Введение к работе
Актуальность исследования. Открытие в 1987 г. сверхпроводимости при температурах выше точки кипения "жидкого азота в соединении УВагСиз07-5 с вакансиями кислорода явилось мощным стимулом для теоретических исследований высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Однако сложность и ряд особенностей синтезированных ВТСП (непростая структура, чувствительность к составу, плохая контролируемость свойств) приводят к тому, что, несмотря на значительные усилия, еще до конца не ясны как характер и механизм спаривания, так и природа высокотемпературной сверхпроводимости. В связи с этим, ключом к пониманию механизмов высокотемпературной сверхпроводимости в теоретическом плане может стать детальное и всестороннее исследование электронной структуры новых сверхпроводников, так как многие физико-химические своііства твердых тел, в том числе и сверхпроводимость, в значительной степени определяются их электронным строением.
Одним из наиболее мощных и эффективных методов исследования электронной структуры твердых тел является метод рентгеновской эмиссионной спектроскопии, позволяющий судить об энергетической протяженности валентной зоны и о локализации парциальных состояний относительно уровня Ферми. Известно, что наблюдаемая тонкая структура рентгеновских эмиссионных спектров весьма хорошо, как численно, так и качественно согласуется с положением особых точек на кривых плотности электронных состояний, поэтому рентгеновские эмиссионные спектры могут рассматриваться в качестве теста надежности зонных расчетов. Однако для корректного сопоставления экспериментальных спектров с рассчитанными плотностями состояний расчеты необходимо доводить до вычисления распределения интенсивности в рентгеновской эмиссионной полосе.
Оценки температуры Тс сверхпроводящего перехода, основанные на результатах зонных расчетов, также могут служить критерием корректности вытекающих из зонных вычислений представлений об особенностях электронной структуры сверхпроводника.
Установлено, что оптимальные сверхпроводящие свойства могут быть получены только в образцах с высокой степенью кристалличности и фазовой чистоты, что, несмотря на использование новейших методов синтеза ВТСП-материалов, пока осуществимо только для тонких пленок. Поэтому ближайшее применение высокотемпературных сверхпроводников (в микроэлектронике, в космической и СВЧ-техиике, в медицине, для магнитного удержания при термоядерном синтезе, на транспорте и других областях) связывается с тонкими пленками. Используемые в создании приборов сверхпроводящие пленки должны об-
ладать высокими воспроизводимыми электрофизическими и сверхпроводящими характеристиками, а для решения этих вопросов необходимо фундаментальное знание электронного строения и закономерностей пленочных структур, обеспечивающих их высокие качества.
Целью работы являются детальное изучение электронной структуры тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников, разработка и реализация на ЭВМ методики расчета рентгеновских эмиссионных спектров тонких пленок в рамках вычислительной схемы пленочного линейного метода присоединенных плоских волн (ЛППВ) и проведение оценок критической температуры Тс тонкопленочных ВТСП-оксидов на основе зонных вычислений.
В качестве объектов исследования были выбраны оксидные высокотемпературные сверхпроводники системы Y-Ba-Cu-О состава УВагСизОї н УВагСизОб. Выбор оксидных высокотемпературных сверхпроводников иттрий-бариевой системы для детальных фундаментальных исследований вполне целесообразен, т.к. после открытия более сложных оксидных сверхпроводников на основе висмута, ртути и таллия, имеющих рекордно высокие критические температуры, ранее синтезированные иттрий-бариевые высокотемпературные сверхпроводники могут рассматриваться в качестве относительно простых модельных объектов, способствующих получению новых данных, необходимых для построения современной теории высокотемпературной сверхпроводимости.
Основные научные задачи, решаемые в диссертации, заключались в следующем:
теоретически исследовать энергетические спектры электронных состояний тонких ВТСП-пленок УВалСизСЬ-в с помощью пленочного метода ЛППВ и установить зависимость их электронного строения от структуры и содержания кислорода в элементарной ячейке;
установить физическую природу взаимодействия медных d- и кислородных ^-состояний в тонких пленках YBaiCmCh-a путем расчета рентгеновских эмиссионных ОАГа и CuLu спектров пленок УВаїСизО? и УВа2СизОб и интерпретировать происходящие изменения в спектрах при удалении кислорода из кислородно-медиой подрешетки;
оценить критическую температуру Тс перехода в сверхпроводящее состояние иттрий-бариевых пленочных высокотемпературных сверхпроводников на основе результатов зонных расчетов.
