversion of the irradiated surface layer into a dielectric. The advantage of the prototype is the ability to obtain quasi-two-dimensional layered nanostructures, that is, structures with nanometer and subnanometer layer thicknesses and interfaces. This is one or two orders of magnitude less than that of analogues. In addition, the prototype allows you to constantly monitor the technological process in situ and with much greater accuracy than in analogues, to measure the thickness of the formed layers. Thanks to these qualities, the prototype can be classified as controlled nanotechnology.

Недостатком прототипа является невозможность создания MIS-структур с характерными размерами в плоскости, меньшими латерального разрешения ионных зондов, которое даже для жидко-металлических конструкций не выходит из микронного - субмикронного диапазонов. Вместе с тем, современная наноэлектроника требует достижения в чистых высоковакуумных условиях наноразмеров ее объектов по двум или даже по трем координатам. Так, для создания упоминавшегося выше MIS-полевого транзистора необходима дополнительная обработка, связанная с привлечением невакуумных литографических технологий, которые, к тому же, предполагают использование химических растворов. Получение с помощью имеющихся литографических технологий квазиодномерного баллистического канала весьма проблематично, поскольку разрешение промышленных технологий достигает только 0,2 мкм. (Минимальный характерный размер, достигнутый в реальных MIS-структурах, много больше - 25 мкм [8].) Дополнительным недостатком прототипа является неизбежность распыления ионами ВТСП-материала, что может быть неприемлемо в случае использования тонких исходных пленок. Распылению подвергается и слой металлического сегрегата, а это принципиально ограничивает его толщину в динамическом равновесии его роста и распыления. The disadvantage of the prototype is the impossibility of creating MIS structures with characteristic dimensions in the plane smaller than the lateral resolution of ion probes, which even for liquid-metal structures does not go beyond the micron - submicron ranges. At the same time, modern nanoelectronics requires achieving, in pure high vacuum conditions, the nanoscale of its objects in two or even three coordinates. So, to create the MIS field-effect transistor mentioned above, additional processing is required associated with the use of non-vacuum lithographic technologies, which, moreover, involve the use of chemical solutions. Obtaining a quasi-one-dimensional ballistic channel using the available lithographic technologies is very problematic, since the resolution of industrial technologies reaches only 0.2 μm. (The minimum characteristic size achieved in real MIS structures is much larger - 25 μm [8].) An additional disadvantage of the prototype is the inevitability of sputtering of HTSC material by ions, which may be unacceptable in the case of thin initial films. The layer of the metal segregate is also sprayed, and this fundamentally limits its thickness in the dynamic equilibrium of its growth and spraying.

Предлагаемый способ решает задачу создания MIS-структур, характеризующихся наноразмерами не только по глубине, но и в плоскости. При этом задача решается без распыления материала. The proposed method solves the problem of creating MIS-structures characterized by nanoscale not only in depth but also in the plane. In this case, the problem is solved without spraying the material.

Для этого в известном способе получения наноструктуры "металл/диэлектрик/ высокотемпературный сверхпроводник", по которому на поверхность купратного высокотемпературного сверхпроводника воздействуют потоком ускоренных частиц с энергией, необходимой для их проникновения в материал на глубину, равную требуемой толщине диэлектрика, в процессе получения структуры производят наблюдение за поверхностью и прекращают воздействие при обнаружении на ней металлического сегрегата, согласно формуле изобретения, предварительно в условиях сверхвысокого вакуума (Р<10^-11 Па) создают атомно чистую поверхность высокотемпературного сверхпроводника с толщиной деградированного слоя, меньшей требуемой толщины диэлектрика, и упомянутое воздействие на нее производят потоком электронов с энергией, большей минимальной энергии активации атомов металлов высокотемпературного сверхпроводника.To do this, in the known method for producing a metal / dielectric / high-temperature superconductor nanostructure, according to which the surface of the cuprate high-temperature superconductor is exposed to a stream of accelerated particles with the energy necessary for their penetration into the material to a depth equal to the required thickness of the dielectric, observation is made in the process of obtaining the structure behind the surface and cease exposure when it detects a metal segregate, according to the claims, previously under conditions of verification a high vacuum (P <10 ^-11 Pa) create an atomically clean surface of a high-temperature superconductor with a degraded layer thickness smaller than the required dielectric thickness, and the above-mentioned action on it is produced by a stream of electrons with an energy higher than the minimum activation energy of metal atoms of a high-temperature superconductor.

Предлагаются также способы по п.2 и п.3 получения указанных MIS-структур. Этими способами на поверхности диэлектрического слоя можно получать либо ансамбли металлических кластеров, по существу являющиеся ансамблями квантовых точек, либо пленки металла. Methods according to claim 2 and claim 3 for producing said MIS structures are also proposed. Using these methods, either ensembles of metal clusters, essentially being ensembles of quantum dots, or films of metal, can be obtained on the surface of the dielectric layer.

Так, в п.2 для получения ансамбля кластеров в способе по п.1 воздействие потоком электронов прекращают при обнаружении на поверхности не более одного монослоя атомов металла. So, in claim 2, in order to obtain an ensemble of clusters in the method according to claim 1, the influence of the electron flux is terminated when no more than one monolayer of metal atoms is detected on the surface.

В п.3 для получения пленки металла в способе по п.1 воздействие потоком электронов прекращают при обнаружении на поверхности не менее двух монослоев атомов металла. In claim 3, to obtain a metal film in the method according to claim 1, the action of the electron flux is terminated when at least two monolayers of metal atoms are detected on the surface.

Покажем сущность изобретения. We show the essence of the invention.

