• • ' • • ‘ СОДЕРЖАНИЕ .
I * • ‘ * *
. Стр..
введение .................:........................................... 6
1 СТРОЕНИЕ-: КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ И
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СОЕДИНЕНИЯХ КскхСехС1104^ и Са2.х5гхКи04.(литературный обзор).............19
1.1 История открытия явления сверхпроводимости и основные сверхпроводящие материалы....;............................. :...............................19
1.2 Электронные и дырочные сверхпроводники................'.......... 25
1.3 Строение кристаллической решетки электронного сверхпроводника Ыс12-хСехСи04+5................................................................... 28
1.4 Электронная структура Ш2-хСехСи04+5.................................. .....32
1.5 Фазовая диаграмма и гальваномагнитные свойства К<12.хСехСи04+й.......35
1.6 Строение кристаллической решетки и электронная структура Са2.х5гхКи04.......................................................... ^. .43
1.7 Гальваномагнитные эффекты в Са2.х8гхКи04........................ 46
1.8 Появление беспорядка в системах Ш2-хСехСи04+8 и Са2.х8гхВи04
при изменении содержания кислорода и кальция.... ............... 51.
2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРА31ДОВ1....54
2.1 Установка для измерения гальваномагнитных эффектов в магнитных полях до 50 кЭ в интервале температур
Г=(1.8-300)К.......................................................54
2.2 Установка для измерения температурной зависимости
эффекта Холла.....................................................58
2.3 Установка для измерения термоэлектрических эффектов................61
2.4 Установка для измерения гальваномагнитных эффектов в магнитных полях до 90 кЭ в интервале температур
Г— (1.8 — 40)К....................................................62
2.5 Установка для измерения гальваномагнитных эффектов в магнитных полях до 120 кЭ в интервале температур
Т = (0.4 - 4.2)К...............................................63
2.6 Установка для измерения критических токов в высокотемпературныхсверхпроводниках (ВТСП)....................67
2.7 Приготовление образцов.........................................70
2.8 Погрешность определения измеряемых величин.....................80
3 КИНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В «РОДИТЕЛЬСКОМ» СОЕДИНЕНИИ Ыс12Си04........................................................81
3.1 Влияние отжига на удельное сопротивление в монокристаллических образцах Ш2Си04 в плоскостях Си02.............................82
3.2 Изменение удельного сопротивления в направлении,
перпендикулярном проводящим плоскостям Си02, при изменении содержания кислорода в образцах Ыс12Си04....90
3.3 Анизотропия переноса носителей заряда в Ис12Си04...............95
4 АНИЗОТРОПИЯ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ ЭФФЕКТОВ В ЫскхСехСи04+5 С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ
КИСЛОРОДА.....................................................98
4.1 Влияние отжига на удельное сопротивление и эффект Холла в монокристаллических образцах Ис12.хСехСи04+5 в плоскостях СиО2....102
4.2 Влияние отжига на удельное сопротивление в монокристаллических образцах Ш2_хСехСи04+8 в направлении, перпендикулярном проводящим плоскостям Си02..................114
4.3 Анизотропия сопротивления в Ыс12.хСехСи04+5 с различным содержанием кислорода........................................119
4.4 Переход металл-диэлектрик в Ш2.хСехСи04+5, индуцированный беспорядком..................................................121
4.5 Взаимосвязь сверхпроводимости и локализации в Ыс12хСехСи04+5....................................
