Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Воздействие слабых магнитных полей на спин-зависимые радикальные и дефектные реакции (аналитический обзор)
1.1. Экспериментальные данные по воздействию импульсных магнитных полей на дефектную структуру и свойства немагнитных Кристаллов 10
1.2. Механизмы влияния слабых магнитных полей на химические реакции радикальных пар в рамках концепции спиновой химии 25
1.3.Механизм влияния слабых магнитных полей на дефектные реакции в немагнитных кристаллах в рамках концепции решеточного магнетизма, индуцированного дефектами (DILM) 35
ГЛАВА II Воздействие импульсных магнитных полей на дефектную подсистему и свойства полупроводниковых соединений AmBv
2.1 Эффект изменения температуры плавления арсенида индия в результате воздействия импульсного магнитного поля 43
2.2 Воздействие импульсных магнитных полей на поверхностные свойства кристаллов арсенида галлия и фосфида индия 50
2.3 Влияние предварительной обработки импульсным магнитным полем кристаллов фосфида индия на кинетику их окисления 80
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ II 89
ГЛАВА III Влияние магнитных полей на фотолюминесцентцию кристаллов галогенидов серебра и фотографические свойства светочувствительных слоев на их основе
3.1 Влияние импульсных магнитных полей на люминесцентные свойства монокристаллов хлорида серебра 91
3.2 Влияние импульсного магнитного поля на люминесценцию микрокристаллов хлорида серебра, легированных йодом 97
3.3 Влияние магнитного поля на люминесцентные и фотографические свойства светочувствительных слоев на основе галогенидов серебра 110
Выводы к главе III 120
ГЛАВА IV Воздействие импульсных магнитных полей на купратные высокотемпературные сверхпроводники
4.1 Воздействия импульсного магнитного поля на структуру и свойства ВТСП керамики YBaCuO 122
4.2 Возможный механизм изменения типа проводимости ВТСП керамики YBaCuO в результате воздействия импульсного магнитного поля '. 129
4.3 Селективное воздействие слабого постоянного магнитного поля на фазовые переходы в сегнетоэлектрических кристаллах с водородными связями 133
Выводы к главе IV 136
Основные результаты и выводы 137
Литература
- Механизмы влияния слабых магнитных полей на химические реакции радикальных пар в рамках концепции спиновой химии
- Воздействие импульсных магнитных полей на поверхностные свойства кристаллов арсенида галлия и фосфида индия
- Влияние импульсного магнитного поля на люминесценцию микрокристаллов хлорида серебра, легированных йодом
- Возможный механизм изменения типа проводимости ВТСП керамики YBaCuO в результате воздействия импульсного магнитного поля
Введение к работе
Актуальность темы.
Исследование воздействия слабых магнитных полей на дефектную подсистему (микроструктуру) диамагнитных кристаллов является актуальным как с прикладной, так и фундаментальной точки зрения. С одной стороны привлекает перспектива технологического использования таких воздействий для управления микроструктурой реальных кристаллов с целью придания им требуемых свойств. С другой стороны остается невыясненной природа самого явления структурных изменений в немагнитных кристаллах в результате воздействия магнитного поля, энергия которого ничтожно мала на тепловом фоне.
В первых статьях о влиянии слабого (B^l Т) импульсного магнитного поля (ИМП) на реальную структуру твердых тел сообщалось о распаде дефектных комплексов в щелочно-галоидных кристаллах NaCl в результате воздействия ИМП, о долговременных («запаздывающих») структурных изменениях, индуцированных импульсом магнитного поля в полупроводниковых соединениях AIHBV. К сожалению, в дальнейшем эти исследования долговременных трансформаций дефектных комплексов в кристаллах, вызванных кратковременным воздействием ИМП, не получили должного развития.
