Temperature dependence of tunneling in intrinsic josephson junctions of high temperature superconductors

Abstract

Terahertz frekans aralığında (0.3-30 THz) koherent aralıksız ve ayarlanabilir bir şekilde elektromanyetik ışıma yapacak kompakt katı-hal kaynaklarının eksikliği, bu ışınlarını elde etmede daha iyi bir aday olan yüksek sıcaklık üstüniletkenlerle çözülebilir. THz kaynakları; materyal karakterize etmede, biyolojide, iletişimde, tıpta ve güvenlik alanlarında geniş uygulama potansiyeline sahiptir. Yüksek sıcaklık üstüniletkenleri ise THz frekans aralığına ışıma yapmak için uygun olan büyük enerji aralıklarına sahiptir. Bu yüzden bu üstüniletkenler eklemli yapı teknolojilerinde, DC voltajı yüksek frekanslı ışımaya çeviren iyi bir dönüştürücü olarak kullanılmaktadırlar. Bir üstüniletken olan Bi2Sr2CaCu2O8+d (Bi2212) tek kristalleri özgün Josephson eklemleri şeklinde anılan doğal üstüniletken yalıtkan üstüniletken gibi üst üste çoklu eklemli yapılar içerir. Isınma olaylarından ötürü küçük düzlemsel ve yanalsal boyutlu mesalar tercih edilmesine rağmen, koherent aralıksız ve güçlü bir şekilde THz ışımalarını elde etmek için, Ca ile zenginleştirilmiş Bi2212 üzerine geniş ve uzun boyutlarda mesalar ürettik. Isınma problemini kontrol edebilmek için normal düzeyin altında O2 katkılandırılmış Bi2212 kullandık. 100x300 µm2 boyutlu mesalar vakumlu buharlaştırma, fotolitografi ve iyon demeti aşındırma metotlarıyla üretildi. Mesaların yükseklikleri ve yanal boyutları Atomik Kuvvet Mikroskobuyla analiz edildi. Bi2212'nin sıcaklığa bağlı c-ekseni özdirencini ve akım-voltaj (I-V) tünelleme niteliklerini inceledik. Bu incelemelerde 300 K ten Tc'ye üssel olarak artan bir özdirenç normal düzeyin altında O2 katkılandırılmış bir Bi2212 üstüniletkeni ile çalışıldığını göstermektedir. Sıcaklıkla değişen I-V ölçümlerinde ısınma olayının etkileri analiz edildi. Son olarak mesaların uzun kenarlarından bolometrik ışıma algılama ölçümleri yapıldı.

The lack of coherent, continuous and tunable compact solid-state sources of electromagnetic radiations at terahertz (THz) frequency range (0.3-30 THz) can be solved by high temperature superconductors (HTS) which are better candidates for generation of THz radiation. THz sources have potential application areas in materials characterization, biology, communication, medicine and security. The HTSs have large energy gap intervals which are available for radiations at THz frequency range, so recently, they were used as better converters from DC-voltage to high frequency radiation in junction technologies. Bi2Sr2CaCu2O8+? (Bi2212) HTS single crystals include natural superconductor-insulator-superconductor multi-junctions called intrinsic Josephson junctions. For generation of coherent continuous and powerful THz radiations, we have fabricated large and tall mesas on Ca rich Bi2212, although mesas with small planar and lateral dimensions were preferred in recent studies because of the heating effect. We have used under-doped Bi2212 to control the heating problem. The mesas with size of 100x300 µm2 have been fabricated by vacuum evaporation, photo-lithography and ion beam etching techniques. Their heights and lateral dimensions were analyzed by Atomic Force Microscopy. We have investigated temperature dependence of c-axis resistivity and current-voltage (I-V) tunneling characteristics of under-doped Bi2212 which exhibit exponentially increases in resistivity from 300 K to Tc. The influences of heating effect were analyzed at temperature evolution of I-V measurements. Finally, bolometric detections of emission from long edges of mesas were done.