125
5 ВЛИЯНИЕ НЕИЗОВАЛЕНТНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ И ЭФФЕКТ ХОЛЛА В в Ктё2.хСехСи04,.б.............. 132
5.1 Влияние легирования на процессы переноса носителей заряда в плоскости Си02.................................................133
5.2 Анизотропия сопротивления в Ыс12.хСехСи04+б в зависимости от содержания церия и некогерентный перенос
носителей заряда..............................................136
5.3 Влияние легирования на эффект Холта в Ы<12_хСехСи04+5..........142
5.4 Анизотропия критического тока в Ш2_хСехСи04+5..................152
6 ГАЛЬВАНОМ АГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В МОНОКРИСТАЛЛАХ
Са2.х8гхКи04..................................................158
6.1 Влияние легирования на сопротивление в Са2.х8гхКи04............159
6.2 Изменение коэффициента анизотропии сопротивления...............162
6.3 Переход металл-диэлектрик в Са2.х8гхКи04 в зависимости
от легирования................................................163
7 ЭФФЕКТЫ ё-ВОЛНОВОГО СПАРИВАНИЯ
В ЭЛЕКТРОННЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ..................................167
7.1 Разрушение сверхпроводимости магнитным полем в Ыё2.хСехСи04+б: двумерный характер перехода.....................................168
7.2 Влияние нестехиометрического беспорядка на температурную зависимость верхнего критического поля в электронном сверхпроводнике Нё2-хСехСи04+5......................178
5
7.3 Изменение наклона верхнего критического поля в электронных сверхпроводниках в зависимости от
степени лег ирования...........................................187
7.4 Изменение температуры сверхпроводящего перехода
с ростом степени беспорядка в Нё2-хСехСи04.г8. ...............199
7.5 Длина когерентности в электронных сверхпроводниках с
разной степенью беспорядка.....................................203
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................210
ЛИТЕРАТУРА........................................................213
6
Введение
Явление сверхпроводимости в металлах было открыто почти 100 лет назад. Это открытие позволило по-новому взглянуть на процесс переноса носителей заряда в твердых телах. К середине прошлого века была разработана микроскопическая теория сверхпроводимости - теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), в основе которой лежит фононный механизм притяжения между электронами. В 1964 г. было высказано предположение,
что в одномерных (В.А.Литтл) и двумерных (В.Л.Гинзбург) структурах
можно реализовать сверхпроводимость с более высокими критическими температурами. В 1986 г. Беднорцем и Мюллером было синтезировано соединение Ьа2-хВахСи04 со слоистой структурой и критической температурой Тс = 30К. В последующие годы исследований
высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), имеющих в своей структуре плоскости Си02, были получены две больших группы купратов: дырочные и электронные. Легирование неизовалентными примесями родительских соединений, которые являются антиферромагнитными диэлектриками, приводит к появлению в купратах дырок или электронов в качестве носителей. Исторически первыми появились дырочные ВТСП-купраты, которые и были активно исследованы. В 1989 г. были синтезированы соединения Ьп2.хСехСи04+5 (Ьп — N<3, Бт, Рг), носителями заряда в которых являлись электроны. Дополнительным условием появления сверхпроводимости в данных соединениях было упорядочение
нестехиометрических дефектов, возникающих вследствие условий роста соединений. Уже первые исследования физических свойств дырочных и электронных ВТСП показали наличие анизотропии свойств дырочных и электронных сверхпроводников. Для дырочных ВТСП характерна узкая область антиферромагнитного диэлектрика (АР) и широкая область сверхпроводящего состояния (С11) с высокими критическими температурами (Тстах = 135К). Для электронных ВТСП, напротив, наблюдалась достаточно
широкая область АБ диэлектрика, соприкасающаяся на фазовой диаграмме с узкой-сверхпроводящей областью. Критические температуры не превышали туи« = 25 К. И если для дырочно-легированных сверхпроводников было практически сразу установлено, что спаривание носителей заряда соответствует ^-типу, то в электронно-легированных сверхпроводниках до сих пор этот вопрос остается открытым, хотя проделан ряд экспериментов указывающих на реализацию спаривания носителей заряда ^/-типа.
