Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию электронных явлений переноса в нормальной фазе в високотемпературних сверхпроводниках (ВТСЩ систем Y-Ba-Cu-0 и Bl-Sr-Ca-Cu-О и изучении особенностей строения зонного спектра этих веществ. Кроме того, в работе решаются вопросы диагностики качества ВТСП-соединений.
Актуальность темы. Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости в оксидных системах и получение в скором времени сверхпроводников с критической температурой J*c, . превышающей температуру кипения кидкого азота (!Р=77К), вызвало огромный поток экспериментальных и теоретических работ, посвященных новым материалам. За 5 лет изучения ВТСП было оцубликовано около 17500 работ в различных научных журналах, р том числе и созданных в эта года и специально посвященных изучению явления высокотемпературной сверхпроводголости.
Для установления механизма сверхпроводимости, а, следовательно» для целенаправленного поиска оптимальных составов и технологии изготовления ВТСП-магериалов и изделий из них важаейпее значение имеет выяснение электронного спектра носителей тока, его принципиальных особенностей и деталей, механизмов проводимости, электрон-фононного и электрон-электронного взаимодействий.
Следует констатировать, что многочисленные экспериментальные исследования, выполненные со времени открытия ВТСП и ставившие такого рода цели, не дали однозначных результатов ни для одного из представителей этой группы' материалов. .С другой стороны, отсутствует не только общепризнанная, но и хотя бы наиболее предпочтительная теоретическая модель механизма сверхпроводимости, приводящего к столь аномально високім, по сравнению с классическими сверхпроводниками, значениям Г . Спектр обсуждаемых в связи с ВТСП теоретических механизмов спаривания необычайно широк --от классической теории Бардина-Купера--Шриф$ера до поляронных и спиновых механизмов. Это обилие теоретических
моделей в значительной степени обусловлено отсутствием надекных сведений об электронном спектре в нормальном (несверхпроводящем) состоянии.
Мы считаем, что в большей степени, чем другие методы, приближают к решению указанной выше задачи систематические и комплексные исследования транспортных явлений. Этот вывод основывается на анализе обширной литературы, посвященной электронным явлениям переноса в ВТСП-материалах, на результатах наших собственных работ в этой области, а также на накопленном на кафедре физики полупроводников СЮГТУ ошге изучения сложных электронных.спектров в полупроводниках и полуметаллах (А% , А5!*6, силицида переходных металлов группы железа и др.).
Получение надежных экспериментальных данных об электронном транспорте, выявление общих закономерностей и особенностей поведения кинетических коэффициентов в КГСП-соединениях различных классов должны позволить сделать определенные предположения о механизме проводимости в этих веществах. Подробное исследование транспортных свойств и их изменения при различного рода воздействиях на материал (прежде всего, легировании) обеспечит возможность . правильного выбора между существующими альтернативными моделями зонного спектра в нормальной фазе.
Кроме того, наряду с фундаментальной задачей исследования электронного транспорта и способов воздействия на него с целью выяснения механизма высокотемпературной сверхпроводимости важное значение имеет и ревение другой, более утилитарной - развитие методов диагностики состава, однородности, структурного совершенства керамик, монокристаллов и пленок, основанных на использовании исследуемых эффектов. Установление корреляционных зависимостей между характеристиками образцов и получаемыми независимо данными об их составе, кристаллической и гранулярной структуре является основой для разработки новых методов контроля и экспресс-диагностики ВТСП. Решении всех этих вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.
Оснсыше цели работы включали: - комплексное эксьеименгальное исследование электронных
. слений переноса в ВТСП-соединениях систем Y-Ba-Cu-О 'и Bl(Pb)-Sr-Ca~Cu-0;
объяснение наблюдаемых. особенностей температурных зависимостей кинетических коэффициентов на основе модельных представлений о структуре проводящей зони в этих веществах;
- выяснение принципиальных особенностей и деталей строения
зонного спектра ВТСП-магериалоч различных классов в нормальной
фазе;
исследование характера изменения параметров- электронной системы при отклонениях от стехиометраческих составов и легировании образцов;
выявление взаимосвязи между сверхпроводящими свойствами ВТСП-соединений,с одной стороны, и параметрами их зонного спектра - с другой, а также выяснение роли и влияния на эти характеристики различных структурных элементов кристаллической решетки;
- разработку методов діагностики ВГСП-соединешй.
Научная новизна работы.
-
Комплексное исследование электронных явлений переноса в ВТСП-соединениях различных классов позволило получить убедительные свидетельства в пользу прадполоиэния о существовании в зонном спектре этих веществ узкой проводящей зони, ответственной за свойства в нормальной фазе.