Изобретение основано на обнаруженном авторами эффекте сегрегации металлов на поверхности купратных ВТСП материалов под действием потоков атомных частиц: ионов/атомов или электронов. Ранее авторами была обнаружена ионно-стимулированная сегрегация диспрозия на поверхности ВТСП DyBa₂Cu₃O_7-δ, относящегося к одному из наиболее распространенных ВТСП 123-типа: RBa₂Cu₃O_7-δ, где R - любой редкоземельный металл. Найденный в указанном ВТСП эффект лег в основу прототипа. Основанием для предлагаемого изобретения стало обнаружение авторами аналогичных процессов под действием потоков (пучков) ускоренных электронов. Подобие процессов при электронном и ионном воздействиях позволило сделать вывод о несущественности факторов преимущественного ионного распыления кислорода или ионно-стимулированной диффузии и установить механизм обнаруженного эффекта. Первой его ступенью является разрыв химической связи атомов металла с кислородом, стимулированный атомной частицей (ионом или электроном). Затем атомы металла и кислорода диффундируют из приповерхностной области, которая теряет свои сверхпроводниковые свойства и превращается в диэлектрик. Большая часть атомов металла, освободившихся от кислородных связей, в результате диффузии оказывается на поверхности, где они объединяются в металлические сегрегаты: кластеры или пленки (в зависимости от параметров пучка частиц и дозы облучения). Нетривиальным в этом процессе является то, что выходящие на поверхность химически чрезвычайно активные атомы кислорода в конечном счете лишь незначительно окисляют металлический сегрегат и, диффундируя по поверхности, покидают образец. Причиной такого развития процесса является деструктурирующее действие атомного потока, который радикально смещает динамическое равновесие в сторону неокисленного металла. Обнаружение электронно-стимулированного эффекта имеет принципиальное для изобретения значение потому, что потоки электронов могут быть хорошо сфокусированы и к тому же не распыляют материал. Так, латеральное разрешение электронных нанозондов достигает 3-5 нм. Поток электронов сканирующего туннельного электронного микроскопа (СТМ) обеспечивает атомное разрешение. Поэтому использование остросфокусированных электронных пучков и СТМ-потоков, в принципе, позволяет получать MIS-структуры в виде наноостровков, нанопроволок и других фигур любой формы, необходимых для создания приборов. И все это без дополнительного, как в прототипе, привлечения невакуумных литографических технологий, разрешение которых, как отмечалось выше, не превышает 0,2 мкм. Кроме того, предлагаемый подход позволяет получать новые физические объекты, такие как MIS-наноостровки (кластеры), верхнюю часть которых занимают меньшие по размеру кластеры (или кластер) металла. Таким образом, воздействие на ВТСП пучком электронов является существенным признаком нераспыляющего исходный материал способа получения MIS-наноструктур, ограниченных не по одной, а по трем координатам.The invention is based on the effect of metal segregation discovered on the surface of cuprate HTSC materials by the flow of atomic particles: ions / atoms or electrons. Previously, the authors discovered ion-stimulated segregation of dysprosium on the surface of HTSC DyBa ₂ Cu ₃ O _7-δ , which is one of the most common HTSC 123 type: RBa ₂ Cu ₃ O _7-δ , where R is any rare-earth metal. The effect found in the indicated HTSC formed the basis of the prototype. The basis for the present invention was the discovery by the authors of similar processes under the action of streams (beams) of accelerated electrons. The similarity of the processes under electronic and ionic influences allowed us to conclude that the factors of predominant ion sputtering of oxygen or ion-stimulated diffusion are insignificant and to establish the mechanism of the detected effect. Its first step is the breaking of the chemical bond of metal atoms with oxygen, stimulated by an atomic particle (ion or electron). Then the metal and oxygen atoms diffuse from the surface region, which loses its superconducting properties and turns into a dielectric. Most of the metal atoms released from oxygen bonds, as a result of diffusion, appear on the surface, where they are combined into metal segregates: clusters or films (depending on the parameters of the particle beam and radiation dose). Non-trivial in this process is that chemically extremely active oxygen atoms emerging on the surface ultimately only slightly oxidize the metal segregate and, diffusing along the surface, leave the sample. The reason for this development of the process is the destructive effect of the atomic flux, which radically shifts the dynamic equilibrium towards the non-oxidized metal. The detection of an electronically stimulated effect is of fundamental importance for the invention because the electron fluxes can be well focused and also do not spray material. So, the lateral resolution of electron nanoprobes reaches 3-5 nm. An electron stream of a scanning tunneling electron microscope (STM) provides atomic resolution. Therefore, the use of sharply focused electron beams and STM fluxes, in principle, allows one to obtain MIS structures in the form of nanoislands, nanowires, and other shapes of any shape needed to create devices. And all this without additional, as in the prototype, attraction of non-vacuum lithographic technologies, the resolution of which, as noted above, does not exceed 0.2 microns. In addition, the proposed approach allows one to obtain new physical objects, such as MIS nanoislands (clusters), the upper part of which is occupied by smaller metal clusters (or cluster). Thus, the action of an electron beam on an HTSC is an essential sign of a non-atomizing source material of a method for producing MIS nanostructures limited by not one but three coordinates.

Получение неокисленного металлического сегрегата возможно лишь на атомно чистой поверхности образца в условиях сверхвысокого вакуума. Эти признаки изобретения также являются существенными, поскольку на поверхности ВТСП, покрытой слоем адсорбированных молекул остаточной атмосферы, под действием электронов происходят электронно-стимулированные реакции этих молекул между собой (углеводородная полимерная пленка), с ВТСП-подложкой и с сегрегатом (оксиды, карбиды). Сверхвысокий вакуум необходим как для сохранения атомно чистой поверхности, так и для ограничения окисляющих потоков молекул кислорода и воды, а также потоков других молекул остаточной атмосферы (углеводородов), разбавляющих и захоранивающих атомы сегрегата. Заметим, что в прототипе указанные условия не были существенными признаками, поскольку ионный пучок сам очищал поверхность и поддерживал ее чистоту в динамическом равновесии. Obtaining an unoxidized metal segregate is possible only on the atomically clean surface of the sample under ultrahigh vacuum. These features of the invention are also significant, because on the surface of an HTSC coated with a layer of adsorbed molecules of the residual atmosphere, electron-stimulated reactions of these molecules with each other (hydrocarbon polymer film), with an HTSC substrate and with a segregate (oxides, carbides) occur under the action of electrons. An ultrahigh vacuum is necessary both to preserve the atomically clean surface and to limit the oxidizing flows of oxygen and water molecules, as well as the flows of other molecules of the residual atmosphere (hydrocarbons) that dilute and trap segregate atoms. Note that in the prototype, these conditions were not significant, since the ion beam itself cleaned the surface and maintained its purity in dynamic equilibrium.