Следует подчеркнуть, что, несмотря на использование всего накопленного опыта в исследовании многочастичных систем и анализа многочисленных теоретических моделей, однозначная интерпретация ряда физических явлений, а также механизма образования сверхпроводящего состояния до сих пор не установлены. , Помимо электрон-фононного механизма сверхпроводимости могут существовать и другие механизмы, связанные с межэлектронным кулоновским взаимодействием. Существуют различные мнения среди исследователей о физической картине нормального состояния ВТСП - почему имеет место линейная зависимость электросопротивления от температуры, существуют ли нарушения в теории ферми-жидкости Ландау для ВТСП. Сверхпроводящие свойства оксидных соединений существенным образом определяются их электронными свойствами в нормальном состоянии. Долгое время существовало мнение, что оксидные соединения являются изоляторами, и лишь открытие Беднорцем и Мюллером сверхпроводящего соединения Ьа2.уВахСи04 стимулировало исследования электронных свойств оксидных соединений с целью поиска других семейств оксидных сверхпроводников. Важной составляющей в получении сведений об электронном строении в нормальной фазе сверхпроводящих соединений дает исследование электросопротивления, эффекта Холла, магнитосопротивления. Решению вопросов, связанных с выяснением механизма высокотемпературной сверхпроводимости, посвящено огромное количество работ. Однако сведения об электронных свойствах в нормальном состоянии в электронных
8
сверхпроводниках носили разрозненный характер, были неполными, а часто просто отсутствовали. Не проводилось систематических исследований тензора электропроводности и гальваномагнитных эффектов систем с электронным типом носителей заряда при изменении степени легирования и степени кислородного беспорядка. Поэтому данная проблема является, несомненно, актуальной. Более того, наличие полной картины поведения квазидвумерных сверхпроводящих слоистых систем при изменении степени беспорядка необходимо как с физической, так и с прикладной точек зрения.
Исследования по теме диссертации проводились в рамках программы «Высокотемпературная сверхпроводимость» № гос. проекта 93028 «Киноптика», при поддержке Министерства науки, контракты №107-1(00)-П, №40.012.1.1.1146 (договор № 15/02 и №12/04), по теме «Квантовая физика конденсированных сред» № гос.рег.01.2.006.13394, в рамках ряда программ Президиума РАН и при поддержке проектов РФФИ № 00-02-17427, 04-02-96084-р2004урал, 07-02-00396.
Цель и задачи работы
Основной целью данной работы было выяснение детальной картины изменения фазовых состояний в слоистых сверхпроводящих системах при изменении нестехиометрического беспорядка и степени изовалентного и неизовалентного легирования, а также получение данных о симметрии спаривания в электронном сверхпроводнике Nd2_xCexCu04+6.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- Систематически исследовать тензор электросопротивления и эффект Холла в нормальном состоянии в слоистых сверхпроводящих системах Nd2_xCexCu04+6 и Ca2.xSrxRu04 в зависимости от нестехиометрического беспорядка и степени неизовалентного и изовалентного легирования для получения данных о механизме переноса носителей заряда, их концентрации и анизотропии проводимости.
9
Изучить гальваномагнитные эффекты в слоистой системе Ш2.хСехСи04+5 с разной степенью беспорядка для выяснения влияния содержания нестехиометрического кислорода на изменение электронной структуры.
- Выяснить влияние нсстехиометрического беспорядка на наклон верхнего критического ПОЛЯ В электронном сверхпроводнике Nd2.xCexCuO4.45 для получения сведений о симметрии спаривания.
Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту
1. Установлен механизм переноса носителей заряда в родительском соединении Щ2Си04 электронного сверхпроводника КЧ2.хСехСи04+5 -активационная проводимость по локализованным состояниям, находящимся вблизи уровня Ферми.
2. Обнаружена эволюция фазовых состояний нормальной области электронного сверхпроводника ^2.хСехСи04+5 от трехмерного анизотропного неметалла через квазидвумерное металлическое состояние к трехмерному анизотропному металлу при изменении степени беспорядка при неизовалентном легировании церием.
