Коэффициент Нернста-Эттингсгаузена в легированных высокотемпературных сверхпроводниках системы YBa2 Cu3 O y в нормальной фазе Агеев, Николай Владимирович

Введение к работе

Несмотря на то, что с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости в оксидных системах прошло довольно много времени, вопрос о механизме этого явления остается открытым до сих пор, и его решение является одной из актуальнейших задач современной физики твердого тела. Для решения этой задачи необходимо получение достоверной информации о структуре зонного спектра в этих материалах, его генезисе, способах управления им и связи сверхпроводящих свойств ВТСП-материалов со свойствами электронной системы в нормальной фазе. Наличие таких сведений могло бы помочь в выборе возможных моделей для объяснения явления высокотемпературной сверхпроводимости. Однако следует констатировать, что многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, ставившие такого рода цели, не дали однозначных результатов ни для одного из классов ВТСП-материалов, и вопрос о принципиальных особенностях строения их зонного спектра в настоящий момент остается открытым.

Одним из проявлений необычных свойств нормального состояния в ВТСП-материалах, непосредственно связанным со строением зонного спектра в них, являются особенности, наблюдаемые при экспериментальном исследовании электронных явлений переноса в нормально фазе. К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных о характере температурных зависимостей кинетических коэффициентов (удельного сопротивления р, коэффициентов термоэдс S и Холла R_H) в высокотемпературных сверхпроводниках различных классов (в частности, в соединении УВа₂СщО_у, изучению которого посвящена данная работа) и о характере трансформации этих зависимостей при различных отклонениях от стехиометрии. Было обнаружено, что зависимости р(7), S(T) и Rh(T) в ВТСП-материалах обладают целым рядом нетривиальных особенностей, отличающих эти соединения от традиционных объектов исследования физики твердого тела металлов и полупроводников. Вопрос о причине такого поведения и, более нироко, о природе и свойствах нормального состояния в ВТСП-материалах шляется очень актуальным и широко обсуждаемым в литературе. Для )бъяснения необычного поведения кинетических коэффициентов используются >азличные подходы. К сожалению, в большинстве случаев обсуждаются лдельные свойства, например, коэффициент Холла или коэффициент термоэдс і, в основном, общие характерные особенности их поведения, хотя наибольший інтерес, несомненно, представляют подходы, в рамках которых возможно бъяснение с единых позиций совокупности особенностей температурных ависимостей всех кинетических коэффициентов.

Модель электронного транспорта, которая может быть использована для іешения этой задачи, была предложена и разработана проф. В.И.Кайдановым гак называемая модель узкой зоны). Основное преимущество данной модели

состоит в том, что с ее помощью можно не только качественно описать основные особенности температурных зависимостей кинетических коэффициентов в нормальной фазе, но и получить для них расчетные формулы, позволяющие проводить количественный анализ этих зависимостей. В результате, на основе анализа транспортных свойств в рамках модели узкой зоны могут быть определены параметры зонного спектра и системы носителей заряда, такие как степень заполнения зоны электронами, эффективная ширина проводящей зоны и эффективная ширина интервала делокализованных состояний для образцов различного состава. Как показало использование этого метода при изучении иттриевых и висмутовых ВТСП, в том числе и в случае их легирования различными примесями, такой подход позволяет проследить за трансформацией зонного спектра при изменении состава образцов и установить связь между изменением параметров зонного спектра и сверхпроводящими свойствами ВТСП-соединений.

В противоположность большому объему экспериментальных данных о поведении удельного сопротивления, коэффициентов термоэдс и Холла в высокотемпературных сверхпроводниках, к настоящему моменту в литературе практически отсутствуют сведения о температурных зависимостях коэффициента Нернста-Эттингсгаузена Q в нормальном состоянии. Немногочисленные результаты, полученные при измерении зависимостей Q(T) на образцах различных ВТСП-систем только стехиометрического состава, не дают возможности выяснить и проанализировать характерные для ВТСП-материалов особенности зависимостей Q(T). Сложившаяся ситуация, по-видимому, связана не с тем, что коэффициент Нернста-Эттингсгаузена является малоинформативным. Причина кроется в ряде объективных трудностей, возникающих при измерении этого эффекта в ВТСП-системах. Главная из них -это крайне низкие абсолютные значения коэффициента Нернста-Эттингсгаузена в нормальной фазе, требующие разработки специальной методики для измерения зависимостей Q(T). По этой причине, уже получение только фактических данных о зависимостях Q(T) и характере их трансформации при легировании представляет несомненный интерес.