Приповерхностная область ВТСП, выращенного не in situ и испытавшего взаимодействие, например, с атмосферной водой, деградирует, то есть меняет химическую и кристаллическую структуру на большую глубину, порой на микроны и более. Поэтому существенным признаком является не только очистка поверхности, но и доведение деградированного слоя до толщины, меньшей требуемой толщины диэлектрика в создаваемой MIS-структуре. Существенность этого признака связана с тем, что его невыполнение не позволяет получать структуру с заданной, а не случайной толщиной диэлектрического слоя. Кроме того, деградированный на воздухе слой содержит гидрооксиды, делающие его плохим диэлектриком, характеризуемым большими токами утечки. И, наконец, обнаруженный эффект специфичен для ВТСП, а в деградированном слое он проявляется значительно слабее, так что атомов металла из такого слоя может не хватить для образования сегрегата. The near-surface region of HTSC, grown not in situ and experienced interaction, for example, with atmospheric water, degrades, that is, changes the chemical and crystalline structure to a greater depth, sometimes to microns or more. Therefore, an essential feature is not only cleaning the surface, but also bringing the degraded layer to a thickness less than the required thickness of the dielectric in the created MIS structure. The significance of this feature is due to the fact that its failure to perform does not allow one to obtain a structure with a given rather than random thickness of the dielectric layer. In addition, a layer degraded in air contains hydroxides, making it a poor dielectric, characterized by high leakage currents. And, finally, the discovered effect is specific for HTSC, and in the degraded layer it is much weaker, so there may not be enough metal atoms from such a layer to form a segregate.

Прежде, чем атомы металлов продиффундируют к поверхности в количестве, необходимом для образования металлического сегрегата, должен быть осуществлен разрыв или частичный разрыв химических связей этих атомов и их переход в слабосвязанное состояние. При этом определяющая коэффициент D диффузии атома (D= Do•exp(-E_f/kT)) энергия активации E_f радикально уменьшается, благодаря чему уже при комнатной температуре и обеспечивается поток атомов металлов, достаточно плотный для их взаимодействия и слипания на поверхности с образованием сегрегата (разумеется, атомы решетки всегда диффундируют по кристаллу даже при комнатной температуре, но их плотность и количество ничтожны). Энергия перехода атома в слабосвязанное состояние примерно равна энергии активации E_f. Эта величина невелика (1-4 eV), но она сопоставима с энергией электронов сканирующих электронных микроскопов - одного из наиболее перспективных источников наноразмерных потоков электронов - и может ее превышать. Поэтому ограничение энергии электронов потока значениями, большими минимальной энергии активации атомов металлов ВТСП, также существенный признак изобретения.Before metal atoms diffuse to the surface in the amount necessary for the formation of a metal segregate, a break or partial break of the chemical bonds of these atoms and their transition to a weakly bound state must be made. In this case, the atomic diffusion coefficient D (D = Do • exp (-E _f / kT)), the activation energy E _f drastically decreases, due to which even at room temperature the flow of metal atoms is provided, which is sufficiently dense for their interaction and adhesion on the surface with the formation of a segregate (of course, the lattice atoms always diffuse across the crystal even at room temperature, but their density and quantity are negligible). The energy of transition of an atom to a weakly bound state is approximately equal to the activation energy E _f . This value is small (1-4 eV), but it is comparable with the electron energy of scanning electron microscopes - one of the most promising sources of nanoscale electron fluxes - and can exceed it. Therefore, limiting the energy of flow electrons to values greater than the minimum activation energy of HTS metal atoms is also an essential feature of the invention.

Существенные признаки по пп.2 и 3 связаны с целенаправленным созданием металлического сегрегата нужного типа: либо ансамблей металлических кластеров, либо металлических пленок. Размеры сегрегата в плоскости, то есть размеры пленки или области, занимаемой кластерами, определяются поперечными размерами электронного потока (пучка). Если воздействие потоком электронов прекращают при обнаружении на поверхности не более одного эффективного монослоя металла, металлическая пленка не может сформироваться в принципе. Однако в этом случае атомы металла не распределены на поверхности равномерно и не изолированы друг от друга. В результате выполненных авторами исследований было установлено, что атомы металлов формируют обладающие металлическими свойствами сегрегаты-кластеры, включающие в себя не менее нескольких десятков атомов. В частности, в них можно возбудить плазменные колебания электронов - объемные и поверхностные плазмоны, характеристики которых (энергия, форма спектра, в том числе и соотношение интенсивностей объемного и поверхностного плазмонов) практически идентичны характеристикам соответствующих массивных металлов. Таким образом, формирование не более одного эффективного монослоя атомов сегрегата является существенным признаком изобретения по п.2. The essential features according to paragraphs 2 and 3 are associated with the targeted creation of a metal segregate of the desired type: either ensembles of metal clusters or metal films. The dimensions of the segregate in the plane, that is, the dimensions of the film or the region occupied by the clusters, are determined by the transverse dimensions of the electron beam (beam). If the influence of the electron flux is terminated when no more than one effective monolayer of metal is detected on the surface, a metal film cannot form in principle. However, in this case, the metal atoms are not evenly distributed on the surface and are not isolated from each other. As a result of the studies performed by the authors, it was found that metal atoms form segregates-clusters with metallic properties, including at least several tens of atoms. In particular, plasma oscillations of electrons can be excited in them - volume and surface plasmons, whose characteristics (energy, spectrum shape, including the ratio of the intensities of volume and surface plasmons) are almost identical to the characteristics of the corresponding massive metals. Thus, the formation of no more than one effective monolayer of atoms of the segregate is an essential feature of the invention according to claim 2.

При воздействии на поверхность структуры большими дозами электронов и появлении не менее двух эффективных монослоев атомов металлов формируется сначала квазидвумерная пленка со свойствами, очень близкими к металлическим, а затем и металлическая пленка. При этом даже квазиметаллическая пленка, несмотря на возможную несплошность, обеспечивает проводимость тока и равномерное распределение потенциала вдоль поверхности, то есть ту основную функцию, которая требуется от металлической пленки в MIS-структурах. Поэтому формирование не менее двух эффективных монослоев атомов сегрегата является существенным признаком изобретения по п.3. When a large dose of electrons is exposed to the surface of the structure and at least two effective monolayers of metal atoms appear, first a quasi-two-dimensional film is formed with properties very close to metal, and then a metal film. In this case, even a quasimetallic film, despite the possible discontinuity, ensures current conductivity and uniform distribution of potential along the surface, that is, the main function that is required of a metal film in MIS structures. Therefore, the formation of at least two effective monolayers of segregate atoms is an essential feature of the invention according to claim 3.

Новизна предлагаемого способа связана прежде всего с впервые полученным авторами научным результатом - обнаружением эффекта образования металлических сегрегатов на поверхности купратных ВТСП под действием потоков ускоренных электронов. В прототипе для получения MIS-наноструктур использовалось воздействие на поверхность ВТСП ионами и наблюдение за поверхностью. Методы таких наблюдений известны. Известны и способы подготовки различных атомно чистых поверхностей, приемы выполнения диагностических и технологических действий в условиях сверхвысокого вакуума (Р < 10^-11 Па). Однако приведенная совокупность существенных признаков ведет к достижению нового результата и приводится впервые.The novelty of the proposed method is primarily associated with the scientific result first obtained by the authors — the detection of the effect of the formation of metal segregates on the surface of cuprate HTSCs under the action of accelerated electron flows. In the prototype, to obtain MIS nanostructures, we used the action of HTSC ions on the surface and observation of the surface. Methods of such observations are known. Known and methods for preparing various atomically clean surfaces, techniques for performing diagnostic and technological steps in ultrahigh vacuum (P <10 ^-11 Pa). However, the given set of essential features leads to the achievement of a new result and is presented for the first time.