3. Установлено, что рост степени беспорядка в электронном сверхпроводнике Nd2.xCexCuO4.f5, вызванный увеличением содержания нестехиметрического кислорода, приводит к фазовому изменению нормального состояния от квазидвумерной металлической системы к трехмерной анизотропной неметаллической системе.
4. Установлена корреляция между степенью дву мерности сверхпроводящих систем и температурой сверхпроводящего перехода: максимальная анизотропия соответствует максимальной температуре перехода.
5. Установлено, что соединения Ж2.хСехСи04+5 и Ca2.xSrxR.uO4 являются сверхпроводниками, находящимися в состоянии андерсоновского диэлектрика с сильно-анизотропной длиной локализации (У?/0СаА » Я^).
10
Обнаружено, что при определенной степени беспорядка имеет место переход Андерсона металл-диэлектрик.
6. Для электронных сверхпроводников с оптимальным уровнем неизовалентного легирования характерно спаривание с/-типа с учетом анизотропного рассеяния электронов на нормальных примесях.
7. Показано, что электронный сверхпроводник Ыё2-хСехСи044б с разной степенью беспорядка соответствует критерию устойчивости основного состояния типа БКШ (формирование куперовских пар), а не состояния с заранее образованными парами (бозе-эйнштейновская конденсация).
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 232 страницы, включая 106 иллюстраций, 15 таблиц и список цитируемой литературы из 171 наименования.
Во введении обоснована актуальность темы исследования,
сформулирована цель работы, основные положения, выносимые на защиту, а также приведена структура диссертации. Во введении обсуждается научная значимость и практическая ценность диссертации, указаны основные публикации по теме диссертации, перечислены конференции и семинары, на которых обсуждались материалы диссертации, указан также личный вклад автора.
Первая глава «Строение кристаллической решетки и гапьваномагнитные эффекты в соединениях Кё2.хСехСи04,-5 и Са2-Х8гх11и0.1» носит обзорный характер и посвящена обсуждению современных представлений об особенностях кристаллической и электронной структур слоистых соединений электронного сверхпроводника Ш2.чСехСи04+б и сверхпроводника Са2. х81\Ди04. В главе приведены основные результаты исследования гальваномагнитных эффектов данных соединений, полученных в мире.
и
Вторая глава «Методика эксперимента и приготовление образцов» посвящена методике проведения эксперимента и методике приготовления образцов.
В этой главе представлены экспериментальные установки, на которых проводились измерения.
Большой раздел главы посвяшен обсуждению проблем подготовки образцов к измерениям и методам нанесения электрических контактов на различные виды образцов.
Третья глава «Кинетические эффекты в «родительском» соединении N62000,1» посвящена исследованию температурной зависимости электросопротивления в плоскости С11О2 в «родительском» соединении Ыс12СиО.}, подвергнутом отжигу при различных условиях для изменения содержания кислорода, а также исследованию проводимости в направлении, перпендикулярном плоскостям Си02 (с - направление) и температурной зависимости коэффициента анизотропии сопротивления в данном соединении.
При исследовании температурных зависимостей удельного сопротивления на нелегированных монокристаллах ЫёгСиОд с разной температурой отжига и монокристаллических пленках ШоСиСУБгТЮз с различной ориентацией, подвергнутых термическому отжигу, впервые исследованных в нашей группе, были получены следующие результаты.
Установлено, что перенос заряда осуществляется путем активированных прыжков по локализованным состояниям, причем изменение энергии активации в зависимости от степени нестехиометрического беспорядка свидетельствует об изменении распределения локализованных состояний, находящихся вблизи уровня Ферми, по которым происходят перескоки. Выяснены условия оптимального отжига для монокристаллов и монокристаллических пленок, а также показано изменение в поведении удельного сопротивления при изменении содержания кислорода в родительском соединении №2Си04.
12
В четвертой главе «Анизотропия гальваномагнитных эффектов в ЫсЬ.хСехСиС)4+5 с различным содержанием кислорода» основное внимание уделено исследованию проводимости и эффекта Холла в электронных сверхпроводниках с различным содержание кислорода. В данной главе обсуждается переход металл-диэлектрик в системе Нб2.хСехСи04+5, обусловленный беспорядком.
