Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на то, что с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости в оксидных системах прошло О лет, вопрос о механизме этого явления остается открытым до сих пор п является одной из актуальнейших задач физики твердого тела. Необходимым условием для ее успешного решения служит наличие достоверных сведении 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 закпх сведений могло бы помочь в выборе возможных.моделей-для объяснения явления высокотемпературной сверхпроводимости. Однако, спелует констатировать, что многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, ставившие такого рода цели, не дали однозначных результатов ни дня одного из классов ВТСП-материалов, и вопрос о принципиальных особенностях строения их зонного спектра в настоящий момент остается открытым.
Как показали опыт изучения различных материалов со сложной зонной структурой ("полупроводников и полуметаллов), а также проведенные уже исследования свойств ВТСП-материалов, одним из весьма доступных и достаточно информативных методов изучения зонного спектра является комплексное экспериментальное исследование электронных явлений переноса и их анализ в материалах с направленным изменением состава.
15 настоящее время накоплен бол мной объем экспериментальных дачіи.іх о характере температурных зависимостей кинетических коэффициентов (удельного сопротивления р, коэффициентов термоэдс S и Холла К ^) в ВТСП-матерналах различных классов (в частности, в соединении УВагСидОу, изучению которой) посвящена данная работа) и о характере трансформации этих зависимостей при отклонениях от стехиометрии. Следует отметить, что для YBaiCu^Oy наиболее подробно изучено влияние на эти зависимости изменения состава образцов по кислороду.
Было обнаружено, что температурные зависимости кинетических коэффициентов в ВТСП-матерналах (в частности, иттриевой системы) 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 широко, о природе и свойствах нормального состояния в ВТСП-материалах является очень актуальным и широко обсуждаемым в литературе. Для объяснения необычного поведения кинетических коэффициентов используются различные подходы. К сожалению, в большинстве случаев обсуждаются отдельные свойства (например, коэффициент Холла или коэффициент термоэдс) и, в основном, общие характерные особенности их поведения, хотя наибольший интерес, несомненно, представляют подходы, в рамках которых возможно объяснение с единых позиций совокупности особенностей температурных зависимостей всех кинетических коэффициентов. Одна из моделей, позволяющая решить эту задачу, была предложена и разработана проф. В.И.Кайдановым (так называемая "модель узкой зоны"). Основное отличие данной модели в том, что с ее помощью можно не только качественно описать поведение кинетических коэффициентов в нормальной фазе, но и получить расчетные формулы для коэффициента термоэдс с точностью до абсолютных значений. Сопоставление экспериментальных зависимостей S(T) с расчетными позволяет определить некоторые параметры системы носителей заряда, такие как степень заполнения зоны электронами, эффективная ширина проводящей зоны и эффективная ширина интервапа делокализованных состояний. Как показапо использование этого метода при изучении системы УВа2СизОу с различным содержанием кислорода, такой подход позволяет проследить за трансформацией зонного спектра при изменении
кислородмот индекса у и установить связь между изменениями параметров зонного "спектра її сверхпроводящих свойств данного соединения.
Таким обраотм, результаты использования данного метода да юз-основание предположить, что применение его при исследовании системы УНаїСизОу с откчоненнями от стехиометрии другого рода (например, катиониыми замещениями) может позволить не*1 только убедиться в правомерности его использования, по и получить важную информацию об изменении зонного спектра с ростом содержания различных примесей, па
ОСІІОВЄ КОТОПОІІ МІЧШ1 riviw'T f П/Ч1ЧТ1. ш.;.»""' 71!Г"11 - "Z^l". ~Z~.'. '..Г... HMHV КОЧПО!!Є!!ТО!' р»!!!ЄТКІГ В фОрМІфОБаПШІ ІфОьиДіІШОїі jolll.l І| МЄХННИІМС
влияния замещении на свойства УВагСизОу.
Следует отмстить, что влияние различных катионных замещении на структуру и сверхпроводящие свойства УВа2СизОу изучается довольно интенсивно. Однако, данные об изменении транспортных свойств при этом крайне немногочисленны и несистематичны, в ряде случаев просто отсутствуют. В то же время, нам представляется, что такие исследования могут дать не нпько полезную фактическую информацию о свойствах нормальной фазы ^'І^^СизОу и их связи со сверхпроводящими параметрами данного соединения, по и способствовать выяснению вопроса о строении и особенностях трансформации зонного спектра в ВТСП-соеднненпях. Получение надежных экспериментальных данных о характере и особенностях изменения температурных зависимостей кинетических коэффициентов в зависимости от типа и содержания примеси и их сравнительный анализ на основе молельных представлении о структуре зонного спектра в сопоставлении с данными о критической температуре и происходящих при легировании структури ы\ изменениях в решетке YBanQijO, явіяеіея, по нашему мнению, мощным и перспективным методом изучения свойств системы носителей заряда в нормальной фазе, достоверная информация о которых крайне необходима на современном этапе исследования ВТСП-материалов.
Решению этих задач и посвящена настоящая диссертационная работа.
Основные пели работы включали:
(.Сравнительное экспериментальное исследование электронных явлений переноса в нормальной фазе в системе УВа2СизОу с частичными замещениями различных катионов;
2.1 Іронерка правомерности использования модели узкой зоны для количественного описания, анализа и неп(Х)тиворечиііоіі интерпретации всей совокупности полученных экспериментальных результатов;
3. Исследование характера трансформации зонного спектра YBaiCu^Oy при увеличении уровня легирования и выявление общих закономерностей -и особенностей влияния различных примесей на его параметры:
4.Соноставленнс происходящих при различных катнонных шмещеннях в системе YBaiCuipv изменении значении зонных параметров с одной стороны и сверхпроводящих свойств данного соединения - с другой, выявление характера связи между ними и анализ ее возможных причин;
5.Выявление механизма влияния замещений в катнонной подрешетке УВа^СизОу на транспортные свойства в нормальной фазе, критическую температуру и зонный спектр этого соединения.