Основной объем экспериментальных исследований был посвящен изучению «магнитопластического» эффекта, состоящего в повышении подвижности дислокаций в слабых магнитных полях и впервые описанного в работе. Возможный механизм магнитопластического эффекта был предложен в и базировался на развитых в спиновой химии представлениях о механизмах магнитной чувствительности реакций радикальных пар в жидких средах. Повышение подвижности дислокаций в магнитном поле объяснялось облегченным откреплением дислокации от парамагнитного точечного
дефекта - стопора. Предполагалось, что роль магнитного поля, как и в спиновой химии, состоит в изменении спинового состояния радикальной пары, образуемой ненасыщенной валентной связью в ядре дислокации и парамагнитным стопором, вследствие чего меняется вероятность химической реакции радикальной пары.
Несмотря на привлекательность разработанной в спиновой химии концепции магнитных спиновых эффектов в химических реакциях, правомерность её использования для объяснения. воздействия магнитных полей на реальную структуру немагнитных кристаллов, наблюдаемых как изменение дефектной структуры и подвижности дефектов, остается под вопросом. В частности, предположение о том, что распад парамагнитных дефектных комплексов, являющихся стопорами дислокаций, происходит в магнитном поле за счет изменения спинового состояния короткоживущих радикальных пар, возникающих при термофлуктуационном удлинении и последующем разрыве напряженных химических связей, встречает принципиальные возражения. Время изменения заселенности спиновых уровней в магнитном поле (10"9-10"8sec) существенно, превышает время жизни флуктуационно-растянутой связи (-10" sec), а прямая экспериментальная проверка не подтверждает влияния магнитного поля на разрыв механически напряженных ковалентных связей.
При исследовании влияния ИМП на низко-дислокационные нелегированные полупроводниковые кристаллы АШВУ было установлено, что наличие парамагнитных примесей не является необходимым условием чувствительности диамагнитных кристаллов к внешним магнитным полям. К началу выполнения данного исследования в литературе был накоплен достаточно большой объем экспериментальных данных, убедительно свидетельствующих об уникальной способности ИМП существенным образом воздействовать на реальную структуру и свойства диамагнитных материалов различной природы. В то же время вопрос о том, имеет ли
воздействие относительно слабых магнитных полей на дефектную структуру весьма разнообразных по химическому составу, типу химических связей и физическим свойствам немагнитных кристаллических твердых тел достаточно универсальный характер оставался открытым.
Полученные в данной работе результаты, в совокупности с результатами других исследований, позволили дать положительный ответ на этот вопрос и, наряду с результатами других исследований, стали основой для построения феноменологической схемы, позволившей с единых позиций описать магнито-индуцированную перестройку дефектной структуры кристаллов.
Выбор объектов исследования был обусловлен тем, что полупроводниковые кристаллы AnIBv, галогениды серебра и ВТСП купраты YBaCuO являясь немагнитными кристаллами с различным типом химической связи, кристаллической решетки и проводимости, характеризуются высокой чувствительностью свойств к состоянию дефектной подсистемы, изменения которой могут надежно контролироваться хорошо развитыми прецизионными электрофизическими и фотолюминесцентными методами.
Цель работы состояла в установлении общих закономерностей воздействия импульсных магнитных полей на дефектную структуру и свойства немагнитных кристаллов различной природы.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи исследования. 1. Проведение экспериментальных исследований воздействия ИМП на
дефектную структуру и свойства полупроводниковых соединений AmBv.
Проведение экспериментальных исследований влияния магнитных полей на люминесцентные свойства кристаллов галогенидов серебра и фотографические свойства светочувствительных слоев на их основе.
Проведение экспериментальных исследований воздействия ИМП на температурную зависимость проводимости купратных ВТСП YBaCuO.
Научная новизна
Впервые обнаружены эффекты изменения температуры плавления кристаллов InAs и физико-химических свойств поверхности кристаллов InP и GaAs в результате воздействия ИМП.
Впервые обнаружены эффекты изменения интенсивности фотолюминесценции кристаллов галогенидов серебра и фотографических свойств светочувствительных слоев на основе микрокристаллов AgHal результате воздействия ИМП.