Научная новизна работы.
Рассчитанные в приближении функционала локальной плотности в рамках вычислительной схемы пленочного метода ЛППВ электронная структура и плотность электронных состояний ВТСП-оксидов УВазСизСЬ-б являются на сегодняшний день наиболее точным результатом для тонкопленочных соединений данной системы.
Впервые разработан формализм расчета матричных элементов вероятности рентгеновских переходов на волновых функциях пленочного метода ЛППВ и рассчитаны рентгеновские эмиссионные ОА.'а и CuLa спектры в пленках УВа:Сиз07 и УВа:СизОб.
Объяснено наблюдаемое систематическое расхождение в тонкой структуре рентгеновских эмиссионных спектров между теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями.
Показана возможность применения результатов зонных расчетов для оценок критической температуры Тс перехода в сверхпроводящее состояние.
Практическая ценность работы.
Результаты, полученные в настоящей работе, позволили устранить неоднозначности в интерпретации тонкой структуры рентгеновских эмиссионных спектров. Созданная вычислительная схема для изучения электронной структуры и других физических свойств пленок УВагСщСЬ-з является универсальной методикой, допускающей прямое обобщение на сверхпроводники с более сложной кристаллической решеткой, и может быть непосредственно использована для исследования аналогичных соединений (например, сверхпроводящих пленок на основе таллия, висмута, ртути).
Основные положения, выносимые на защиту.
-
В структуре валентной зоны тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников системы УВа:Сиз07-й преобладают гибридизован-ные кислородные 2р~ и медные iJ-состояния, взаимодействующие резонансным образом. Сильное (/-/^-взаимодействие проявляется в виде расщепления пика плотности кислородных р-состояний на две компоненты в области локализации медных ^/-состояний и изолированно в каждом купратном слое может быть описано моделью d-s,p-резонанса.
-
Удаление атомов кислорода из медно-кислородных цепочек приводит к понижению полной плотности состояний на уровне Ферми и уменьшению расщепления р-состоянин кислорода, что свидетельствует об уменьшении взаимодействия медных сі- и кислородных р-состояний в тонких пленках YBa:Ciu07-s.
-
При переходе от пленки YBa:Cuj07 к пленке УВазСизОб изменяется форма рентгеновских эмиссионных полос: главные максимумы Ка спектра кислорода сближаются с некоторым выравниванием их интенсивности, главный максимум La спектра меди смещается к уровню Ферми, полуширины обоих спектров уменьшаются, интенсивность в прифермиевскон области ОКа спектров уменьшается, CuLa спектров — увеличивается.
-
Оценки критической температуры Тс иттрий-бариевых сверхпровод-
нпков, проведенные на основе результатов зонных расчетов с использованием приближенных решений уравнений Элиашберга, свидетельствуют о возможности описания высокотемпературных сверхпроводников УВагСизСЬ-б в рамках традиционной зонной теории и модели ферми-жидкости.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Пятой (Катания, Италия, 1993) и Шестой (Монтрё, Швейцария, 1995) Международных конференциях по применению методов поверхностного и межфазного анализов ЕС ASIA; Девятой (Санкт-Петербург, 1994), Одиннадцатой (Сегед, Венгрия, 1996) и Двенадцатой (Вена, Австрия, 1997) Международных конференциях студентов-физиков ICPS; Семнадцатой Международной конференции по применению рентгеновских методов в исследовании внутренних процессов в атомах (Гамбург, Германия, 1996); Четвертой Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996); Шестнадцатой Международной школе-семинаре "Рентгеновские спектры и химическая связь " (Воронеж, 1996); Третьей (Екатеринбург, 1995) и Четвертой (Екатеринбург, 1996) Всероссийских научных конференциях студентов-физиков, а также на научных сессиях Воронежского госуниверситета.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 196 наименований. Работа изложена на 155 страницах, содержит 15 таблиц и 17 рисунков.