ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4
ГЛАВА I. ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА СЛАБОСВЯЗАННЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ (ОБЗОР)....................................................................................10
1.1. Теоретические исследования транспортных свойств слабых связей------------------------------------------10
1.2. Экспериментальные исследования транспортных свойств слабых связей.................................. 20
1.2.1 Транспортные свойства слабых связей на основе 11ТСП................................................20
1.2.2 Транспортные свойства слабых связей на основе ВТСП.................................................24
1.3. Постановка задачи 34
ГЛАВА II. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ВТСП...........................................................................................36
2.1. Введение...^ —..............-...-»..м....~...-...-«...«...м-...»...м....«...-~..и«...-..»...-...»......36
2.2. Синтез поликристаллических ВТСП и композитов на их основе ________________ ..__________________________36
2.3. Измерения электросопротивления, критического тока и ВАХ образцов при различных температурах 37
2.4. Измерения магнитных свойств образцов. 43
ГЛАВА III. ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ ИЗ ВТСП И МЕТАЛЛООКСИДА...............................................................................................45
3.1. Введение 45
3.2. Экспериментальные результаты 45
3.3. Сравнение экспериментальной ВАХ с теоретическими зависимостями напряжение - ток для Б-М-Б
50
3.4. Вы воды ------------------------------------------------------.......— 55
ГЛАВА IV. ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ НА МИКРОТРЕЩИНЕ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВТСП...........................................................56
4.1. Введение 56
4.2. Экспериментальные результаты 57
4.2.1. Контактна микротрсшинс в У075Ьио25Ва2Сиз07.............................. 57
4.2.2. Контакт на микротрешине в Ьа, 15Бг0 иСиО«............................... 64
4.3. Обсуждение полученных результатов..^...— ................................ 69
4.4. ВЫВОДЫ .................................................................... 77
ГЛАВА V. КРОССОВЕР “ЧИСТЫЙ” - “ГРЯЗНЫЙ” ПРЕДЕЛ В КОМПОЗИТАХ НА ОСНОВЕ ВТСП.....................................................................78
5.1. Введение—
78
5.2. Экспериментальные результаты ...................—78
5.3. Обсуждение~.~~~ .....
5.4. Выводы .......
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА..
ПРИЛОЖЕНИЕ..
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. К настоящему времени на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) практически проведены все базовые эксперименты, подобные поставленным ранее на низкотемпературных сверхпроводниках (НТСП), которые позволили в свое время объяснить явление низкотемпературной сверхпроводимости в металлах и подтвердить применимость теории Бардина - Купера - Шриффера к описанию свойств НТСП. Однако несмотря на многочисленные проведенные исследования на ВТСП, природа сверхпроводимости в этих металлооксидах остается неясной.
Одним из основных критических экспериментов является наблюдение эффектов Джозефсона на туннельных контактах сверхпроводник - диэлектрик - сверхпроводник. Эффекты Джозефсона, стационарный и нестационарный, определяющие протекание тока через слабые связи типа сверхпроводник -нормальный металл - сверхпроводник, качественно отличаются от джозефсо-новских эффектов в туннельных контактах. Исследование вольт-амперных характеристик (ВАХ) джозефсоновских слабых связей сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник является мощным инструментом изучения физических процессов, определяющих токоперенос через такие контакты, и, возможно, может служить критическим экспериментом, раскрывающим особенности высокотемпературной сверхпроводимости.
Широкие возможности экспериментального исследования протекания тока через слабые связи на ВТСП предоставляет использование, как объектов исследования, композитов на основе ВТСП. Двухфазные композиты на основе ВТСП являются физической моделью сети слабых джозефсоновских связей с заранее заданными параметрами. Ввиду относительной простоты технологии приготовления композитов по сравнению с одиночными джозефсоновскими
4
контактами, на этих гетерогенных материалах появляется возможность целенаправленно изучить особенности протекания сверхпроводящего тока по слабым связям различного характера, формируемыми “искусственными” границами разделяющими сверхпроводящие кристаллиты. Кроме этот, сопоставление результатов исследований композитов на основе ВТСП с данными, полученными на поликристаллических ВТСП с “естественными” мсжкристаллитными границами, позволяет установить природу “естественных” мсжкристаллитных границ.