Впервые обнаружен эффект изменения знака коэффициента температурной зависимости сопротивления ВТСП керамики YBaCuO вблизи перехода в сверхпроводящее состояние в результате воздействия ИМП.
Практическая значимость
Воздействия ИМП могут быть использованы для снижения исходной дефектности немагнитных кристаллов.
Воздействия ИМП могут быть использованы для активации физико-химических процессов формирования покрытий на поверхности немагнитных кристаллов.
Воздействия ИМП могут быть использованы для очувствления фотоматериалов.
Обнаруженная чувствительность фотопроцессов к магнитному воздействию может быть использована для визуализации магнитных полей.
Положения, выносимые на защиту:
Воздействие ИМП на кристаллы полупроводниковых соединений A Bv приводит к долговременным немонотонным изменениям физико-химических свойств кристаллов, обусловленным перестройкой дефектной подсистемы кристалла с распадом исходных дефектных комплексов, образованием подвижных вакансий летучего компонента и возникновением диффузионных потоков продуктов распада.
Воздействие ИМП на кристаллы галогенидов серебра вызывает долговременные изменения интенсивности фотолюминесценции кристаллов, что обусловлено распадом исходных дефектных комплексов с образованием подвижных вакансий летучего компонента и диффузионных потоков точечных дефектов, приводящих к формированию новой микроструктуры с повышенным содержанием вакансий серебра в объеме и серебросодержащих комплексов на поверхности кристалла.
Воздействие ИМП на ВТСП YBa2Cu307.x изменяет знак температурного коэффициента сопротивления в области сверхпроводящего перехода, что обусловлено переходом ВТСП из нормального металлического состояния в псевдощелевой режим вследствие повышения содержания X кислородных вакансий в цепочках Си-0 решетки УВагСизОу-х-
Апробация работы. Ниже перечислены конференции, семинары и совещания, на которых представлялись результаты работы.
IV Международный семинар по сегнетопластичности (Воронеж, 2003); V Международ. Науч.-техн. конф. «Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов» (Воронеж, 2003); Международная научно-техническая школа-конф. «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва, 2003); IX Международ, науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003); Topical Meeting of the European Ceramic Society "Nanoparticles, Nanostructures,
Nanocomposites" (S.-Peterburg, 2004); XI Международ, науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2005); III Всерос. конф. «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах. Фагран-2006» (Воронеж, 2006) ); LVII International Conference of Nuclear Physics (S.-Petersburg, 2007).
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 18 печатных работ, в том числе 7 статей, 3 доклада и 8 тезисов докладов на научных и научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах. В совместных работах личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований и участии в интерпретации результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, включая аналитический обзор литературных данных (глава I), выводов и списка литературы. Объем диссертации составляет 152 страницы машинописного текста, включая 59 рисунков. Список литературы содержит 132 наименования.
Механизмы влияния слабых магнитных полей на химические реакции радикальных пар в рамках концепции спиновой химии
Исторически первыми работами по магнитопластичности, которые не вызывали сомнений с точки зрения достоверности и надежности описываемых в них результатов и допускали интерпретацию в ясных физических терминах, были [38 - 43]. В них влияние постоянного или низкочастотного переменного МП на подвижность дислокаций и макропластичность в ферромагнетиках объяснялось взаимодействием дислокаций с границами доменов, движущимися при намагничивании или перемагничивании. Примерно в это же время после теоретической работы В.Я. Кравченко [44], началось интенсивное экспериментальное [45 - 55] и теоретическое [56] исследование влияния МП с В 5-Ю Тл на пластичность чистых диамагнитных металлов при гелиевых температурах. В [57 - 59] даны обзоры большого числа работ, проделанных в этом направлении. Заметим, что в этих экспериментальных работах (как и в опытах с ферромагнетиками [38 - 43]) МП не являлось слабым, и полученные экспериментальные результаты нашли объяснение в рамках теории изменения вязкости электронного газа и электрон-дислокационного трения в присутствии МП. Заметим, что в свете материалов обзора, обсуждающихся ниже, сейчас эти интерпретации не могут считаться исчерпывающими, тем более, что они не всегда безупречно согласуются с экспериментом.