Еще хуже обстоят дела с анализом экспериментальных зависимостей Q(T). Фактически, подобные попытки ограничиваются качественным обсуждением одной зависимости Q{T), полученной для конкретного образца, и базируются на предположениях, недостаточно обоснованных и нуждающихся в серьезной дополнительной проверке. Такой подход к анализу коэффициента Нернста-Эттингсгаузена не дает возможности получить достоверную информацию о свойствах системы носителей заряда в исследуемых материалах, и ценность подобного анализа представляется весьма сомнительной. Действительно полезным и теоретически значимым может стать подход, базирующийся на сравнительном анализе большого массива экспериментальных данных, в том числе и по характеру трансформации зависимостей Q(T), при направленном изменении состава образцов. Исключительно важно также рассматривать поведение коэффициента Нернста-

Этгингсгаузена не отдельно, а в совокупности с результатами для других кинетических коэффициентов. Экспериментальные данные по удельному сопротивлению, коэффициентам термоэдс, Холла и Нернста-Эттингсгаузена, полученные для одних и тех же образцов, необходимо использовать для совместного и комплексного анализа. Это, во-первых, даст возможность получить наиболее полную информацию об особенностях электронных явлениях переноса в ВТСП-материалах в нормальной фазе. С другой стороны, только такой подход может позволить извлекать из зависимостей Q(T) полезную, объективную информацию. При этом становится возможным не только качественный, но и количественный анализ экспериментальных данных.

За основу для проведения подобного комплексного анализа кинетических коэффициентов в нормальной фазе в данной работе была выбрана модель узкой зоны, в рамках которой ранее уже успешно проводился совместный количественный анализ зависимостей р(7), S(T) и RrfJ) для различных ВТСП-систем. Несомненно, что включение в рассмотрение и анализ данных о зависимостях Q(T), при условии их успешной интерпретации, не только должно позволить получить дополнительную информацию о параметрах системы носителей заряда в нормальном состоянии, но и послужит дополнительным аргументом в пользу применимости модели узкой зоны для комплексного анализа электронных явлений переноса в ВТСП-материалах. Необходимо отметить, что теоретический анализ коэффициента Нернста-Эттингсгаузена в случае проводников с узкой проводящей зоной ранее не проводился, и реализация подобного комплексного подхода к анализу кинетических коэффициентов требует его детальной предварительной разработки. С другой стороны, общие результаты анализа поведения коэффициента .Нернста-Эттингсгаузена при наличии в зонном спектре материала узкой проводящей зоны будут иметь, по нашему мнению, самостоятельное теоретическое значение и могут быть использованы в дальнейшем для интерпретации зависимостей Q(T) не только в случае ВТСП-материалов.

Решению перечисленных вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа, и все вышеизложенное свидетельствует об актуальности ее темы.

Основные цели диссертационной работы включали:

1. Разработку методики экспериментального исследования температурных зависимостей коэффициента Нернста-Эттингсгаузена для керамических образцов ВТСП-систем в нормальной фазе, проверку надежности и достоверности получаемых при этом результатов.

2. Проведение комплексного экспериментального исследования электронных явлений переноса (удельное сопротивление, коэффициенты термоэдс, Холла и Нернста-Эттингсгаузена) в нормальной фазе в системе УВагСизОу с различным типом и степенью отклонения от стехиометрического состава. Выявление характерных особенностей зависимостей Q(T) в ВТСП системы YBa₂Cu₃Oy и характера их трансформации под действием легирования.

3. Теоретический анализ коэффициента Нернста-Эттингсгаузена в случае проводников с узкой проводящей зоной, выявление основных особенностей его поведения по сравнению с классическим случаем широкой зоны. Разработку модели для описания зависимостей Q{T) в ВТСП-материалах.

4. Проведение комплексного анализа температурных зависимостей четырех кинетических коэффициентов на основе модели узкой зоны, определение параметров зонного спектра и системы носителей заряда в исследованных образцах. Проверку применимости модели узкой зоны для описания всей совокупности экспериментальных результатов.

5. Анализ характера и механизма трансформации зонного спектра УВагСизОу при легировании, получение дополнительной информации о структуре зонного спектра и свойствах системы носителей заряда на основе анализа экспериментальных данных по коэффициенту Нернста-Эттингсгаузена.