Сравнение экспериментальных результатов с существующими в литературе теориями позволяет пролить свет на их применимость к ВТСП и идентифицировать физические процессы, определяющие протекание тока через эти материалы, что в настоящее время является важной научной задачей.
Актуальность вызвана также исследованием новых композитных материалов на основе ВТСП в материаловедческом и прикладном плане, как материалов, обладающих ценными для практического применения свойствами.
Нель работы заключалась в экспериментальном исследовании транспортных свойств поликристаллических ВТСП с искусственно созданными и с “естественными” границами непосредственной проводимости, изучении процессов андреевского отражения, сопровождающих перенос тока через такие материалы и проведении моделирования протекания электрического тока через сеть слабых связей, реализующихся в композитах на основе ВТСП.
Согласно с этим были поставлены следующие задачи:
1. Синтезировать композиты из ВТСП Уо^иотзВагСизОу и металлооксида ВаРЬОз и экспериментально исследовать их ВАХ. Проанализировать и описать полученные результаты в рамках теории, рассматривающей андреевское огражение в слабых связях сверхпроводник - нормальный металл -сверхпроводник.
5
2. Экспериментально исследовать температурную эволюцию ВАХ контактов на микротрещинс в поликристаллическом ВТСП Уо.75^ио^5Ва2Сиз07 в температурном интервале 4.2 - 93.5 К и в поликристаллическом ВТСП Ьа,.858го.|5Си04 в температурном интервале 4.2 - 38 К с целью идентификации природы “естественных” межкристаллитных границ в этих ВТСП. Провести моделирование полученных ВАХ с использованием теории Кюммеля -Гунзснхаймера - Никольского.
3. Исследовать эволюцию транспортных свойств композитов Уо.75Ьио.25Ва2Сиз07 + ВаРЬ^хБПхОз при кроссовере от “чистого” к “грязному” пределу при увеличении содержания Бп в ВаРЬ1.х8пхОз.
Научная новизна:
1. Впервые исследованы ВАХ композитных материалов ВТСП (Уо.75Ьио.25Ва2Сиз07) + металлооксид (ВаРЬОз). Впервые экспериментальные ВАХ описаны в рамках микроскопической теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Никольского.
2. Впервые исследована температурная эволюция ВАХ контактов на микро-трешине в поликристаллических ВТСП составов УодзСио^ВагСизО? и Ьа,.85$Го.,5Си04. Разработана эвристическая модель, позволяющая описывать экспсриме1гтальные ВАХ контактов на микротрещине в поликристаллических ВТСП. Впервые произведено описание экспериментальных ВАХ с использованием разработанной модели и микроскопической теории Кюм-меля-Гунзенхаймера-Ннкольского.
3. Впервые экспериментально исследован кроссовер от “чистого” к “грязному” пределу в сети слабых связей сверхпроводник - нормальный металл -сверхпроводник, реализующейся в композитах УолзСиодзВагСизСЬ + ВаРЬ|.к8пхОз.
4. Проанализирована возможность практического применения исследованных
6
ВТСП материалов как активных элементов ограничителей тока короткого замыкания и как датчиков слабых магнитных полей, основанных на эффекте магнитосопротивлеиня.