Способ осуществляют следующим образом. Пленку купратного оксидного ВТСП помещают в высоковакуумную камеру, очищают от слоя адсорбированных молекул, уменьшают толщину деградированного (диэлектрического) слоя или, если это возможно, устраняют его и, наконец, подвергают полученную таким образом атомно чистую поверхность ВТСП воздействию потоком электронов, например, с помощью электронного нанозонда или сканирующего электронного микроскопа. Заметим, что очистка поверхности и удаление деградированного слоя могут осуществляться различными приемами, обусловливающими различную последовательность этих операций. Например, скол в высоком вакууме позволяет решить сразу обе задачи, а при ионном травлении сначала удаляется слой адсорбированных молекул. Воздействие электронами продолжают до тех пор, пока на поверхности не появится металлический сегрегат. Факт появления сегрегата в принципе может быть установлен различными способами. Например, с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Однако наиболее эффективными представляются поверхностно-чувствительные методы электронной спектроскопии. Рассматриваемые процессы электронно-стимулированной модификации ВТСП связаны исключительно с возбуждением электронной системы, а не с нагревом поверхности облучающими электронами, что проверялось по токовым зависимостям. Следовательно, размеры структуры в плоскости определяются только диаметром (поперечными размерами) электронного зонда, а толщины слоев, их элементный и химический состав от этого диаметра не зависят. Поэтому несмотря на то, что в примере был использован имевшийся в распоряжении электронный зонд с невысоким латеральным разрешением (микронный диапазон), можно утверждать, что аналогичная MIS-структура получится и с помощью более острофокусного зонда. The method is as follows. A cuprate oxide HTSC film is placed in a high vacuum chamber, cleaned from the layer of adsorbed molecules, the thickness of the degraded (dielectric) layer is reduced or, if possible, it is removed and, finally, the atomically clean surface of the HTSC thus obtained is exposed to an electron flow, for example, using electron nanoprobe or scanning electron microscope. Note that surface cleaning and removal of the degraded layer can be carried out by various methods, causing a different sequence of these operations. For example, cleavage in high vacuum allows us to solve both problems at once, and during ion etching, a layer of adsorbed molecules is first removed. The exposure to electrons continues until a metal segregate appears on the surface. The fact of the appearance of a segregate can, in principle, be established in various ways. For example, using a scanning tunneling microscope. However, surface-sensitive methods of electron spectroscopy seem to be the most effective. The considered processes of electron-stimulated HTSC modification are associated exclusively with excitation of the electronic system, and not with surface heating by irradiating electrons, which was verified by current dependences. Consequently, the dimensions of the structure in the plane are determined only by the diameter (transverse dimensions) of the electron probe, and the layer thicknesses, their elemental and chemical composition do not depend on this diameter. Therefore, in spite of the fact that the available electron probe with a low lateral resolution (micron range) was used in the example, it can be argued that a similar MIS structure will also be obtained using a more sharp focus probe.

Пример 1. Для реализации способа были взяты с- ориентированные монокристаллы высокотемпературного сверхпроводника 2212-типа: образец A - Bi₂(Sr,Ca)₃Cu₂O_8+δ выделенный в Институте Информатики МИРЭА (Москва, А.А.Буш) из слитка, перекристаллизованного зонной плавкой, и исследовавшийся в работе [II] , и образец В - Bi_2.02Pb_0.21Sr₂Ca_0.93Cu_2.06O_8+δ, Т=84,5К из серии образцов, полученных в работе [12]. Результаты обоих экспериментов, а также экспериментов, выполненных на керамических образцах, оказались подобными. Поэтому ниже будет описан только пример реализации изобретения на образце А.Example 1. To implement the method, c-oriented single crystals of a 2212-type high-temperature superconductor were taken: sample A — Bi ₂ (Sr, Ca) ₃ Cu ₂ O _{8 + δ} isolated at the Institute of Informatics MIREA (Moscow, A. A. Bush) from an ingot recrystallized by zone melting, which was studied in [II], and sample B — Bi _2.02 Pb _0.21 Sr ₂ Ca _0.93 Cu _2.06 O _{8 + δ} , T = 84.5 K from a series of samples obtained in [12]. The results of both experiments, as well as experiments performed on ceramic samples, were similar. Therefore, below will be described only an example implementation of the invention on sample A.

Поскольку возможности для удаления деградированного слоя сколом в вакууме не было, верхний слой образца был сколот в атмосфере сухого азота, которая исключала взаимодействие свежепроготовленной поверхности ВТСП с агрессивной влагой и быстрое образование нового деградированного слоя. Разумеется, свежая поверхность моментально вновь покрывалась слоем адсорбированных молекул. Далее, без соприкосновения с воздухом образец был помещен в высоковакуумную камеру. Контроль поверхности и наблюдение за ней осуществлялись методами электронной оже-спектроскопии (ЭОС), спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (ХПЭЭ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Ток диагностического пучка электронов не превышал 50 нА, что в соответствии с результатами ранее выполненных исследований позволяет осуществлять указанную диагностику без существенной модификации исследуемого материала. После восстановления вакуума до уровня сверхвысокого (Р=2•10^-12 Па) спектры оже-электронов демонстрировали интенсивные линии углеродосодержащих молекул адсорбированного слоя. Вид спектров ХПЭЭ опытного образца заметно отличался от спектров объема ВТСП 2212-типа, которые были получены в экспериментах "на прострел" на тонких