Ряд авторов ставил обратную задачу и пытался обнаружить сам факт, а потом - установить закономерности влияния пластической деформации и дислокационной структуры на магнитные свойства полупроводников [60], переходных металлов [61 - 64] и ионных кристаллов [65]. Насколько известно, результаты последней работы, широко обсуждавшейся в свое время (см. например [66, 67]), никому впоследствии воспроизвести не удалось. В отношении работ [45, 46] также высказывались серьезные критические замечания, поскольку, как было показано в [68], большое влияние на результат оказывало действие МП на подвижные части испытательной машины (несмотря на то, что они были изготовлены из неферромагнитной аустенитной стали). После того как эти аппаратурные эффекты были учтены и устранены, регистрируемые магнитопластические отклики остались, но упали чуть ли не на порядок величины.
В 1987 году появилась работа В.И. Альшица с сотрудниками [69], сразу же привлекшая большое внимание. В ней описывалось парадоксальное, на первый взгляд, явление - стимулирование движения дислокаций в монокристаллах NaCl, введенных слабым ударом, постоянным МП с В 1 Тл в отсутствие какой-либо внешней нагрузки. Поскольку опыты проводили при комнатной температуре (как и большинство описываемых в обзоре), МП удовлетворяло критериям «слабости», что заставляло самих авторов относиться к обнаруженному эффекту с большой осторожностью.
Однако впоследствии авторами [69], а затем рядом других независимых групп существование подобных эффектов было подтверждено не только в NaCl, но и в других материалах - LiF, КС1, KBr, Csl, InSb, Al, Zn, Si, NaN02, ZnS, Ceo, полимерах и т.д. Кроме того, было обнаружено множество родственных явлений, сводящихся к существенному влиянию МП на различные физико-механические и другие структурно-чувствительные характеристики немагнитных материалов.
Обилие и разнообразие экспериментальных данных, полученных независимо несколькими группами с помощью совершенно различных методик, не оставляют сомнений в реальности парадоксального, на первый взгляд, аномально большого влияния на физико-механические и другие структурно-чувствительные свойства твердых тел весьма слабых МП. В связи с этим принципиальную важность узнать, в чем природа этих явлений и можно ли объяснить их с помощью одного универсального механизма (или хотя бы с позиций одного подхода) или в разных материалах и условиях испытания работают различные причины. Ранние попытки интерпретации МПЭ посредством привлечения сил Лоренца, действующих со стороны МП на движущиеся заряженные дислокации; вихревого ЭП, сопровождающего включение и выключение МП; сил, вызванных намагничиванием ферромагнитных преципитатов в диамагнитной матрице; сил, связанных с наличием градиента магнитной восприимчивости вследствие деформации решетки вблизи ядра дислокации, и т. п. не принесли успеха.
Непреодолимые трудности во всех упомянутых выше моделях МПЭ начинаются на первом же шагу обсуждения. Они обусловлены малостью сил и энергий Um UBgB, сообщаемых полем с индукцией В 1 Т любому структурному элементу в магнитонеупорядоченной среде, вследствие чего МП не может существенно изменить состояние термодинамически равновесной системы в этих условиях. В частности, прямое действие МП не может повлиять на вероятность преодоления стопоров дислокациями, так как энергия активации этого процесса Ua« kTR « pBgB (рис. 1.9).