Практическая ценность Впервые на композитах Уолз^ио^ВагСизО? + ВаРЬОз экспериментально исследованы ВАХ, демонстрирующие гистерезис-ную особенность. Также впервые проведено сравнение экспериментальных ВАХ с теоретическими кривыми, рассчитанными с использованием современной теории, что позволило идентифицировать физические процессы, формирующие ВАХ слабых связей сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник. Предложена модель, позволяющая описать ВАХ контактов на микротрещине с непосредственной проводимостью в поликристаллических ВТСП, исследовать природу мсжкристаллитных границ и процессы в них, сопровождающие протекание тока. Впервые в композитах Уо.тзЬио.гзВагСизО? + ВаРЬ|.х8пх03 исследован кроссовер от “чистого” к “грязному” пределу. Сделаны предложения по практическому применению исследованных материалов как активных элементов ограничителей тока короткого замыкания и как датчиков слабых магнитных полей, основанных на эффекте магнитосопротивления.
Структура диссертации
В первой главе (п. 1.1) проведен обзор теоретических работ, посвященных исследованию ВАХ, особенностей протекания тока и соответствующим физическим процессам в слабых связях сверхпроводник - нормальный металл -сверхпроводник.
В п. 1.2 проведен обзор экспериментальных работ, в которых исследуются транспортные свойства сверхпроводящих слабых связей (одиночных переходов, регулярных мультиструктур и статистических сетей слабых связей) как на основе НТСП, так и на основе ВТСП.
В конце обзора дана постановка задачи.
Во второй главе описаны синтез и экспериментальные методики измерения транспортных характеристик поликристаллических гетерогенных ВТСГ1 при различных температурах, основанные на стандартном 4-х зондовом методе. К транспортным характеристикам относятся плотность критического тока, электросопротивление, вольт-амперные характеристики.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования транспортных свойств композитов Уо^ЬисшВагСизО? + ВаРЬ03. Проведен анализ применимости существующих теорий к описанию полученных экспериментальных данных. Произведено сравнение экспериментальных ВАХ с теоретическими кривыми, полученными в рамках теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Никольского. Продемонстрировано согласие между экспериментальными и теоретическими ВАХ.
В четвертой главе приведены результаты исследования транспортных свойств контактов на микротрещине в поликристаллических. ВТСП ^о^ВиодзВагСизО; и Ьа^БголзСиС).!. Предложена модель, позволяющая воспроизвести экспериментальные характеристики. Анализ полученных результатов проведен в рамках теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Ннкольского.
В пятой главе приведены результаты исследования транспортных свойств композитов Уо.75Ьио.25Ва2Сиз07 + ВаРЬ,.х8пхОз с различным содержанием ингредиентов композита и различным содержанием олова в ВаРЬ1.х8пх03. Иссле-
\
доваи кроссовер от “чистого” к “грязному” пределу в композитах, при увеличении содержания Бп. Исследовано изменение зависимостей Я(Т) в слабых магнитных полях для различных значений транспортного тока.
В заключении сформулированы основные выводы данной работы.
В приложении изложены аспекты применения ВТСП материалов как активных элементов ограничителей тока короткого замыкания, предложена конструкция ограничителя тока короткого замыкания, приведены результаты тес-
тов созданного макета.
На защиту выносятся:
1. Результаты измерения ВЛХ композитов из пол и кристаллического 13ТСП (Yo.75Luo.25Ba2Cu307) и металлооксида (ВаРЬ03). Анализ полученных результатов в рамках теории Кюммеля-Гунзенхаймера-Никольского.
2. Результаты исследования температурной эволюции ВАХ контактов на микротрещине в поликристаллических ВТСП Уо^Еио^ВагСизОу и LaI 85Sr0 I5CuO4. Анализ полученных результатов в рамках теории Кюмме-ля-Гунзенхаймсра-Никольского.
3. Результаты исследования зависимостей сопротивления от температуры композитов Уо.75Ьио.25Ва2Сиз07 + BaPb|.xSnxC>3 для различного содержания ингредиентов композита и различного содержания олова в BaPb|.*SnxC>3.
