Введение к работе
туальиость исследования. В 1986 г. было обнаружено, что ряд оксидов с галлической проводимостью переходит в сверхпроводящее состояние при шературах, превышающих ранее установленные значения. Так открытие :окотемпературной сверхпроводимости стало одним из важнейших событий физике твердого тела XX века. В течение нескольких лет после этого :рытия были синтезированы практически все известные к настоящему ;мени высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Однако вопрос о :товерности, а также однозначности информации об их физико-химических >йствах до сих пор стоит достаточно остро. А несовершенная технология яготовления, достаточно сложная атомно-кристаллическая структура и ізанная с этим плохая контролируемость свойств ВТСП-материалов приводят ому, что природа явления высокотемпературной сверхпроводимости до сих р до конца не ясна. Отсутствие общепринятой универсальной теории сокотемпературной сверхпроводимости в значительной степени тормозит следователей на пути совершенствования технологий получения этих териалов и разработки на их основе новых устройств.
Трудности, связанные с объяснением явления высокотемпературной грхпроводимости, в значительной мере обусловлены отсутствием достаточно рректного описания электронной структуры этих материалов. Так, получение екватной картины электронного строения материалов возможно лишь при гласовании теоретических расчетов с экспериментальными данными, шболее мощными и эффективными средствами экспериментального следования электронной сгруктуры твердых тел являются методы нтгеновской эмиссионной и фотоэлектронной спектроскопии, позволяющие елать численную оценку энергетической протяженности валентной зоны и кализации парциальных состояний относительно уровня Ферми. Именно отому для сопоставления результатов теоретических и экспериментальных следований могут быть выбраны эти два метода. Следует, однако, отметить, о прямое сравнение кривых плотностей электронных состояний с спериментальными спектрами не вполне корректно. Поэтому важно доводить ісчетьі до вычисления распределения интенсивности спектров.
Спектр возможного применения ВТСП-материалов достаточно широк, (нако одним из наиболее перспективных направлений является их пользование в электронной промышленности, прежде всего, в якроэлектронике, космической и СВЧ технике. Специфика названных граслей накладывает на ВТСП определенные требования, касающиеся их пмеров, высокой критической плотности тока и низкого поверхностного шротивления материала. Перечисленным требованиям наиболее полно ювлетворяют монокристаллические ВТСП-ллешси. Для обеспечения эомышленного использования сверхпроводящие пленки должны обладать лсокими воспроизводимыми электрофизическими и сверхпроводящими ірактеристиками. А удовлетворение этим требованиям невозможно без зучения электронного строения, а также закономерностей их структур.
Таким образом, исследование электронной струк'
монокристаллических ВТСП-гтленок является одной из наиболее акту ал і задач физики твердого тела и, в частности, физики ВТСП.
В качестве объектов исследования в диссертационной работе і выбраны тонкие моноячеечные пленки систем Bi2Sr2Can-iCun02n+. ТІ2Ва2Сап-іСгіп02п+4, где п изменяется от 1 до 3. Выбор этих систем ВТСП детального исследования электронного строения вполне целесообр; поскольку: во-первых, эти купраты имеют достаточно высокие критиче температуры и, следовательно, представляют интерес с технологической т зрения; во-вторых, в ряду этих соединений существует четкая зависим между их кристаллической структурой и температурой сверхпроводяї перехода, а расчет электронной структуры может помочь выявить связь м< кристаллической структурой и электронным строением, необходимую как построения современной теории высокотемпературной сверхпроводимости и для создания новых ВТСП-материалов.
Целью работы является теоретическое изучение электронного стро валентной зоны тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников.
Для постижения поставленной цели в работе решались следук научные задачи:
вычисление и анализ электронной зонной структуры и плотне состояний моноячеечных пленок Bi2Sr2Cu06, ВігБггСаСигОз, ВігЗггСаіСи Tl2Ba2CuO
исследование природы взаимодействия Cud- и Op- состояний путем рас рентгеновских эмиссионных ОКа и CuLa спектров валентной зоны исследуемых пленок;
расчет фотоэлектронных спектров валентной зоны всех исследуемых пл и интерпретация на их основе известных экспериментальные данных;
изучение влияния числа медь-кислородных плоскостей п в элемента ячейке на электронную структуру и спектральные характеристики пл ^Bi2Sr2Ca„.|Cun02n+4 и ТІ2Ва2Са„.,Сип02п+4.