монокристаллических пленках этого материала [13] . В отличие от спектра из эксперимента "на прострел", в котором доминирует пик объемного плазмона ℏω ~ 19 эВ (пик коллективных, или плазменных колебаний валентных электронов), в спектрах исходной поверхности опытного образца доминировал пик ℏω ~ 13-15 эВ, наблюдаемый в многочисленных экспериментах "на отражение" и связанный, как будет показано ниже, с модифицированной поверхностью. Поэтому дальнейшая очистка поверхности и восстановление остаточного деградированного слоя осуществлялась прогревом образца, выбор режима которого определялся достижением энергии связи остовного электрона кислорода своего значения в ВТСП: E_b(Ols)=529 эВ [14]. В результате такой процедуры оже-линии углерода исчезли, а в спектрах ХПЭЭ стал доминировать пик объемного плазмона сверхпроводника (ℏω ~ 19 эВ). Пик плазмона модифицированной поверхности исчез. Поэтому был сделан вывод о практически полном восстановлении атомно чистого поверхностного слоя опытного сверхпроводника и об отсутствии на нем диэлектрического слоя, появляющегося в результате деградации ВТСП.Since there was no possibility to remove the degraded layer by chipping in a vacuum, the upper layer of the sample was chipped in an atmosphere of dry nitrogen, which excluded the interaction of the freshly prepared HTSC surface with aggressive moisture and the rapid formation of a new degraded layer. Of course, the fresh surface was instantly again covered with a layer of adsorbed molecules. Further, without contact with air, the sample was placed in a high vacuum chamber. The surface was monitored and monitored by Auger electron spectroscopy (EOS), characteristic electron energy loss spectroscopy (XEE) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The current of the diagnostic electron beam did not exceed 50 nA, which, in accordance with the results of previous studies, allows the specified diagnostics to be carried out without significant modification of the test material. After the vacuum was restored to an ultrahigh level (P = 2 • 10 ^-12 Pa), the Auger electron spectra showed intense lines of carbon-containing molecules of the adsorbed layer. The shape of the KhPEE spectra of the prototype was noticeably different from the spectra of the HTSC 2212-type volume, which were obtained in experiments on the backache on thin

single-crystal films of this material [13]. In contrast to the spectrum from the lumbago experiment, in which the peak of the bulk plasmon ℏω ~ 19 eV (the peak of collective or plasma vibrations of valence electrons) dominates, the peak ℏω ~ 13-15 eV, observed in numerous “reflection” experiments and associated, as will be shown below, with a modified surface. Therefore, further cleaning of the surface and restoration of the residual degraded layer was carried out by heating the sample, the choice of the mode of which was determined by reaching the binding energy of the core oxygen electron of its value in HTSC: E _b (Ols) = 529 eV [14]. As a result of this procedure, the Auger lines of carbon disappeared, and the peak of the bulk superconductor plasmon (ℏω ~ 19 eV) began to dominate in the XPSE spectra. The plasmon peak of the modified surface disappeared. Therefore, it was concluded that the atomically clean surface layer of the experimental superconductor is almost completely restored and that there is no dielectric layer on it that appears as a result of HTSC degradation.

После этого поверхность ВТСП была подвергнута технологическому электронному облучению, для которого использовался тот же диагностический пучок, но большего тока. Энергия ударяющих электронов в диагностическом и технологическом режимах была равна Е_о = 1500 eV, то есть много больше энергии активации E_f ~ 2 эВ. (За оценочную величину этой энергии была принята теплота образования оксида висмута, BiO - 207,24 кДж/моль [15], поскольку, как будет показано ниже, диффузия металла идет преимущественно из BiO-слоев ВТСП). Толщина диагностируемого методом ХПЭЭ слоя для энергии Е_о=1500 eV составляет величину порядка длины свободного пробега

. Толщина диэлектрического слоя MIS-структуры, задаваемая средней глубиной проникновения электронов, на которой выделяется максимальная энергия, была оценена по формулам из работы [16]. В приводимом примере глубина, соответствующая максимуму потерь энергии технологического пучка, составляет примерно

.After that, the surface of the HTSC was subjected to technological electron irradiation, for which the same diagnostic beam was used, but with a larger current. The energy of impacting electrons in the diagnostic and technological modes was equal to E _o = 1500 eV, that is, much more than the activation energy E _f ~ 2 eV. (The heat of formation of bismuth oxide, BiO, 207.24 kJ / mol [15], was taken as the estimated value of this energy, because, as will be shown below, the diffusion of the metal occurs predominantly from the HTO BiO layers). The thickness of the layer diagnosed by the KhEEE method for energy E _о = 1500 eV is of the order of the mean free path

. The thickness of the dielectric layer of the MIS structure, given by the average penetration depth of electrons at which the maximum energy is released, was estimated using the formulas from [16]. In the given example, the depth corresponding to the maximum energy loss of the technological beam is approximately

.

Результаты наблюдения методом ХПЭЭ за поверхностной областью ВТСП в процессе электронного облучения могут быть проиллюстрированы фиг.1, на которой приведены спектры ХПЭЭ, то есть зависимости интенсивности рассеянных поверхностью электронов (I, отн. ед.) от величины потерянной энергии (ΔЕ, эВ). Кривая 1 соответствует восстановленной сверхпроводниковой поверхности и характеризуется, как отмечалось выше, интенсивным объемным плазмоном сверхпроводника. Кривые 2, 3 и 4 относятся к ХПЭЭ спектрам, измеренным в промежутках между облучениями с примерно равными дозами. Обратимость электронно-стимулированной модификации поверхности ВТСП в пределах использованных доз облучения демонстрируется кривой 5, полученной отжигом по упомянутой процедуре после облучения с максимальной дозой. Результатом электронного воздействия является радикальное уменьшение относительной интенсивности плазмона сверхпроводника, появление и рост интенсивности линии модифицированной поверхности. Покажем, что эта линия соответствует объемному и поверхностному плазмонам металлического висмута (Bi). The results of the observation by the KhEEE method of the surface region of the HTSC during electron irradiation can be illustrated in Fig. 1, which shows the KhEEE spectra, i.e., the dependences of the intensity of the electrons scattered by the surface (I, rel. Units) on the amount of energy lost (ΔЕ, eV). Curve 1 corresponds to the reconstructed superconductor surface and is characterized, as noted above, by the intense bulk plasmon of the superconductor. Curves 2, 3, and 4 relate to the XEEE spectra measured in the intervals between exposures with approximately equal doses. The reversibility of the electronically stimulated surface modification of the HTSC within the used radiation doses is demonstrated by curve 5 obtained by annealing according to the above procedure after irradiation with the maximum dose. The result of electronic exposure is a radical decrease in the relative intensity of the plasmon superconductor, the appearance and increase in the intensity of the line of the modified surface. We show that this line corresponds to the bulk and surface plasmons of metallic bismuth (Bi).