Воздействие импульсных магнитных полей на поверхностные свойства кристаллов арсенида галлия и фосфида индия
Воздействие слабых импульсных магнитных полей (ИМП) на полупроводниковые кристаллы приводит к долговременным немонотонным изменениям их структуры и структурно-зависимых свойств. Высокую чувствительность при этом проявляют приповерхностные слои полупроводниковых кристаллов. Были обнаружены ИМП-индуцированные эффекты долговременной немонотонной релаксации проводимости кремния на границе Si-Si02 [100], немонотонного изменения параметров кристаллической решетки в приповерхностном слое кремния [101], геттерирования дефектов на поверхности и рекристаллизации предварительно аморфизированных поверхностных слоев [102], обогащения приповерхностных слоев кислородом за счет выхода кислорода, растворенного в объеме [103]. При исследовании кристаллов Sb-As обнаружен эффект долговременного перераспределения компонентов твердого раствора при комнатной температуре после кратковременного воздействия ИМП, включающий этапы обогащения поверхности кристалла сурьмой с образованием ею кластеров, распад кластеров сурьмы и постепенное снижение ее содержания на поверхности [95]. В [104,96] при исследовании влияния импульсного магнитного поля на низкодислокационные нелегированные полупроводниковые кристаллы AniBv установлено, что на первой стадии имеет место обогащение поверхности кристалла металлическим компонентом третьей группы (например, индием) с выделением его в отдельные кластеры.
Целью настоящей работы явилось исследование эффектов, обусловленных воздействием импульсных магнитных полей на свойства поверхности кристаллов полупроводников и возможностей их практического применения в технологических процессах полупроводникового производства.
Исследования проводились на элементарных полупроводниках, полупроводниковых соединениях АШВУ и твердых растворах элементов III, IV и V групп таблицы Менделеева. В качестве объектов исследования при проведении различных экспериментов использовались плоскопараллельные пластины кремния с кристаллографической ориентацией плоскостей 111 и 100 , легированные фосфором с концентрацией 5 10 sm", германия с кристаллографической ориентацией плоскостей 100 , легированные сурьмой с концентрацией 2 1016sm"3, арсенида галлия «-типа с кристаллографической ориентацией плоскостей 111 , концентрацией носителей заряда -10 sm", фосфида индия и-типа ориентацией 111 с концентрацией носителей 1016 sm 3. Все кристаллы выращивались методом вытягивания из расплава (методом Чохральского).
Образцы подвергались воздействию ИМП с амплитудой Во = 0,4 Т, длительностью импульсов т = (1 - 4) 10"5 s и частотой следования f = 50 Hz. Длительность обработки составляла от 30 до 60 s. Образец располагался таким образом, чтобы его плоская поверхность была ориентирована нормально силовым линиям магнитного поля. Обработка ИМП осуществлялись при комнатной температуре. В промежутках между измерениями, кроме специально оговоренных случаев, обработанные образцы хранились в инертной газовой среде (смеси аргона и азота) при комнатной температуре.
Исследования топологии поверхности проводились методами сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), позволяющими получать изображения поверхности образцов и проводить измерения ее параметров с атомарным разрешением [105,106]. Подготовка образцов включала химическую обработку для удаления с поверхности окисной пленки и нарушенного слоя, внесенного предшествующей механической обработкой, последующую отмывку в деионизованной воде и сушку. Наблюдения топологии проводились в лаборатории наноскопии и нанотехнологии ЦКПНО Воронежского госуниверситета в сканирующем туннельном микроскопе СКАН-8 в режиме постоянного туннельного тока и в атомном силовом микроскопе (ACM) "FemtoScan 001", изготовленных в центре перспективных технологий Московского государственного университета.
Контроль топологии поверхности образцов проводился до и после воздействия ИМП. После исследования исходного образца, он вынимался из измерительной ячейки для магнитной обработки, а затем помещался обратно. Последующие исследования долговременных изменений топологии поверхности кристалла проводились in situ, то есть, не вынимая образца из установки и не меняя положения зонда прибора относительно образца. Выполнение последнего условия контролировалось по присутствию на изображении характерного дефекта, выбранного в качестве реперной точки при установке образца после ИМП-обработки.
