Переходы диэлектрик-металл-сверхпроводник в перовскито-подобных системах типа Ba1-x Kx BiО3 Русаков, Александр Пименович

Введение к работе

Актуальность темы.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСШ послужило началом нового этапа интенсивных исследований физики сверпроводников и, в частности, привлекло внимание к целому ряду новых подходов к пониманию сущности явления сверхпроводимости. Несмотря на значительный объем исследований ВТСП систем (систем, в которых имеются ВТСП соединения),до сих пор остаются ло конца яе решенными фундаментальные вопросы о природе основного диэлектрического состояния, механизме влияния легирования и природе концентрационных фазовых переходов диэлектрик-металл в этих соединениях.

Проблема создания технологичных ВТСП материалов является одной из актуальных задач физики твердого тела. Решение этой проблемы позволит создать принципиально новые типы приборов для энергетики и микроэлектроники. Для синтеза и практического внедрения таких материалов ключевой проблемой является выяснение механизма высокотемпературной сверхпроводимости, который до сих пор активно дискутируется. Понимание природы ВТСП позволит проводить целенаправленный пЪиск таких соединений, которые обладают повышенной критической температурой Т_с. критическим токои J с. верхним критическим магнитным полем Нс2 и подходящими технологическими свойствами.

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что для создания ВТСП нужны полярные соединения, включающие легкие элементы с сильным локальным взаимодействием, в частности, полярные соединения меди (оксидные, оксигалогенидные). Этот факт и был использован Беднорцем Д.^- и (Аоллером К. в успешном синтезе

первого ВТСП.

Обилие уже имеющихся разнообразных. в том числе взаимоисключающих, теоретических * работ о механизме сверхпроводимости в ВТСП показывает, что пока не существует общепринятой физической модели как сверпроводящего, так и нормального состояния ВТСП систем. Распространено, в частности, мнение о том, что фононный механизм, хорошо объясняющий в рамках теории Бардина, Купера и Шриффера (БКШ) появление сверхпроводимости в обычных (стандартных) сверпроводниках, в случае ВТСП уже недостаточен.

Одной, из главных причин трудностей понимания природы сверхпроводящего, металлического и диэлектрического состояний ВТСП систем является недостаточное количество надежно установленных экспериментальных данных, полученных иа тестированных образцах. Несмотря на то, что выполнено большое количество экспериментальных исследований образцов ВТСП систем, в большинстве из них не .обращалось должного внимания на качество образцов, что обесценивало эксперимент. Например, неожиданным для многих экспериментаторов стало открытие, что при' вакуумной откачке образцов даже при столь-низкой температуре как температура жидкого азота металлическая поверхность образцов становится диэлектрической из-за легкого ухода кислорода с приповерхностного слоя образца. Это приводило к ошибочным экспериментальным-результатам, ' на основании которых возникали теории типа холонной сверхпроводимости и ставилась под сомнение применимость теории сверхпроводимости БКШ для ВТСП.

Таким образом, изучение ВТСП материалов в очередной раз указало на актуальную необходимость тесного единства материаловедческой технологии, физического эксперимента и их

теоретического осмысления. Из-за недостаточного качества образцов не удавалось получить количественных данных о скачках теплоемкости при переходе в сверхпроводящее состояние, о зависимости электронной теплоемкости от магнитного поля, о надежно установленной зависимости Н_С2 от температуры, об аномалии теплового расширения и других термодинамических и электронных характеристик ВТСП материалов. Наибольшие затруднения для получения объективной информации возникали в тех ВТСП оксидных системах, где кислород особенно легко уходит из образца. В этом смысле известной является система Ваі-хК_хВ10з, Исследование этой и других висмутовых систем позволяет ответить на вопрос : . так ли уж необходим для объяснения ряда аномалий свойств ВТСП большой магнитный момент ионов двухвалентной меди, которая присутствует в системах типа La2-_xSr_xCu04 и других ВТСП. Поэтому в данной работе было обращено особое внимание на разработку.технологии синтеза монокристаллических и поликристаллических образцов системы Ваі-хКхВЮз. На одних и тех же образцах проводились различные экспериментальные исследования- с учетом возможного технологического воздействия на образцы физических условий эксперимента. Сопоставление- с экспериментальными данными для других ВТСП, рассмотренных в "работе, дает возможность ответить иа ряд актуальных вопросов о физике переходов диэлектрик-металл-сверхпроводник в перовскито-подобных системах.