-
Продемонстрирована возможность использования модели узкой зоны для получения информации о структуре зонного спектра и его изменениях при варьировании состава образцов из анализа температурных зависимостей кинетических коэффициентов.
-
Сделан вывод о возможной реализации в ВТСП-соединениях . механизма андерсоновской локализации состояний. происходящей вследствие разупорядочения системы, и его существенном воздействии на значение критической температуры."
-
Установлено, что состояние кислородной подсистемы, превде всего, рост дефицита и разупорядочение цепочечного' кислорода, оказывает сильное воздействие на электрофизические и сверхпроводящие свойства, а также параметры зонного спектра в
-б-
системе , Y-Ba-Cu-O.
5. Показана общность пришщшальных особенностей зонного спектра ВТСП иттриевой и висмутовой систем. Практическая ценность работы.
1. Информация об особенностях строения зонного спектра
ВТСБ-соеданений, полученная в работе, может быть весьма полезной
для установления механизма высокотемпературной сверхпроводимости
и целенаправленного поиска оптимальных, в том числе и новых,
составов ВТШ-материалов.
2. Разработанный метод неразрушащего локального
экспресс-контроля значений ?с в ТШа^СгиО с различным содержанием
кислорода благодаря простоте в реализации, быстроте получения
результатов, отсутствию необходимости обработки и ограничений на
размеры и форму тестируеьшх образцов, а также важности решения
задачи контроля их сверхпроводящих свойств, должен найти
применение среди изготовителей приборов и устройств из этого
материала на стадии выходного контроля качества готовых изделий.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Все основные особенности электронного транспорта в
нормальной фазе в ВТСП иттриевой и висмутовой систем могут быть
объяснены в модели узкой почти симметричной проводящей зоны
шириной порядка 10-1эВ с использованием минимального числа
подгоночных параметров: степени заполнения зоны электронами F и
эффективных ширин зоны . "по плотности состояний" їїр и "по
проводимости" WQ.
2. Увеличение дефицита кислорода YBa2CiuQу, а также частичная
замена компонентов: меди - в YBa2CuLo и кальция - в
Bi2Sr2C CiigO^Q приводят к увеличению Р, уширению' зоны и
относительному сужению эффективного интервала проводящих
состояний (уменьшению отношения FP0/F? ). В иттряевой системе эти
зф$екты следует отнести по преимуществу к уменьшению числа атомов
цепочечного кислорода и росту разулорядочения в их расположении,
а в висмутовой - к возрастанию общего разулорядочения решетки.
Механизм влияния ра-зупорядочения можно, связать с андерсоновской
локализацией состояний.
-
Отличия в стегни влияния различных примесей 'и' нестехиометрии по кислороду на критическую температуру !ГС коррелируют с изменениями F и lfD, находясь в прямой зависимости -от значения плотности состояний на уровне Ферми. При этом разупорядочение решетки и вызываемая им локализация состоянии оказывают определяющее воздействие на величину Тс.
-
Совместный анализ температурных зависимостей удельного сопротивления, коэффициента термоэдс н магнитной восприимчивости позволяет выявлять особенности , гранулярной структуры ВТСП-керамнк, в том числе ц в случае двухфазных образцов, и определять характер пространственного распределения различных фаз в исследуемом образце.
-
Разработанный нвразрушакхций термоэлектрический метод локальной диагностики ВТСП-матэриалов в случае ' YBa^u-Oy позволяет оценить значение и топологию распределения величины тг (а"в большинстве случаев и содержания кислорода) по образцу бэ& его охлаждения. Для висмутовой системы по той ке методике' может проводиться предварительная отбраковка образцов по значению Г .
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXV Всесоюзном совещании по физике низких температур (Ленинград, 1988), I Всесоюзном семинаре по физике электронных структур на основе высокотемпературной сверхпроводимости "Сверхматрица" (Москва, 19В9), I конференции, МИФИ по высокотемпературной сверхпроводимости (Москва, 1990), Всесоюзной конференцій по электронике органических материалов (Домбай, 1990), III и IV совместных советско-германских семинарах по высокотемпературной сверхпроводимости (Карлсруе, 1990, Санкт-Петербург, 1991), III Всесоюзном совещании по. высокотемпературной -сверхпроводимости (Харьков, 1991), обсуждались на научных семинарах в Техническом университете Г.Дрездена (Германия), Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), на кафедре физики полупроводников СШГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ и получено положительное решение по заявке нп изобретение. Слисок приведен в -конце автореферата.
Стпуктура и объем диссертации. Диссертация состоит из веєдєния, шести глав, заключения, приложения її списка литературы, включающего 352 наименования. Основная часть работы содеркит 204 страшщн машинописного текста, в том числе 5 таблиц и 50 рисунков. Приложение содерагит 28 страниц машинописного текста, вклвчая б рисунков.