На рис.2.3 представлены результаты изменения топологии поверхности кристалла кремния (Cz-Si), вызванные импульсной магнитной обработкой. В результате воздействия ИМП поверхность кристалла видоизменяется, и на первом этапе хранения становится более неоднородной (рис.2.3Ь) по сравнению с исходной (рис.2.3а), при этом нарушается планарность поверхности, наблюдается ярко выраженный рельеф, возрастает шероховатость поверхности. Спустя 200 часов после ИМП-обработки эти изменения достигают максимума. С увеличением времени хранения образца его поверхность постепенно сглаживается (рис.2.3с), и после 400 часов уровень рельефа поверхности становится меньше исходного значения. В подписи под рисунком указаны средние значения параметра шероховатости Rz (высота неровностей профиля по десяти точкам [107]), измеренные в поперечных сечениях образцов, проведенных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с шагом 10 nm.
Влияние импульсного магнитного поля на люминесценцию микрокристаллов хлорида серебра, легированных йодом
Известно, что примесь йода, вводимая в микрокристаллы реальных фотографических эмульсий на основе AgClI, повышает светочувствительность и активирует зеленую люминесценцию этих кристаллов при Т 120 К. Вместе с тем состояние ионов йода в кристаллической решетке и их роль в электронно-дырочных процессах, определяющих эффективность образования скрытого изображения, полностью не изучена.
Целью данной работы явилось выявление с помощью люминесцентной методики различия воздействия слабого ИМП на кристаллы AgCl, AgClI(l%) и AgCH(5%). Такое исследование помогло бы судить о дефектной структуре микрокристаллов.
Исследовались порошкообразные образцы AgCl и AgCl(I) с различными концентрациями йода (1; 5%). Микрокристаллы AgCl получали двухструйным методом сливания водных растворов хлорида натрия (NaCl) и азотнокислого серебра (AgNCb). Для получения 5г осадка AgCl брали 6,7г AgNCb, растворённые в 25мл дистиллированной, подогретой до 70 С воды и 2,4г NaCl, растворённые в таком же количестве дистиллированной, подогретой до 70 С воды. С одинаковой скоростью растворы сливали в 25мл дистиллированной воды, нагретой до 70 С с одновременным интенсивным помешиванием в течение 30 минут. Для удаления избытка растворимых солей, полученный порошок многократно промывался дистиллированной водой и высушивался при температуре 40 С. Все этапы приготовления производились в темноте. Микрокристаллов AgCl(I) получали аналогично: путём сливания водных растворов солей NaCl, KI и AgNCb в определённых пропорциях:
Количества веществ, необходимых для получения микрокристаллов AgCl(I) с концентрацией иода 1 и 5 мол. %. Измерения спектров люминесценции и фотостимулированной вспышки люминесценции проводилось на экспериментальном автоматизированном комплексе, работающем в режиме счета фотонов в интервале длин волн 380-850 нм, при температуре 77К. Измерения спектров люминесценции проводились до обработки ИМП и через определенные интервалы времени после.
На рис. 3.3. представлены нормированные спектры люминесценции микрокристаллов AgCl, AgClI(l%) и AgClI(5%). Как видно, при введении йодида и увеличении его концентрации происходит сдвиг максимума полосы люминесценции в сторону больших длин волн: Х,тах=480 нм для образца
AgCl (ЭТО соответствует энергии кванта Еизл=2.58 эВ), для AgClI(l%) X,max=515 нм, т.е. сдвиг произошел на 35 нм (АЕ=0.17 эВ); для AgClI(5%)
X,max=525 нм (Еизл=2.36 эВ) и сдвиг положения максимума относительно образца AgCl составляет 45 нм (ДЕ=0.22 эВ). Меняется полуширина полос люминесценции: для AgCl Д =38 нм, для AgClI(l%) ДХ,=49 нм, для AgClI(5%) ДА.=46 нм. Кроме того, растет интенсивность люминесценции: в 2 раза для AgClI(l%) ив 17 раз для AgCH(5%) относительно AgCl (рис. 3.4.). На рис. 3.5 представлены спектры ФСВЛ этих МК. С увеличением концентрации происходит рост интенсивности светосуммы вспышки. Максимума интенсивность светосуммы достигает при энергии возбуждения 1.9 эВ для всех МК.