Цель работ.

Главной целью работы являлось всестороннее экспериментальное исследование физической природы концентрационных фазовых переходов из диэлектрического состояния в металлическое при легировании оксидных систем типа Ваі-хК_хВі0з.. а также выяснение особенностей

электронных характеристик, 'приводящих к ряду аномалий, физических свойств. При этом ставились следующие основные задачи.

1. Разработать технологию - ' синтеза качественных монокристаллических и поликристаллических сверхпроводящих образцов системы Ваі-_хК_хВЮз с большим эффектом Мейснера и резким диамагнитным переходом в сверхпроводящее состояние. Получить качественные диэлектрические и металлические образцы этой системы с разным составом. Отработать технологические режимы управления стехиометрией оксидных систем типа Ваі-хКхВЮз, La2-xSr_xCu04 и ВаВії-хРЬхОз-

2. На синтезированных образцах провести исследования магнитных и электрических свойств с целью выяснения влияния на эти свойства фазового расслоения на сверхпроводящую и диэлектрическую области. Найти технологические условия, сводящие эффект фазового расслоения к минимуму.

3. Провести исследование электронной теплоемкости в сильных магнитных полях при низких температурах. Экспериментально определить скачок теплоемкости при Т_с. На основе измерений проверить соответствие полученных термодинамических данных с . предсказаниями теории БКШ.

4. С целью получения .информации о локальной симметрии, об электронных и . фононных характеристиках экспериментально исследовать спектры комбинационного рассеяния, оптические спектры отражения, фононные спектры, спектры электронного парамагнитного резонанса образцов с составами, для которых имеющейся информации о материале недостаточно.

6. Исследовать влияние легирования на тепловое расширение при низких температурах диэлектрических и металлических образцов систем.Ваі-хКхВіОз. La2-_xSr_xCu04 и ВаВ1і__хРЬхОз.

6. На основе анализа экспериментальных данных исследовать физические особенности переходов с легированием диэлектрик-металл-сверхпроводник оксидных перовскито-подобных систем типа Ва1-_хК_хВ10з.

Научная новизна.

В работе впервые получены количественные экспериментальные данные о зависимости электронной теплоемкости от сильного магнитного поля для сверхпроводящей системы Ваі-хКхВЮз. Впервые калориметрическим методом получены -данные об аномальной температурной зависимости верхнего критического магнитного поля в широком диапазоне температур. Тем самым показано, что по такой термодинамической характеристике как Н_С2(^Т), система Ваі~_хК_хВ10з вблизи границы диэлектрик-металл принадлежит к общему классу ВТСП оксидных материалов. Впервые получены данные из измерений теплоемкости в магнитных полях о постоянной Зоммерфельда г. Из отношения экспериментально измеренного скачка теплоемкости ДС при Т_с к т-Т_с впервые показано соответствие этой величины предсказаниям теории БКШ.

Получены новые данные о фононных спектрах диэлектрических и металлических образцов системы Ваі-хК_хВ10з- Дано объяснение физической природы аномального смягчения высокочастотных оптических фононов для металлических систем типа Ваі-_хКхВ10з.

Впервые получены экспериментальные данные об аномальном отрицательном коэффициенте теплового расширения «, при низких температурах и зависимости а от легирования для систем Ваі-_хК_хВі0з. La2-xSr_xCu04 и ВаВ1і-_хРЬ_х0з. Дано объяснение физической природы аномального сжатия образцов при их нагревании.

Предложено физическое объяснение изменения электронной зонной

структуры и типа проводимости с - легированием в системах типа Ваі-хКхВіОз.

На основе анализа экспериментальных данных выявлены особенности электронной зонной структуры, приводящие к ряду аномалий физических свойств перовскито-подоСных систем типа Ваі-хКхВІОз.

Практическая значимость.

Результаты исследований работы дают более глубокие представления о физических процессах при переходах с легированием диэлектрик-металл ВТСП систем. Разработаны практические рекомендации по технологии синтеза качественных сверхпроводящих монокристаллических и поликристаллических образцов системы Ваі-хКхВШз с большим эффектом Мейснера и резким диамагнитным переходом в сверхпроводящее состояние. Указаны практические технологические методы регулирования влияния фазового расслоения на магнитные и электрические свойства.