Выбор объектов исследования для данной работы был обусловлен следующими соображениями. В связи с тем, что наиболее экспериментально изученной является система YBa₂Cu₃0j,, нами было решено провести измерения коэффициента Нернста-Эттингсгаузена на образцах именно этой системы. Это давало возможность при анализе экспериментальных зависимостей Q(T) воспользоваться уже проверенными многочисленными экспериментальными данными, в особенности по динамике поведения других кинетических коэффициентов в зависимости от температуры, а также типа и степени легирования. Исходя из этих же соображений, первым объектом исследования была выбрана серия образцов УВагСіїзО,, с направленным изменением содержания кислорода. Именно для таких образцов с различным дефицитом кислорода имеется наиболее обширный экспериментальный материал, и измерения, проводимые для УВа₂СизО_у с варьируемым значением кислородного индекса, можно назвать "классическими".

В дальнейшем, в целях накопления экспериментальных данных для последующего анализа, нами было проведено исследование коэффициента Нернста-Эттингсгаузена для нескольких серий образцов системы УВа₂СизОу с различными типами катионных замещений, а именно, образцов, легированных кобальтом состава УВагСиз^Со^О^, легированных кальцием состава У^Са^ВагСизОу, а также для серии с одновременным легированием лантаном и кальцием состава У^СЭдВагДл^СизО),.

Научная новизна работы состоит в проведении экспериментального исследования и теоретического анализа коэффициента Нернста-Эттингсгаузена в ВТСП системы УВагСизОу в нормальной фазе и получении на основе этого анализа дополнительной информации о свойствах системы носителей заряда. Из результатов работы, полученных впервые, в первую очередь необходимо отметить следующие:

1. Проведен детальный теоретический анализ особенностей эффекта Нернста-Эттингсгаузена в проводниках с узкой проводящей зоной и разработана модель, позволяющая использовать результаты этого анализа для

интерпретации зависимостей Q(T) в ВТСП системы YBa₂Cu₃0y в нормальной фазе.

2. Проведено систематическое экспериментальное исследование температурных зависимостей коэффициента Нернста-Этшнгсгаузена в образцах системы YBa₂Cu₃0j, при направленном изменении их состава по кислороду, а также в случае легирования кобальтом, кальцием и при двойном легировании Ca->Y + Co-»Cu. Выявлены основные особенности, присущие зависимостям Q(T) в системе YBa2Cu₃O_y и проанализирован характер трансформации этих зависимостей в зависимости от типа и содержшшя примесей.

3. Проведен совместный количественный анализ результатов измерения температурных зависимостей удельного сопротивления, коэффициентов термоэдс, Холла и Нернста-Эттингсгаузена в легированных образцах системы УВа₂СщО_у. Получено убедительное подтверждение правомерности применения модели узкой зоны для описания транспортных свойств ВТСП-материалов в нормальной фазе и возможности ее использования для получения информации о строении и трансформации зонного спектра УВа₂СизО_г

4. В рамках разработанного метода анализа экспериментальных данных по коэффициенту Нернста-Эттингсгаузена получены оценки значения подвижности носителей заряда и степени асимметрии дисперсионной зависимости є(к), а также выявлен и проанализирован характер их изменения под действием легирования.

Практическая ценность работы.

1. Разработана методика исследования коэффициента Нернста-Эттингсгаузена, позволяющая в динамическом температурном режиме надежно измерять его температурные зависимости на поликристаллических образцах в диапазоне 7=80-s-300 К в случае его крайне низких значений (порядка 0.1 см²/(Вс) в единицах QI(k(Je)).

2. Убедительно продемонстрирована возможность использования метода анализа транспортных свойств в нормальной фазе на основе модели узкой зоны для исследования особенностей строения зонного спектра и свойств системы носителей заряда в ВТСП-соединениях.

3. Получена важная информация о строении и особенностях формирования зонного спектра УВа₂Си₃0у, а также характере его трансформации при легировании, которая может оказаться необходимой и весьма полезной при построении модели высокотемпературной сверхпроводимости.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II международном симпозиуме по ВТСП и туннельным явлениям (Донецк, 1994), Российской научно-технической конференции «Инновационные наукоемкие

технологии для России (С.-Петербург, 1995), V Всемирном конгрессе по сверхпроводимости (Будапешт, 1996), V Международной конференции по материалам и механизмам сверхпроводимости (Пекин, 1997), XII Уральской зимней школе «Электронные свойства низкоразмерных полу- и сверхпроводниковых структур» (Екатеринбург, 1999) и на научных семинарах кафедр "Физики полупроводников и наноэлектроники" и «Экспериментальной физики» СПбТТУ. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 275 страниц, в том числе 70 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемой литературы включает в себя 168 наименований.