В AgCl центрами рекомбинации являются катионные вакансии, которым соответствует излучение с А,тах=480 нм. При введении йодида центрами свечения становятся ионы йода Г, локализованные на галогенных вакансиях, которым соответствует излучение с А.тах=515 нм. С увеличением концентрации йодида в кристалле, вероятно, образуется примесная зона, рекомбинации на которой соответствует излучение с Х,тах =525 нм.
Интенсивность люминесценции пропорциональна числу электронов в зоне проводимости N и числу ионизованных центров рекомбинации п: где Р - коэффициент рекомбинации.
Интенсивность стационарной люминесценции растет, вероятно, за счет увеличения числа ионизованных центров рекомбинации и увеличения коэффициента рекомбинации. Интенсивность и светосуммы ФСВЛ растет, возможно, за счет влияния ионов йода на поверхностные серебряные центры и увеличения числа ионизованных центров рекомбинации.
Для изучения функций йодидных центров было решено предпринять облучение исследуемых образцов импульсным магнитным полем. С помощью люминесценции изучался отклик системы на воздействие ИМП.
Сразу отметим, что для использовавшихся ИМП выполняется условие цвВ«кТ(где це - магнетон Бора, В - индукция магнитного поля), т.е. изменение энергии электрона в магнитном поле (за счет энергии Зеемана) пренебрежимо мало по сравнению с кинетической энергией теплового движения, приходящейся на одну степень свободы электрона.
Обработка микрокристаллов ИМП осуществлялась серией симметричных треугольных импульсов магнитного поля с амплитудой Н = 4 Юе, длительностью т = 4 10"5с и частотой следования f = 50 Hz в течение 30 с. Импульсы магнитного поля формировались разрядами батареи конденсаторов через низкоиндуктивный соленоид.
Возможный механизм изменения типа проводимости ВТСП керамики YBaCuO в результате воздействия импульсного магнитного поля
В связи с тем, что построение феноменологической картины ИМП-индуцированных эффектов в реальных кристаллах далеко от завершения, а механизмы воздействия ИМП во многом не установлены, представляется целесообразным продолжение последовательного поиска и исследования объектов, изменяющих свои свойства в результате такого воздействия.
В данной работе исследовалось влияние обработки ИМП высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) на основе соединения Y-Ва-Си-0 на температурную зависимость его электрического сопротивления в области фазового перехода в сверхпроводящее состояние.
Объектом исследования явились образцы ВТСП керамики YBa2Cu307-X5 где 0 х 1, полученные способом [125] двухстадийного спекания на воздухе однородной смеси тонко размолотых порошков Y2O3, ВаСОз и СиО (5 часов при 1200 К и 5 часов при 1250 К с последующим медленным охлаждением). Для исследования были отобраны образцы, имеющие резкий «полный» переход в сверхпроводящее состояние при Тс=90±0,5 К. Образцы имели форму прямоугольных параллелепипедов со сторонами 1,5x5x20 mm. На каждой из граней 1,5x5 mm формировались вжиганием два индиевых контакта, к которым припаивались провода для включения образца в измерительную цепь. Электрическое сопротивление образцов измерялось стандартным четырехзондовым методом в криостате, охлаждаемом жидким азотом. Температура в интервале 77-300 К контролировалась германиевым термометром сопротивления с точностью не хуже 0,05 К. Скорость изменения температуры поддерживалась автоматически, могла варьироваться и составляла 0,5 K/min вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс.