Показано, что с ростом содержания кислорода, во-первых, на два порядка увеличивается величина сопротивления в проводящих плоскостях, во-вторых, имеет место переход от диффузионного переноса носителей в СиСЬ-плоскостях в стехиометрически отожженных образцах к неметаллической зависимости раь(Т) для образцов с высоким содержанием кислорода. Это связано с тем, что избыточные атомы кислорода садятся в позиции "апексного" или вершинного кислорода над или под проводящими плоскостями. Такие избыточные кислородные атомы образуют хаотический потенциал (потенциал беспорядка), на котором локализуются носители.
Сопротивление вдоль оси с также возрастает с увеличением содержания кислорода, однако не столь существенно: в 2 раза. Характер температурной зависимости рс(Т) для образцов с различной величиной б остается неметаллическим: рс(Т)~\ГТ. Показано, что с увеличением содержания кислорода и ростом степени беспорядка в системе, вызванного содержанием нестехиометрического кислорода, происходит переход от двумерной системы (р(,ь(Т) - металлическое поведение, рс(Т) - неметаллическое
поведение) к трехмерной системе с сильным беспорядком. Это выражается в резком изменении, как величины, так и температурной зависимости коэффициента анизотропии сопротивления рсУраь(Т). В квазидвумерной системе Ыб2.хСехСи04+б рост степени беспорядка за счет увеличения содержания кислорода приводит к переходу металл-диэлектрик андерсоновского типа, который подтвержден теоретическими оценками.
Пятая глава «Влияние неизовалентного легирования на сопротивление и эффект Холла в Ш2-хСехСи04+й» посвящена исследованию температурных
13
зависимостей сопротивления и эффекта Холла в оптимально-отожженных соединениях Ш2.ХСехСиО.^з с разным уровнем легирования церием. В результате исследования влияния легирования на транспортные свойства в электронном сверхпроводнике Шг-хСвхСиО^б можно утверждать, что существует однозначная связь между величиной коэффициента анизотропии сопротивления и величиной температуры сверхпроводящего перехода: чем больше коэффициент анизотропии сопротивления, тем выше температура сверхпроводящего перехода.
Шестая глава «Гальваном агнитные эффекты в монокристаллах Са2-хВгхКи04» посвящена исследованию влияния, как легирования, так и различных режимов отжига (содержания кислорода) на закономерности поведения температурных зависимостей электросопротивления в проводящих плоскостях аЪ и вдоль направления с монокристаллов Са2.х5гхКи04 с целью выяснить особенности существования перехода металл-диэлектрик в слоистых системах. Установлено, что для данной слоистой квазидвумерной системы при промежуточном легировании кальцием механизм проводимости коренным образом различается в плоскости аЪ и в направлении с, как и в случае соединения ЫсЬ..хСехСи04+5 с разной степенью нестехиометрического беспорядка: проводимость является металлической (с1раЬ/с1Т> 0) в плоскости аЬ и неметаллической (<с1ре/с1Т < 0) в направлении с. Легирование кальцием соединения 8г2Ки04, приводит к появлению беспорядка в системе, что в свою очередь вызывает переход Андерсона метал л-диэлектрик.
В седьмой главе «Эффекты ^/-волнового спаривания в электронных сверхпроводниках» представлены результаты исследования температурных зависимостей сопротивления монокристаллических пленок электронного сверхпроводника Кб2_хСехСи04+б с оптимальным уровнем легирования (х=0.15) и с разной степенью беспорядка 5 в различных магнитных нолях (Я || с, J || аЬ) и в интервале температур Т = (0.4 - 40) К. Проведенные исследования .показывают, что в слоистом электронном сверхпроводнике
’ '■ 14 ■ ■ • V .. ; .• / . ; Ч.
