Введение к работе
Актуальность работы. Важность работ по изучению электронного строения и эмиссионных свойств високотемпературних ОКСИДНІЙ монокрисгалляческих сверхпроводников (ВТСП) методами полевой электронной эмиссионной микроскопия и спектроскопии обусловлена следующими причинами:
Во-первых, изучение ВТСП материалов полевыми эмиссионными методами позволит составить более полное представление об электронном строении новых материалов, внесет вклад в общую физическую картипу высокотемпературной сверхпроводимости. ВТСП - достаточно слодашй объект исследования для методов, в которых состояние поверхности является определяющим. Это связано с относительной нестойкость»! новых материалов, приводящей к быстрой потере кислорода в приповерхностном слое в условиях вакуума, и, следовательно, и изменению физических свойств. Кроме того, такие' традшвюппо применяеше методы получения чистой поверхпости, КПК высокотемпературный прогрев в вакууме, ионная или электронная бомбардировка и другие в случае ВТСП вадут к необратимым изменениям материала и потере сверхпроводящих свойств. Сложность получения чистой, отражавшей свойства объема, поверхности при проведении экспериментов с новыми материалами привели к разногласиям мевду различными группами исследователей. Одним из способов получения чистой поверхности ВТСП материалов является очястка полевым испарением в сверхвысоком вакууме. Применение методов полевой конной микроскопии (ПИИ), полевой электронной эмиссионной микроскопии (ПЭЭМ) и полевой электронной ЭМИССИОННОЙ спектроскопии (ПЭЭО) позволит изучить электронное строение И
эмиссионные свойства ВТСП материалов с этомногладкой и чистой поверхностью в непосредственной взаимосвязи с их реальной кристаллической структурой без какого - либо термического, радиационного или химического воздействия на материал. Во-вторых, возможное применение ВТСП материалов в технике требует знания их эмиссионных характеристик.
Цель работы. Исследование электронного строения и эмиссионных свойств ВТСП монокристаллов YBagCu-jQ^ с различной стехиометрией по кислороду в широком температурном диапазоне полевыми эмиссионными методами.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем :
-
Разработаны оригинальная установка и методика эксперимента, позволяющие методвми полевой электронной эмиссионной микроскопии и спектроскопии исследовать материалы с атомногладкой, очищенной полевым испарением поверхностью в непосредственной взаимосвязи с их реальной атомной структурой, исключая термическое, радиационное или химическое воздействие на образец-эмиттер.
-
Предложен метод приготовления образцов-эмиттеров с радиусами закругления вершины 10 - 100 нм из монокристаллов системы RBa2Cu30Y_x (где R - редкоземельный элемент) для исследования методами долевой эмиссионной микроскопии и полевой электронной эмиссионной спектроскопии.
3. Исследованы методами полевой электронной эмиссионной
микроскотапм и спектроскопии YBapCu30.f_K монокристаллы с различной
стехиометрией по кислороду при разных температурах. Показано, что
подавая'электронная эмиссия сверхпроводящих YBa^CUjOg 9 материялов имеет схожие черты с нолевой электронной эмиссией металлов. Несверхпроводящнв YBagCUjO^ монокристаллы обладает иолупроводниковымя свойствами.
-
Впервые показано, что с повышением высокого напряжения (и. соответственно, напряженности электрического поля на поверхности образца-острия) электрояяыо спектры УВа2Сі'3аг_х монокристяллвческих эмиттеров сдвигаются по шкале энергий. Предложен метод определения концентрации электронов проводимости в объема ВТСП магериалов по смещению положения уровня 0.67 Ферми края электропного спектра' на вашле энергия под действием электрического поля. Опппделена копцентраїшя злектропов проводимости в объеме YBaoCu^Og д монокристаллов при температуре выше Т„ : п а (2 + 4) 102 см~3. Показано, что концентрация электронов проводимости не меняется в диапазоне температур 115 - 300 К.