Для этого выделим из спектра облученного образца вклад тех частей анализируемого объема, которые не модифицировались электронным пучком или модифицировались не очень значительно. То есть вычтем из анализируемого спектра пропорционально уменьшенный спектр немодифицированного сверхпроводника таким образом, чтобы в искомом разностном спектре не было физически бессмысленных участков с отрицательными значениями. Процедура и результат такого вычитания иллюстрируется фиг. 2, на которой представлены спекры ХПЭЭ образца, подвергнутого максимальному облучению (кривая 4'), исходный спектр, уменьшенный почти в два раза (кривая 5'), и разностный спектр (4'-0.6•5'), и фиг.3, где показан разностный спектр (пунктир) и спектр металлического висмута (сплошная кривая). Для большей корректности спектры ХПЭЭ были подвергнуты дополнительной обработке: по известной процедуре [17] из них были вычтены вклады многократного рассеяния, монотонно увеличивающиеся при увеличении потерянной энергии. Такой подход позволяет достичь большей точности анализа в случае малых доз облучения и тонких слоев сегрегата. Сравнение разностного спектра (4'-0.6•5') со спектром металлического висмута (0.3•Bi_met) (фиг.3) позволяет констатировать практически полное совпадение этих спектров в области объемного и поверхностного плазмонов (Е_е < 20 эВ). Незначительный сдвиг центра тяжести разностного спектра в область меньших энергий обусловлен небольшим вкладом в висмутовый сегрегат атомов кальция и стронция, энергии плазмонов которых меньше. Появление незначительного высокоэнергетического (Е_е ~ 35 эВ) пика в разностном спектре обусловлено вкладом оксидов CaO, SrO и Вi₂O₃. Наблюдение металлического сегрегата висмута по факту возбуждения его плазмонов и было основанием для остановки процесса. В результате была получена MIS-структура, в которой самым глубоким является слой недеградированного сверхпроводника, его толщина задается толщиной исходного образца. (В ряде экспериментов авторами использовались ВТСП-пленки толщиной в

[18] ). Затем идет слой оксидного диэлектрика, полученного в результате электронно-стимулированного преобразования ВТСП, которое сопровождается потерей части кислорода и нарушением стехиометрии ВТСП, его толщина, как было показано выше, не превышает нескольких нанометров. И, наконец, верхний слой структуры состоит из субнанометрового металлического сегрегата висмута, который может находиться либо в кластерном, либо в пленочном состояниях. Таким образом, задача создания MIS-наноструктуры, ограниченной в плоскости микронными размерами электронного зонда, решена без распыления исходного ВТСП-материала.For this, we distinguish from the spectrum of the irradiated sample the contribution of those parts of the analyzed volume that were not modified by the electron beam or were not modified significantly. That is, we subtract from the analyzed spectrum a proportionally reduced spectrum of the unmodified superconductor so that there are no physically meaningless sections with negative values in the desired difference spectrum. The procedure and result of such subtraction is illustrated in FIG. 2, which shows the XPSE spectra of the sample subjected to maximum irradiation (curve 4 '), the initial spectrum, almost halved (curve 5'), and the difference spectrum (4'-0.6 • 5 '), and FIG. 3, where the difference spectrum (dashed line) and the spectrum of metallic bismuth (solid curve) are shown. For more correctness, the XPSE spectra were subjected to additional processing: according to the well-known procedure [17], multiple scattering contributions that monotonically increase with increasing energy loss were subtracted from them. This approach allows to achieve greater accuracy of the analysis in the case of small doses of radiation and thin layers of the segregate. A comparison of the difference spectrum (4'-0.6 • 5 ') with the spectrum of metallic bismuth (0.3 • Bi _met ) (Fig. 3) allows us to state the almost complete coincidence of these spectra in the region of bulk and surface plasmons (E _e <20 eV). The insignificant shift of the center of gravity of the difference spectrum to the region of lower energies is due to the small contribution of calcium and strontium atoms to the bismuth segregate, whose plasmon energies are lower. The appearance of an insignificant high-energy (Е _е ~ 35 eV) peak in the difference spectrum is due to the contribution of CaO, SrO, and Bi ₂ O ₃ oxides. The observation of a metal bismuth segregate upon the fact of excitation of its plasmons was the basis for stopping the process. As a result, a MIS structure was obtained in which the layer of an undegraded superconductor is the deepest; its thickness is determined by the thickness of the initial sample. (In a number of experiments, the authors used HTSC films with a thickness of

[18] ). Then comes the oxide dielectric layer obtained as a result of the electron-stimulated conversion of HTSC, which is accompanied by the loss of part of the oxygen and the violation of the stoichiometry of HTSC; its thickness, as shown above, does not exceed several nanometers. And finally, the upper layer of the structure consists of a subnanometer metallic bismuth segregate, which can be either in a cluster or in a film state. Thus, the problem of creating a MIS nanostructure, limited in the plane by the micron dimensions of the electron probe, was solved without sputtering the initial HTSC material.

Пример 2. В условиях примера 1 ставилась задача получения металлических кластеров висмута на вершине MIS-структуры. Задача решалась в соответствии с п.2 формулы изобретения. А именно, процесс останавливался при обнаружении на поверхности структуры такого количества висмута, которого недостаточно для формирования висмутового монослоя. Факт формирования металлических кластеров устанавливался, как и в примере 1, по обнаружению плазмонов металлического висмута. Заметим, что если бы атомы висмута в количестве меньше одного монослоя не образовывали кластеры, а были бы равномерно распределены по поверхности, наблюдать указанный плазмон было бы невозможно. Количество висмута на поверхности определялось сравнением интенсивности плазменного пика висмута в спектрах ХПЭЭ, измеренных для опытного образца и для массивного металлического висмута в одинаковых экспериментальных условиях. Так, для спектра, полученного при минимальной дозе облучения (фиг.1, кривая 2), интенсивность плазменного пика оказалась равной примерно одной десятой от интенсивности пика массивного металла:
I_BTCП/I_Bi = d/λ = 0,1,
где d - эффективная толщина сегрегата,

- длина свободного пробега электрона.Example 2. Under the conditions of Example 1, the goal was to obtain metallic bismuth clusters at the top of the MIS structure. The problem was solved in accordance with paragraph 2 of the claims. Namely, the process stopped when a quantity of bismuth was found on the surface of the structure that was not enough for the formation of a bismuth monolayer. The fact of the formation of metal clusters was established, as in example 1, by the detection of plasmons of metallic bismuth. We note that if bismuth atoms in an amount of less than one monolayer did not form clusters, but were uniformly distributed over the surface, it would be impossible to observe the indicated plasmon. The amount of bismuth on the surface was determined by comparing the intensity of the plasma peak of bismuth in the XPSE spectra measured for the prototype and for massive metallic bismuth under the same experimental conditions. So, for the spectrum obtained with the minimum radiation dose (Fig. 1, curve 2), the intensity of the plasma peak turned out to be approximately one tenth of the intensity of the peak of the bulk metal:
I _BTCP / I _Bi = d / λ = 0.1,
where d is the effective thickness of the segregate,

is the mean free path of an electron.