Апробация. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях: 5th International Workshop «High-Temperature Superconductors and Novel Inorganic Materials Engineering (MSU-HTSC -V)», Moscow, March 24-29, 1998; 3th International Conference on New Theories, Discoveries, and Applications of Superconductors and Related Materials (New3SC-3), Honolulu, Hawaii, USA, January 15-19, 2001; XVIII международная школа-семинар “Новые магнитные материалы микроэлектроники”, Москва, 24-28 июня, 2002; Vl-bilatcral Russian-German symposium “Physics and chemistry of advanced materials”, Новосибирск, 18-27 августа, 2002; 7th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-Rio), Rio de Janeiro, Brazil, May 25-30, 2003, а также на XXXIII совещании по физике низких температур, Екатеринбург, 17-20 июня, 2003.
9
ГЛАВА I. ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА СЛАБОСВЯЗАННЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ (ОБЗОР)
1.1. Теоретические исследования транспортных свойств слабых связей
Как известно, начиная с работ Джозефсона [1-3], фазовая когерентность может существовать между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоем несверхпроводящего материала. Существование фазовой когерентности обеспечивает протекание бездиссипативного тока (сверхтока) через такой контакт. При этом величины плотности критического тока и критического поля такого контакта сверхпроводников значительно меньше, чем для однородного сверхпроводника. Эго явление получило название слабосвязанной сверхпроводимости. Если первоначально для всех типов слабосвязанных сверхпроводников применялось название джозефсоновские слабые связи, то в установившейся к настоящему времени терминологии обычно принято термином “джозефсо-новскис контакты” обозначать контакт из сверхпроводников, разделенных материалом с туннельной проводимостью, т.е. диэлектриком. Термин “слабые связи” употребляется, в большинстве случаев, для обозначения контактов из сверхпроводников, разделенных областью с непосредственной проводимостью, т.е. контакты сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник (Б-М-Б), сюда же относят микромостики, сужения и др. слабосвязашгые сверхпроводящие контакты [4].
В 1961-62 г. Б. Джозефсон предсказал существование и разработал теорию эффектов, сопровождающих протекание электрического тока через систему из сверхпроводников, разделенных туннельным барьером с толщиной не более нескольких дайн когерентности сверхпроводника [1-3].
10
Стационарный эффект Джозефсона заключается в том, что несмотря на наличие несверхпроводящего барьера между сверхпроводниками, ток течет без сопротивления через такую систему и падение напряжения остается равным нулю вплоть до достижения током критического значения. Плотность критического тока слабосвязанных сверхпроводников на несколько порядков меньше, чем в однородном сверхпроводнике. Величина протекающего тока определяется разностью фаз волновых функций Бозе - конденсата в сверхпроводящих “берегах” фь и фк:
/=/сх$тф, (1-1),
где 1С - амплитуда сверхтока или критический ток, ф = - фк - разность фаз.
Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда нарушается когерентность между фазами параметров порядка разделенных сверхпроводников. При этом возникает конечное сопротивление контакта и ненулевое падение напряжения на нем:
с!фЛ1/ = 2е11 / й, (1.2),
здесь и - напряжение на электродах, е - заряд электрона, й - постоянная Планка. При ненулевом и переход будет излучать (рассеивать энергию) с частотой
со = е1} / й. Другое следствие нестационарного эффекта состоит в том, что если на переход подать переменный сигнал (СВЧ диапазона), то на ВАХ возникают ступеньки при значениях напряжения, связанных с частотой внешнего сигнала: и= пйсо/е.
Уравнения Джозефсона (1.1), (1.2) были получены для системы из сверхпроводников, разделенных диэлектрическим слоем, и описывают туннелирование куперовских пар через потенциальный барьер. Протекание тока в случае металлической прослойки между сверхпроводниками (потенциальная яма между сверхпроводящими берегами) оставалось нсобъяснснным.
С 1963 г. была развита детальная теория [5-7] эффекта близости. Эффект
близости заключается в том, что на границе контакта металла и сверхпровод-
11
- Київ+380960830922