-
Определена работа выхода кристаллографического направления (1001 <^oq и зоны Г00ІJ *eW Ba2Cu306 g монокристаллов методом полевой электронной эмиссионной микроскопии: *100 - 5.5 * 6.1 эВ и
6. Впервые методом полевой электронной эмиссионной
спектроскопии зарегистрирована сверхпроводящая энергетическая щель
и определена ширина энергетической сверхпроводящей щели
кристаллографического направления И 00! УВа^Си^и^ ^
монокристаллов с зтомнечистой поверхностью, измеренная при 75 К:
2й (75 К) = 46 52 МэВ.
7. Предложена методика определения уровня Ферми полевого
электронного эмиссионного спектрометра.
8. Определена величина квазистационарной предельной плотности эмиссионного тока, приводящего к ' необратимой трансформации электронной структуры YBagCUgO^j. монокристаллов субшпсронных размеров: і и (2 + б) х 104 А/см2
Положения, выносимые на защиту:
-
Разрзботава и создана оригинальная ' установка, а такие методика эксперимента, позволяющие методами полевой электронной эмиссионной микроскошда и спектроскопии исследовать атомногладкую очищенную полевнм испарением поверхность материалов.
-
Методом полевой электронной эмиссионной спектроскопии зарегистрирована энергетическая сверхпроводящая щель кристаллографического" направления [1003 YBagCiigOg д монокристаллов и определена ее ширина, измеренная при 75К.
-
Показано, что полевая электронная эмиссия YBa^CUgOg 9 монокристаллов имеет схожие черты с половой электронной эмиссией металлов.
4. Определена методом нолевой электронной эмиссионной
спектроскопии концентрация электронов проводимости в объеме
YBaj,Cu306 g монокристаллов.
-5. Определена работа выхода кристаллографического
направления [1001 и зоны [ООН YBagCUgOg^g монокристаллов.
6. Определена величина предельной плотности эмиссионного тока YBaoCibOg g монокристаллических острийннх катодов, измеренная в квазистационарном режиме.
Практическое значение.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученные
-б-
результати являются вашими данными для формирования представлений об электронном строении іг эмиссионных свойствах НТСП материалом.
Экспериментально установленные значения предельных плотности тока ВТСП острнйннх катодов и работы выхода могут быть валом дпя практических приложении, в ' чэствостн, в микроэлектрозптег!. Определенные в работе предельные плотности тока, приводящие к необратимому изменению электронцрй структуры YBa^CibO,, , более чем в 1Ю раз ниже предельных плотностей тока металлических мккроострии.
Следует подчеркнуть, что использование экспериментальной установки и методики эксперимента, предложенных н дисссртадіоячой работе, позволяет изучать полевшяи эмиссионными методами пе. только ВТСП материалы, но и тугоплавкие и легкоплавкие металлы, сплави и сложные химическив соединения без термического, радиационного или химического воздействия на материал. Применение прибора может дать пенную информэциго об электронных и эмиссионных ссойствах новых классов материалов, мало изученных метод тля ПЭЭМ и ПЭЭС.
Апробация работи: Основные результаты работы докладывались на семинарах ИЭФ УрО РАН", VIII Всес. ' спин. по сильноточной электропике (Свердловск, 1990), на 37 меад. 'спмп. по нолевой эмиссии (Albuquerque, New Mexico, USA, 1990), на 14 мвжд. сими, по изолянии я разряду в вакууме (Santa Fe, USA, 1990), на Зв мі'яд. сиш. по полевой эмиссии (Vlema, Austria, 1991). па TX Скмп. по сильноточной электронике (Россия, 199?), на 16 мажд. семинаре по физике поверхности (Kudowa. Poland. 1992), т 40 меад. «-имті. по полной эмиссии (Макоуа, Japan, 199..4. на 41 мевд. сими, по половой пмипсии (Поі^п. Ггапг.о. 1994), на ХХГГ конференции по
эмиссионной электронике (Москва, Россия, 1994), на 16 неад. сиып. по изоляции и разряду в вакууме (Moscow - St. Petersburg, Russia, 1994).
Публикации: Основные результаты диссертационной работы изложены в 10-и статьях и 13-й тезисах докладов.
Структура и объем диссертационной работы; Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Основных выводов и Примечания. Работа содержит 190 страниц текста, включает 59 рисунков и список литературы из 104 найменований.