С учетом известной концентрации атомов висмута в монослое (n=1•10¹⁵ cm^-2 [13]) был сделан вывод о накоплении на поверхности такого количества висмута в кластерах, которое эквивалентно 0.8 монослоя. В этот момент задача было решена и процесс был остановлен.Taking into account the known concentration of bismuth atoms in the monolayer (n = 1 • 10 ¹⁵ cm ^{– 2} [13]), it was concluded that there is an accumulation on the surface of such an amount of bismuth in clusters that is equivalent to 0.8 monolayer. At this point, the problem was solved and the process was stopped.

Пример 3. В условиях примера 1 ставилась задача получения металлической (квазиметаллической) пленки висмута на вершине MIS-структуры. Задача решалась в соответствии с п.3 формулы изобретения. А именно, процесс останавливался при обнаружении на поверхности структуры такого количества висмута, которое эквивалентно более чем двум монослоям висмута. Факт формирования металлической пленки устанавливался, как и в примерах 1 и 2, по обнаружению плазмонов металлического висмута. Количество висмута на поверхности определялось, как и в примере 2, сравнением интенсивности плазменного пика висмута в спектрах ХПЭЭ, массивного металлического висмута в одинаковых экспериментальных условиях:
I_BTCП/I_Bi = d/λ = 0,3.Example 3. Under the conditions of Example 1, the task was to obtain a metal (quasimetallic) bismuth film at the top of the MIS structure. The problem was solved in accordance with paragraph 3 of the claims. Namely, the process stopped when a quantity of bismuth was detected on the surface of the structure, which is equivalent to more than two bismuth monolayers. The fact of the formation of a metal film was established, as in examples 1 and 2, by the detection of plasmons of metallic bismuth. The amount of bismuth on the surface was determined, as in example 2, by comparing the intensity of the plasma peak of bismuth in the spectra of CEEE, massive metal bismuth in the same experimental conditions:
I _BTCP / I _Bi = d / λ = 0.3.

Указанному соотношению соответствует пленка толщиной около 2,5 монослоев. В этот момент процесс электронного облучения был остановлен. The specified ratio corresponds to a film with a thickness of about 2.5 monolayers. At this point, the process of electron irradiation was stopped.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать без распыления исходного материала уникальные MIS-структуры со слоями субнанометровой и нанометровой толщины, размеры которых в плоскости слоев ограничены размерами (диаметром) действующего на образец электронного пучка. Аналогично получаются ограниченные размерами электронного пучка наноструктуры "металлические кластеры/диэлектрик/ сверхпроводник". Кроме того, исследования, проведенные на купратных ВТСП двух самых распространенных типов 2212 и 123, позволяют сделать вывод о возможности электронно-стимулированного получения указанных структур на всех купратных ВТСП. Thus, the proposed method allows to obtain unique MIS structures with subnanometer and nanometer thicknesses without sputtering the starting material, the dimensions of which in the plane of the layers are limited by the size (diameter) of the electron beam acting on the sample. Similarly, the "metal clusters / dielectric / superconductor" nanostructures limited by the size of the electron beam are obtained. In addition, studies conducted on cuprate HTSCs of the two most common types 2212 and 123 allow us to conclude that it is possible to electronically stimulate these structures at all cuprate HTSCs.

Литература
1. K.Takahashi, M.Iyori, M.Kamino, T.Usuki, Y.Yoshisato, S.Nakano, Jpn. J. Appl. Phys, v. 30, p. L1480 (1991).Literature
1. K. Takahashi, M. Iyori, M. Kamino, T. Usuki, Y. Yoshisato, S. Nakano, Jpn. J. Appl. Phys, v. 30, p. L1480 (1991).

2. B.M.Moon, C.E.Platt, R.A.Schweinfurth, D.J.Van Harlinger, Appl. Phys. Lett., v. 59, p. 1905-1907 (1991). 2. B.M. Moon, C.E. Platt, R.A. Schweinfurth, D.J. Van Harlinger, Appl. Phys. Lett., V. 59, p. 1905-1907 (1991).

3. В.В.Мамутин, П.С.Копьев, А.В. Захаревич, Н.Ф.Картенко, В.М.Микушкин, С. Е. Сысоев, Сверхпроводимость: физика, химия, техника (СФХТ), т.6, N 4, с. 797-806 (1993). 3. V.V. Mamutin, P.S. Kopiev, A.V. Zakharevich, N.F. Kartenko, V.M. Mikushkin, S.E. Sysoev, Superconductivity: Physics, Chemistry, Technology (SFC), v.6, N 4, p. 797-806 (1993).

4. J.Mannhart, D.G.Schlom, J.G.Bednorz, K.A.Muller, Phys.Rev. Lett., v. 67(15), p.2099-2101 (1991); J.Mannhart, J.Strobel, J.G.Bednorz, and Ch.Gerber, Appl.Phys.Lett, v.62, p.630-632 (1993). 4. J. Mannhart, D. G. Schlom, J. G. Bednorz, K. A. Muller, Phys. Rev. Lett., V. 67 (15), p. 2099-2101 (1991); J. Mannhart, J. Strobel, J. G. Bednorz, and Ch. Gerber, Appl. Phys. Lett., V. 62, p. 630-632 (1993).

5. K.Nakajima, K.Yokota, H.Myoren, J.Chen, T.Yamashita, Appl.Phys.Lett., v. 63(5), p.684-686 (1993). 5. K. Nakajima, K. Yokota, H. Myoren, J. Chen, T. Yamashita, Appl. Phys. Lett., V. 63 (5), p. 684-686 (1993).

6. U. Kabasawa, K. Asano and T.Kobayashi, Jpn.J.Appl.Phys., v.29, L86 (1990). 6. U. Kabasawa, K. Asano and T. Kobayashi, Jpn. J. Appl. Phys., V. 29, L86 (1990).

7. T. Fujii, K.Sakuta, T.Awaji, K.Matsui, T.Hirano, Y.Ogawa and T.Kobayachi, J. Appl. Phys., v. 31, p. L612 - L615 (1992). 7. T. Fujii, K. Sakuta, T. Awaji, K. Matsui, T. Hirano, Y. Ogawa and T. Kobayachi, J. Appl. Phys., V. 31, p. L612 - L615 (1992).

