РАЗДЕЛ 2
Особенности оптической абсорбционной спектроскопии пленок YBa2Cu3O6+x ,
экспериментальные методики и технологии
В данном разделе мы рассмотрим экспериментальные методики и технологии
низкотемпературных оптических измерений тонких пленок YBa2Cu3O6+x. Будут
описаны особенности измерений спектров поглощения и приведены характеристики
пленок. Для оптимизации самих оптических измерений, идентификации спектров,
корректного учета ошибок измерений необходимо знать особенности
кристаллохимической и электронной структуры медных оксидов и прежде всего
YBa2Cu3O6+x. Поэтому вначале мы остановимся именно на этих вопросах.
2.1. Кристаллохимическая и электронная структура YBa2Cu3O6+x
2.1.1. Кристаллохимическая структура YBa2Cu3O6+x. Среди медных оксидов на
основе связи Cu-O-Cu наиболее простыми являются квазиодномерные структуры типа
(Ca,Sr)2CuO3, SrCuO2 [39]. Вдоль b-оси кристаллографической структуры
расположены одинарные цепочки в случае (Ca, Sr)2CuO3 и двойные в случае SrCuO2.
Обменное взаимодействие вдоль цепочек J||»0,27 эВ на несколько порядков больше
взаимодействия между цепочками, поэтому эти соединения являются почти
идеальными гейзенберговскими 1D-системами со спином Ѕ. Трехмерный АФ порядок
устанавливается при температурах в несколько градусов Кельвина, например,
TN»5 К для Sr2CuO3. В пространственном отношении плоскость CuO2 в этих
соединениях представляет собой набор сильно вытянутых плоских ромбов с ионами
меди в центрах (искаженный комплекс CuO4 с расстояниями между медью и
кислородом в двух направлениях 1,894 и 1,962 Е для Ca2CuO3). Диэлектрическая
щель величиной Eg»2 эВ обусловлена переносом заряда от кислорода к меди. В
оптических спектрах наблюдается мощный краевой максимум, а с коротковолновой
стороны – слабая дополнительная особенность, которую относят к переходам с
переносом заряда с одновременным возбуждением магнитной подсистемы меди [39].
Другой предельный случай структуры медных оксидов представляют соединения, в
которых имеется только плоскость CuO2, но цепочки отсутствуют. Примером таких
соединений является (Ca1-xSrx)1-yCuO2, где y – число вакансий. С двух сторон
активная (токонесущая) плоскость CuO2 с расстоянием между медью и кислородом
»1,9 Е зажата слоями, не содержащими медь. Критическая температура СП перехода
может достигать в этом соединении 110 К [39]. К структурам, имеющим плоскость
CuO2 при отсутствии медно-кислородных цепочек, относится также La2CuO4 [39]. В
диэлектрической фазе (Eg»1,7 эВ) это соединение является антиферромагнетиком с
TN»300 К, причем даже при температурах заметно выше TN нейтронные эксперименты
обнаруживают хорошо выраженные АФ спиновые флуктуации двухмерной природы. При
допировании стронцием (барием) происходит металлизация с p-типом проводимости,
СП состояние наступает при TcЈ36 К. Интересно, что на основе структуры La2CuO4
можно получать соединения типа Nd2-xCexCuO4 с электронным n-типом проводимости,
также являющиеся сверхпроводником: например, Tc»25 К для x»0,15 [39].
Структура YBa2Cu3O6+x является одной из наиболее сложных и лабильных среди
медных оксидов и совмещает все особенности этого класса материалов. На
рис. 2.1, 2.2 и 2.3 показаны кристаллическое строение, фазовая диаграмма и
зависимость Tc(x) для этого соединения. Элементарная ячейка объемом около
180 Е3 состоит из двух плоскостей CuO2 (кислородные центры O(2) и O(3)),
отстоящих друг от друга примерно на 11 Е, с цепочечной плоскостью CuOx
(кислородные позиции O(1) и O(5)). В диэлектрической фазе в плоскости CuO2
длина связи Cu-O в двух направлениях одинакова и составляет 1,942 Е (квадратный
комплекс CuO4). Ближайшее расстояние между образующими бислой плоскостями CuO2
из соседних ячеек, составляет около
Рис. 2.1. Кристаллическое строение YBa2Cu3O6+x: элементарная ячейка (а);
цепочечная плоскость CuOx с двух-, трех- и четырех-координационными позициями
атомов меди Cu(1) в a-цепочках (б).
Рис. 2.2. Кристаллохимическая фазовая диаграмма YBa2Cu3O6+x
Рис. 2.3. Фазовая диаграмма для YBa2Cu3O6+x [97].
3,4 Е. С учетом существования одного апексного кислорода O(4) (из плоскости
BaO) медь активной плоскости CuO2 находится в 5-координационном кислородном
окружении и расположена в основании пирамиды CuO5. Сразу укажем, что наличие
апексного кислорода не является критическим для появления сверхпроводимости.
Например, указанное выше соединение
(Ca1-xSrx)1-yCuO2 является сверхпроводником даже без апексного кислорода.
В диэлектрической фазе при x<0,4 медный оксид YBa2Cu3O6+x является
антиферромагнетиком. Процесс допирования кислородом происходит за счет
заполнения вакансий O(1) в базовом слое CuOx. При малых уровнях допирования
кислород в позициях O(1) притягивает два электрона от соседних ионов Cu+ с
образованием ионов Cu2+. При увеличении индекса x выше 0,4 возникает ситуация,
когда кислород не находит позиции с двумя соседними ионами Cu+ и необходимый
электрон берется из плоскости CuO2, что соответствует дырочной металлизации с
ортоупорядочением цепочек (фазы орто-І и орто-ІІ). Для фазы орто-ІІ характерно
наличие чередующихся между собой заполненных a1-цепочек и пустых a2-цепочек в
плоскости CuOx
(см. рис. 2.1), при этом TcЈ60 К. Увеличение индекса выше 0,65 (см. рис. 2.2)
приводит к заполнению пустующих a2-цепочек, появлению фазы орто-I и увеличению
критической температуры до оптимальных значений »90 К для x»0,9. В орто-II фазе
на одну плоскость CuO2 приходится »0,15 дырок, а в фазе орто-I – 0,25 дырок
(»0,5 дырок – в цепочечной структуре). Для YBa2Cu3O6+x имеется режим
сверхдопирования при x>0,95, когда критическая температура с ростом x начинает
умен
- Киев+380960830922