Научная новизна работы.
Впервые в качестве объектов теоретического исследования злектрої структуры ВТСП-купратов на основе Bi-Sr и Т1-Ва были выбраны их то пленки, что позволило естественным образом учесть влияние поверхност электронную структуру и спектральные характеристики этих материалов.
Впервые комплексно, в едином подходе (в рамках ме линеаризованных присоединенных плоских волн), проведено изуч электронного строения валентной зоны тонких пленок двух изострукту] ВТСП систем Bi-Sr-Ca-Cu-O и Tl-Ba-Ca-Cu-O, включающее в себя рг зонной структуры, плотностей электронных состояний, рентгенов эмиссионных ОКа и C\iLa и фотоэлектронных спектров всех соединений.
Впервые показано влияние числа медь-кислородных плоскостей плотность электронных состояний, рентгеновские эмиссионные
-оэлектронные спектры тонких пленок Bi2Sr2Can.iCun02n+4 и За2Са„. ,0^02,,+4-
Объяснены причины наблюдаемого систематического расхождения в ргетическом положении и структуре основных максимумов рентгеновских [ссионных и фотоэлектронных спектров между теоретическими и периментальными исследованиями. Практическая ценность работы. Одним из основных результатов настоящей диссертационной работы яется определение причин систематического несовпадения результатов ретических расчетов электронной структуры металлооксидов с периментальными данными. Таким образом, появляется возможность более ной оценки результатов расчетов и их более корректного сопоставления с [ными, получаемыми в результате эксперимента.
Полученные в работе данные об электронном строении Bi-Sr- и Т1-Ва-іратов необходимы экспериментаторам и технологам с точки зрения поиска !ых ВТСП-материалов с заданными свойствами, поскольку данные оксидные темы с высокотемпературной сверхпроводимостью находят все более рокое применение в различных областях науки и техники. Основные положення, выносимые на защиту:
В структуре валентной зоны тонкопленочных ВТСП систем Т1-Ва-Са-Си-0 и Bi-Sr-Ca-Cu-O преобладают гибридизованные кислородные 2р- и медные 3<і-состояния, взаимодействующие резонансным образом. Результатом этого сильного взаимодействия является расщепление на две компоненты пика плотности кислородных р- состояний с минимумом в области локализации главного максимума плотности медных J-состояний. Увеличение относительных вкладов атомов кислорода из медь-кислородных плоскостей с ростом числа этих плоскостей (п) в системах Bi2Sr2Can.lCun02n+4 и TbBa2Can.iCun02n+4 приводит к росту интенсивности и сглаживанию побочного максимума Ка~ спектра кислорода. Изменения в структуре фотоэлектронных спектров, происходящие при увеличении числа медь-кислородных плоскостей в пленках изученных систем, обусловлены усилением влияния d- состояний меди на структуру валентной полосы.
Влияния поверхности на фотоэлектронные спектры, исследуемых соединений, естественным образом учитывается в тонкопленочном расчете. Это приводит к улучшению согласия с экспериментальными данными, по сравнению с аналогичными расчетами для объемных образцов. іробацня работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Шестой [онтерё, Швейцария, 1995) и Седьмой (Ґетеборг, Германия, 1997) гждународных конференциях по применению методов поверхностного и жфазного анализов ECASIA; Четвертой Международной конференции Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" оронеж, 1996); Первом (Воронеж, 1996) и Третьем (Екатеринбург, 1999) ссийско-германском семинаре по электронной и рентгеновской
спектроскопии; Семнадцатой научной школе-семинаре "Рентгеновские электронные спектры и химическая связь" (Екатеринбург, 1999); Пя-Всероссийской Научной Конференции студентов-физиков и молодых учен (Екатеринбург, 1999).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура н объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключена списка литературы, включающего 114 наименований. Работа изложена 141 странице, содержит 13 таблиц и 38 рисунков.