8. B. T.Liu, Z.Hao, Y.F.Chen, B.Xu, H.Chen, F.Wu, B.R.Zhao, Yu.Kislinskii, and E.Stepantsev, Appl. Phys. Lett., v. 74, p. 2044-2046 (1999). 8. B. T. Liu, Z. Hao, Y. F. Chen, B. Xu, H. Chen, F. Wu, B. R. Zhao, Yu. Kislinskii, and E. Stepantsev, Appl. Phys. Lett., V. 74, p. 2044-2046 (1999).

9. Б. И. Смирнов, Т. С. Орлова, S.Sengupta, K.C.Goretta, ФТТ, т.42, с. 1172-1175(2000). 9. B. I. Smirnov, T. S. Orlova, S. Sengupta, K. C. Goretta, FTT, v. 42, p. 1172-1175 (2000).

10. Ю. С. Гордеев, В. В. Мамутин, В.М.Микушкин, С.Е.Сысоев, Патент РФ 2156016 от 5.01.99 г., БИ 25, сент. 2000. 10. Yu. S. Gordeev, V.V. Mamutin, V.M. Mikushkin, S.E. Sysoev, RF Patent 2156016 dated 5.01.99, BI 25, Sept. 2000.

11. Г.В.Михайлов, В.М.Микушкин, А.Г.Панфилов, А.Н.Старухин, А.Б.Чугреев, В.В.Шнитов, А.А.Буш, ФТТ, т. 36б, N 11б, с. 3450-3455 (1994). 11. G.V. Mikhailov, V. M. Mikushkin, A. G. Panfilov, A. N. Starukhin, A. B. Chugreev, V. V. Shnitov, A. A. Bush, FTT, vol. 36b, N 11b, s. 3450-3455 (1994).

12. Мошкин С. В. , Власов М. Ю. , Кузьмина М.А., Рывенко В.Ф. и др., Сверхпроводимость: физика, химия, техника (СФХТ), т.4, N5, с. 1017-1023 (1991). 12. Moshkin S. V., Vlasov M. Yu., Kuzmina M.A., Ryvenko V.F. et al., Superconductivity: physics, chemistry, technology (SFC), v.4, N5, p. 1017-1023 (1991).

13. N. Nucker, H.Romberg, S.Nakai, B.Sceerer, J.Fink, Y.F.Yan and Z.X. Zhao, Phys.Rev.B, v. 39, p.12379 (1989); Fink, J., Nucker, N, Pellegrin, E., Romberg, H. , Alexander, M., Knupfer, M., J., Electron Spectroscopy and Related Phenomena, v. 66, p. 395-452 (1994). 13. N. Nucker, H. Romberg, S. Nakai, B. Sceerer, J. Fink, Y. F. Yan and Z.X. Zhao, Phys. Rev. B., v. 39, p. 12379 (1989); Fink, J., Nucker, N, Pellegrin, E., Romberg, H., Alexander, M., Knupfer, M., J., Electron Spectroscopy and Related Phenomena, v. 66, p. 395-452 (1994).

14. В.М.Микушкин, А.В. Захаревич, А.Ю.Фишер, Письма в ЖТФ, т. 19, N2, с. 5-10(1993). 14.V.M. Mikushkin, A.V. Zakharevich, A.Yu. Fisher, Letters to the ZhTF, vol. 19, N2, p. 5-10 (1993).

15. И. Р. Полывянный, А.Д.Абланов, С.А.Батырбекова, "Висмут", Алма-Ата, Наука КАССР, 1989, с.30-32, 315 с. 15. I.R. Polyvyanny, A.D. Ablanov, S.A. Batyrbekova, Bismuth, Alma-Ata, Science of the KASSR, 1989, pp. 30-32, 315 pp.

16. H.-J.Fitting, H.Glaefeke, and W.Wild, Phys.State Solid (A), v.43, p. 185-190 (1977). 16. H.-J. Fitting, H. Glaefeke, and W. Wild, Phys. State Solid (A), v. 43, p. 185-190 (1977).

17. Yu. M.Shul'ga, V.I.Rubtsov, A.S.Lobach. Z.Phys.B, v. 93, p. 327-331 (1994). 17. Yu. M.Shul'ga, V.I. Rubtsov, A.S. Lobach. Z.Phys.B, v. 93, p. 327-331 (1994).

18. Ю. С. Гордеев, П. С.Копьев, В.В.Мамутин, В.М.Микушкин, С.Е.Сысоев, Сверхпроводимость: физика, химия, техника (СФХТ), т. 7, N8-9, с. 1417-1425(1994). 18. Yu. S. Gordeev, P. S. Kopiev, V. V. Mamutin, V. M. Mikushkin, S. E. Sysoev, Superconductivity: Physics, Chemistry, Technology (SFC), vol. 7, N8-9 , from. 1417-1425 (1994).

Claims (3)

1. Способ получения наноструктуры "металл/диэлектрик/высокотемпературный сверхпроводник", по которому на поверхность купратного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) воздействуют потоком ускоренных частиц с энергией, необходимой для их проникновения в материал на глубину, равную требуемой толщине диэлектрика, в процессе получения структуры производят наблюдение за поверхностью и прекращают воздействие при обнаружении на ней металлического сегрегата, отличающийся тем, что предварительно в условиях сверхвысокого вакуума получают атомно-чистую поверхность ВТСП с толщиной деградированного слоя, меньшей требуемой толщины диэлектрика, и упомянутое воздействие на нее производят потоком электронов с энергией, большей минимальной энергии активации атомов металлов ВТСП. 1. A method of producing a metal / dielectric / high-temperature superconductor nanostructure, in which the surface of a cuprate high-temperature superconductor (HTSC) is exposed to a stream of accelerated particles with the energy necessary for their penetration into the material to a depth equal to the required thickness of the dielectric, in the process of obtaining the structure observation of the surface and cease exposure when it detects a metal segregate, characterized in that previously under ultrahigh vacuum, dissolved atomically clean surface HTSC layer to the thickness of the degraded lower than required dielectric thickness, and said effect it produces a stream of electrons with energy greater than the minimum activation energy HTS metal atoms. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие потоком электронов прекращают при обнаружении на поверхности не более одного эффективного монослоя атомов металла. 2. The method according to p. 1, characterized in that the influence of the electron flux is terminated when it detects on the surface no more than one effective monolayer of metal atoms. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие потоком электронов прекращают при обнаружении на поверхности не менее двух эффективных монослоев атомов металла. 3. The method according to p. 1, characterized in that the influence of the electron flow is terminated upon detection of at least two effective monolayers of metal atoms on the surface.

Images