Для измерений методом рентгеновской дифракции (РД) часть образцов размалывалась в тонкодисперсный порошок. Дифрактограммы исходных и ИМП-обработанных порошкообразных образцов снимались на дифрактометре ДРОН 4-07 с фильтрованным СиК« излучением (А,=0,154178 нм) в режиме автоматического углового перемещения с шагом 0,1, временем экспозиции 1 с в каждой точке и вращением образца в собственной плоскости.
Обработка образцов ИМП осуществлялась сериями N=3000 однополярных треугольных симметричных импульсов с длительностью т = 4x10"5 s и частотой следования f = 50 Hz. Амплитуда импульсов варьировалась и составляла В0 = 0,3; 0,35 и 0,5 Т. Импульсы магнитного поля формировались разрядами батареи конденсаторов через низкоиндуктивный соленоид.
Образцы для обработки ИМП помещались в медную капсулу, температура которой задавалась в интервале 400-420 К и поддерживалась постоянной во время воздействия ИМП. После воздействия капсула с образцом охлаждалась до комнатной температуры, а образец помещался в криостат и включался в измерительную схему. Измерения температурной зависимости сопротивления образцов р(Т) проводились через различные интервалы времени после воздействия ИМП. В интервалах между измерениями образцы хранились при комнатной температуре на воздухе.
Результаты воздействия ИМП на ВТСП керамику УВа2Сиз07.х представлены температурными зависимостями сопротивления р(Т) на рис.4.1.ирис4.2
До определенных значений амплитуды индукции ИМП В0 и температуры обработки образцов заметных изменений исходной зависимости р(Т) до перехода в сверхпроводящее состояние не наблюдалось (кривые 1,2,3). В то же время эти обработки ИМП приводили к появлению
Зависимости р(Т) вблизи перехода в СПС для образца УВа2Сиз07-х после обработки ИМП (В0=0,5Тл, і=1мин, Т=420К): 1 - через 2 часа после воздействия, 2,3,4 - через 24,48 и 120 часов соответственно. На вставке: зависимости величины смещения температуры сверхпроводящего перехода АТС (кривая 1) и исходного удельного сопротивления ро (кривая 2) от времени выдержки после ИМП-обработки этого же образца. остаточного сопротивления образцов при температурах ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние Тс=90 К, причем величина остаточного сопротивления и температурный интервал его сохранения возрастали с амплитудой ИМП и температурой обработки образцов.
Основной результат заключается в том, что при достижении определенного порогового значения амплитуды ИМП (Во=0,5 Т при Т=420 К в наших экспериментах) характер температурной зависимости электрического сопротивления образцов ВТСП керамики меняется радикальным образом. Исходная зависимость р(Т) с резким скачком сопротивления при Тс и близким к линейному температурным ростом сопротивления при Т ТС (кривая 1) в результате воздействия ИМП превращается в плавную нелинейную зависимость с монотонным уменьшением сопротивления с ростом температуры (кривая 4). Отметим, что термическая обработка образцов при Т=420 К в течение 10 min без воздействия ИМП не приводила к каким-либо изменениям температурной зависимости их сопротивления.
Существенно то, что ИМП-обработка меняет знак температурного коэффициента сопротивления образца, что свидетельствует об изменении механизма проводимости оксидной ВТСП керамики в результате такого воздействия.
Обнаруженный эффект ИМП-индуцированного изменения характера температурной зависимости сопротивления ВТСП керамики УВагСизОт-х сопровождается долговременной (сотни часов при Т=300 К) релаксацией образца к исходному состоянию. Кривые 5-7 на рис.4.2 демонстрируют этапы этой релаксации.
Представленные на рис 4.3 дифрактограммысвидетельствуют о том, что ИМП-воздействие в оптимальном режиме (В0=0,5Тл, Т=420К, в течение 60с) приводит к долговременному изменению кристаллического состояния образцов YBa2Cu307.x.
