РАЗДЕЛ 2
Перераспределение кислорода при комнатных температурах в кристаллах с различным
содержанием кислорода
Структурные [20, 33], оптические [21, 34] и магнитные [20] исследования
монокристаллов YBa2Cu3O7-d с пониженным содержанием кислорода, d = 0,3-0,6,
показали, что после их быстрого охлаждения от высоких температур, T > 800 K, до
комнатной температуры параметры кристаллической решетки, отражательная
способность и критическая температура изменяются во времени после
изотермического отжига при комнатных температурах. Было обнаружено, что
параметры кристаллической решетки уменьшаются [35], а отражательная способность
[21, 34] и критическая температура [20] возрастают по мере увеличения времени
выдержки при комнатной температуре. Равновесное же значение этих параметров в
процессе изотермического отжига при комнатных температурах достигается по
истечении нескольких суток. При этом было установлено, что коэффициент
заполнения кислородных позиций в плоскостях CuO не изменяется. Поэтому
изменение свойств кристаллов со временем интерпретировали перераспределением
лабильного кислорода в токонесущих плоскостях CuO без изменения его содержания.
Предполагалось, что высокотемпературное неупорядоченное пространственное
распределение кислорода сменяется более упорядоченным его распределением при
комнатной температуре [35].
Поскольку вакансии кислорода считают основном источником точечного пиннинга, то
их перераспределение приводит к изменению пиннинга и динамики магнитного потока
[13]. Поэтому представляется важным исследовать на каких расстояниях и в
области каких концентраций кислорода реализуется его перераспределение, а также
выяснить каким образом это перераспределение влияет на изменение критических
параметров, и в частности критической температуры. Кроме того, несомненный
интерес представляет выяснение причины изменения Тс: является ли это изменение
следствием локального кислородного окружения атомов меди в плоскостях CuO, как
это предполагалось в предшествующих работах [20, 21, 33, 34], или оно вызвано
изменением параметров кристаллической решетки, которое сопутствует процессу
перераспределения кислорода?
Для получения ответа на эти вопросы оптимальным методом исследования является
измерение электросопротивления R. Действительно, (1) электросопротивление
чувствительно к характеру распределения центров рассеяния носителей тока и их
упорядочение должно приводить к уменьшению R, (2) измерение R(Т) позволяет
определить величину Тс, и (3) измерение изменения скорости релаксации
электросопротивления при изменении температуры позволяет определить энергию
активации процесса релаксации [26]. Представленные в этом разделе оригинальные
экспериментальные результаты были опубликованы в работах [36 - 38].
2.1. Влияние температуры на процессы перераспределения кислорода
На рис.2.1 показаны сверхпроводящие переходы двух монокристаллов К1 (кривые
1-3) и К2 (кривые 4-6), измеренных непосредственно после их быстрого охлаждения
от Т = 900 К до комнатной температуры (кривые 1 и 4), а также после их выдержки
при комнатной температуре в течение 20 часов (кривые 2 и 5) и в течение четырех
суток (кривые 3 и 6). Полученные значения критической температуры Тс = 35 - 50
К соответствуют существенному дефициту кислорода, d = 0,4 - 0,6. Видно, что
переходы в сверхпроводящее состояние смещаются в область высоких температур, а
сопротивление в нормальном состоянии RN уменьшается с увеличением времени
выдержки кристаллов при комнатной температуре.
Рис.2.1 Изменение критической температуры в процессе изотермического отжига
кристаллов K1 (кривые 1-3) и K2 (кривые 4-6). Сверхпроводящие переходы 1 и 3
измерены непосредственно после охлаждения от Т = 900 К до комнатной
температуры, переходы 2 и 5 измерены после отжига при Т = 290 К в течение 20
часов, а переходы 3 и 6 измерены после отжига при Т = 290 К в течение четырех
суток.
Эволюция электросопротивления со временем в области комнатных температур после
быстрого охлаждения кристалла К2 от Т = 900 К показана на рис.2.2. Видно, что
сопротивление непрерывно уменьшается с увеличением времени выдержки при T =
const, а скорость уменьшения сопротивления быстро уменьшается с понижением
температуры. Последнее свидетельствует о термически активируемом механизме
процесса релаксации сопротивления. Используя метод изменения угла наклона
зависимостей R(t), как это показано на рис.2.2а, энергия активации определяется
из соотношения [26]
U = (1/T2 -1/T1)Чln(a1/a2) (2.1)
где a1 и a2 углы наклона зависимостей R(t) при температурах Т1 и Т2,
соответственно, как это показано на вставке рис.2.2а.
Рис.2.2 (а) Эволюция R(t) кристалла K2 в процессе изотермического отжига при
температурах Т = 279, 257, 239,4, 295 и 305 К после быстрого охлаждения
кристалла от Т = 900 К. (б) Эволюция R(t) кристалла K2 при скачкообразных
изменениях температуры 289 ® 320 ® 289 К.
Используя этот метод, было получено значение энергии активации U = (1.1 ±
0,1)Ч104 К. Эта величина в пределах погрешности эксперимента совпадает с
энергией активации диффузии кислорода в монокристаллах YBa2Cu3O7-d с d » 0,5
[39], что подтверждает ранее высказанное предположение о перераспределении
кислорода. Наблюдаемое же уменьшение сопротивления свидетельствует о его
упорядочении при комнатных температурах.
Необходимо отметить, что характер распределения кислорода в области комнатных
температур зависит от температуры. Это наглядно видно на рис.2.2б, на котором
показана эволюция R во времени после изменения температуры на 30 К. Кривая 1
измерена после изотермической выдержки кристалла К2 при Т = 289 К в течение
двух
- Київ+380960830922