Получены практически значимые данные о термодинамических свойствах систем Ваі-_хКхВШз, Laz-xSr_xCu04 и ВаВіі-_хРЬ_х0з. Получены количественные данные- об электронной теплоемкости Вао.бКо.4В10з в различных магнитных полях. .Уточнены особенности фазовой диаграммы состав-свойство системы Ваі-_хк_хВ10з.

Получены количественные данные о температурной зависимости-коэффициента ' теплового расширения монокристаллических образцов La2-xSr С11О4. Выявлена сильная анизотропия теплового расширения. Получены количественные данные о тепловом расширении систем Ваі-хКхВіОз, ВаВії-хРЬкОз-

Полученные данные о фонокных спектрах диэлектрических и металлических образцов также как и данные. о теплоемкости и

тепловом расширении практически нужны экспериментаторам, технологам и теоретикам, поскольку оксидные системы с высокотемпературной сверхпроводимостью будут находить все более широкое применение в различных областях науки и техники.

Основные положения и результаті выносимые на защиту.

5. Результаты экспериментальных исследований теплоемкости в сильных магнитных полях и результаты численных расчетов электронных . характеристик сверхпроводящих соединений системы4 Ваі-хКхВЮз.

6. Результаты экспериментальных исследований теплового расширения при- низких температурах диэлектрических и металлических составов систем Ваі-_хК_хВіОз, La2-xSr_xCu04, ВаВ1і-_хРЬх0з и результаты анализа аномалий теплового расширения.

7. Результаты экспериментальных исследований спектров комбинационного рассеяния, спектров отражения, фононных спектров, спектров Э11Р диэлектрических и металлических составов Ваі-_хК_хВ10з, ВаВіі_хРЬ_х0з и анализ особенностей этих спектров.

8. Результаты экспериментальных исследований магнитных, электрических свойств, критических параметров сверхпроводников системы Ваі__хК_хВШз и результаты анализа особенностей этих

'свойств.

5. Физическая модель, особенностей- электронного спектра,
приводящих к аномалиям свойств перовскито-подобных оксидных ВТСП
систем типа Ваі-_хК_хВі6з.

Апробация работ.

Основные результаты исследований, представленные в

диссертации, докладывались на : Всесоюзной' конференции "Сверхпроводники .с высокими температурами сверхпроводящего перехода'"' (Донецк, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Физико-химия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов" (Москва,1988 г.); Международной конференции "Физика макроскопических квантовых явлений" (Прага, Чехия, 1989 г.); XIX европейском конгрессе "молекулярная спектроскопия" (Дрезден, ГДР, 1989 г.); Международной конференции "Высокотемпературная сверхпроводимость" (Стэнфорд, США. 1989 г); Международной конференции "Высокотемпературные сверхпроводники" (Дубна, 1989-г.); Международной конференции "Транспортные явление в сверхпроводниках" (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 1990 г.); Международной конференции "Высокотемпературная сверхпроводимость и явления локализации" (Москва, 1991 г.); Международной конференции "Материалы и механизмы сверхпроводимости" (Токио, Япония, 1991 г.); Всероссийской конференции "Физика низких температур" (Казань, 1992 г.); Международной' конференции "Молекулярные и оксидные сверхпроводники" (Орегон, США, 1993 г.); Международной конференции "Материалы и механизмы сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников" (Гренобль, Франция, 1994 г.); Международной конференции "Прикладная сверхпроводимость" (Бостон, США, 1994 г.); Международной конференции "Химия и технология высокотемпературных сверхпроводников" (МГУ, Москва, 1995 г.); Международной-конференции "Сверхпроводимость: физические аспекты" (Харьков, Украина, 1995 г.);' Международной конференции "Физика оксидных сверхпроводников и нано-техника. II" (Сан Хосе, США, 1996 г.); XXI Международной конференции "Физика низких температур" (Прага, Чехия., 1996 г.); Международной конференции "Материалы и, механизмы сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников" (Пекин,

Китай, 1997 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ, перечень которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Диссертация содержит 2.0^ страницы машинописного текста, включая-?2 рисунка, 4 таблицы и список цитируемой литературы из 253 наименований.