Научная новизна работы.
1.Проведено систематическое комплексное экспериментальное исследование поведения кинетических коэффициентов в УВазСизОу при рахппчных замещениях всех катионов решетки, в ряде случаев для неизученных ранее систем.
2.На основе количественного анализа и успешного объяснения всех особенностей полученных экспериментальных зависимостей дано убедительное подтверждение правомерности применения модели узкой зоны для описания свойств ВТСП-материалов в нормальной фазе и возможности ее использования для получения информации о строении и трансформации зонного спектра YB^Cu^Oy.
3.Показано, что определяющее воздействие на свонства нормальной фазы, сверхпроводимость и параметры зонного спектра УВа2СизОу оказывает состояние кислородной подсистемы, прежде всего, содержание и характер распределения по позициям в решетке атомов цепочечного кислорода.
4.Во всех исследованных системах обнаружена строгая корреляция между значениями параметров зонного спектра с одной стороны и критической температуры - с другой.
5.Сделан вывод о том, что основной механизм влияния катионных замещений на транспортные свойства, сверхпроводимость и зонный спектр
YBaiCu-jOy .„связан —с— вызываемым—неизовалентными замещениями разупорядоченнем цепочечного кислорода, приводящим к андерсоновской локализации состоянии, расширению проводящей зоны и, соответственно, уменьшению значення плотности состояний на уровне Ферми.
6.Выявлены, проанализированы и объяснены специфические особенности влияния легирования кальцием в системах с одиночным и двойными замещениями.
Практическая ценность работы.
1.В диссертации убедительно продемонстрирована возможность использования метода анализа транспортных свойств в нормальной фазе на основе модели узкой зоны для исследования особенностей строения зонного спектра в ВТСП-соединениях.
2.Получена важная информация о строении, особенностях формирования и характере трансформации при легировании зонного спектра УВа2СизОу, а также о связи его параметров со сверхпроводящими свойствами данного соединения, которая может оказаться необходимой и весьма полезной при построении модели высокотемпературной сверхпроводимости, а также для поиска новых составов ВТСП-материалов.
Основные положения, выносимые на зашиту:
І.Все многообразие полученных экспериментальныч результатов по температурным и концентрационным зависимостям кинетических коэффициентов в системе УВаэСизОу с различными замещениями в катнонной полрешетке может быть объяснено на основе модеми чзкон зоны. Это дает возможность утверждать, что наличие в зонном спектре этого соединения узкой проводящей зоны весьма вероятно, а данная модель может успешно применяться для анализа особенностей его строения, формирования и трансформации при различного рода воздействиях в высокотемпературных сверхпроводниках.
2.Неизовалентные катнонные замещения вне плоскостей Q1O2, приводящие к изменению содержания кислорода и перераспределению его атомов в решетке УВа2СизОу, влияют на сверхпроводящие свойства и зонный спектр данного соединения существенно сильнее, чем замещения непосредственно плоскостной меди, не вызывающие таких структурных изменений.
-S-
}. Характер влияния катонных замещении па зонный спектр УНаїГіцОу определяется, главным образом, происходящим при этом изменением состояния кислородной подрешеткн, разупорядочение которой приводит к расширению проводящей зоны п уменьшению доли делокачизованных состоянии. Подученные результаты позволяют сделать вывод о реализации в ВТСП-материалах механизма андерсеновской локализации состояний.
4.Отличия в степени влияния различных замещении на величину критической температуры коррелируют с изменением зонных параметров, находясь в прямой зависимости от значения плотности состояний на уровне Ферми. Различный вид зависимостей критической температуры, ширины проводящей зоны и степени заполнения ее электронами от уровня легирования для исследованных замещений может быть объяснен с учетом происходящих в каждом конкретном случае структурных изменений в решетке YBa2Cu30y.
5.Анализ обнаруженных особенностей влияния замещения иттрия кальцием на сверхпроводящие свойства, вид температурных зависимостей коэффициента термоэде и параметры зонного спектра YBa^G^Oy в случаях как одиночного, так н двойных замещении, позволяет сделать вывод о возможности внесения кальцием дополнительных состоянии в проводящую зону, что приводит к ее асимметрии.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXIX и XXX Совещаниях по физике низких температур (Казань, 1992, Дубна, 1994), I и II Международных Симпозиумах по ВТСП и туннельным явлениям (Донецк, 1992, 1994), 14 Международной конференции по криоматерналам (Киев, 1992). Международной конференции по сверхпроводникам (Taiwan, 1993), IV Международной конференции по материалам и механизмам сверхпроводимости и ВТСП (Grenoble, 1994) и IV Всемирном Конгрессе по сверхпроводимости (Orlando, 1994), обсуждались на научных семинарах в Физико-Техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН :'н на кафедре физики полупроводников и наноэлектроники СПбГТУ.
Публикации. По материалам работы опубликовано 20 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертацпя-состоііт"из~введення7
шести глав, заключения и списка литературы, включающего 229 наименований. Работа содержат 220 страниц машинописного текста, в том числе 8 таблиц и 78 рисунков.