Nd2.xCexCu04+s, помещенном во внешнее магнитное поле, имеет' место непрерывный фазовый переходов критическом поле Н-Нс2у который можно рассматривать в рамках теории скейлинга. Экспериментально определенно значение произведения критических индексов zv, установлен характер фазового перехода и роль длинноволновых флуктуаций, определяющих скейлинговые зависимости вблизи критического ПОЛЯ Нс2 в 2D - системе. Проведен анализ характера зависимости наклона верхнего критического поля (dHc2/dT)Tc от степени беспорядка и показано, что существует возможность в результате данных исследований ■< экспериментально • различить сверхпроводники с ^-спариванием и с анизотропным 5-спариванием.
В разделе «Заключение» приведены основные результаты работы*
Основные результаты диссертации опубликованы в 29 печатных работах [60-64,, 68,. 87, 88, 91-94,; 117,//119, 120, 122-130; 159; ; 166^. 168] .и-
докладывались на XXX, XXXI, XXXII,. XXXIII Совещаниях по физике низких температур (Ду бна 1994 г., 1998 г., Казань 2000 г., Екатеринбург 2003 г.), на. 4-ой, 6-ой,- 7-ой, 9-й международных конференциях’ “Материалы й механизмы.сверхпроводимости и высокотемпературной сверхпроводимости» (Гренобль 1994 г., Хьюстон 2000 г., Рио де Жанейро 2003 г., Токио 2009 г.), на 5-ом Всемирном конгрессе • по вопросам сверхпроводимости (Будапешт 1996 г.), на 10-ой международной конференции по тройным и
многокомпонентным соединениям (Штуптарт 1996 г.), на 5-ом Совещаний по вопросам высокотемпературной сверхпроводимости «Применение высокотемпературных сверхпроводников» (Эгер 1999 г.), на Международном Симпозиуме - EASTMAG 2001 (Екатеринбург 2001 г.), на 6-ой
Международной Конференции по вопросам межмолекулярных взаимодействий в веществе (Гданьск 2001 г.), на 23-ей Международной Конференции по физике низких, температур (Хиросима 2002 г.), на Международной Конференции «Новейшие проблемы сверхпроводимости» (Ялта 2002 г.), на Международной Конференции по сильнокоррелированным электронным системам (Карлсруе 2004 г.), на VII и VIII Российских
15
конференциях по физике полупроводников (Москва 2005 г., Екатеринбург 2007 г.), на Уральских зимних школах по физике полупроводников (Екатеринбург 1999, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), на VI Международной конференции по квантовым явлениям в сложных соединениях «8ТК1РЕ808» (Эриче 2008 г.), на 1-ой, 2-ой и 3-ей Международных конференциях «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» (Москва-Звенигород 2004, 2006, 2008 гг.).
Полученные в работе данные в результате исследования гальваномагнитных эффектов в слоистых квазидвумерных системах Ж2.хСехСи04+5 и Са2.х8гхКи04 с разной степенью беспорядка существенно дополняют и развивают существующие представления об электронных свойствах данных соединений и зависимости электронной структуры этих соединений от степени беспорядка. Эти слоистые квазидвумерные системы находятся в состоянии андерсоновского диэлектрика с сильно анизотропным радиусом локализации (Я^» Я^). Были сделаны оценки радиусов локализации и длины неупругого рассеяния носителей в проводящих плоскостях и вдоль с-оси для соединений с различным содержанием кислорода, т.е. различной степенью беспорядка. Установлено, что увеличение степени беспорядка приводит к уменьшению радиуса локализации носителей до длин наномасштаба и изменению длины неупругого рассеяния в проводящих плоскостях, что вызывает изменение характера проводимости в плоскости аЬ (с металлического на диэлектрический) при несущественном изменении характера переноса носителей заряда в поперечном направлении рс(Т).
С ростом степени беспорядка в системе Ыб2.хСехСи04+5, вызванного содержанием нестехиметрического кислорода, происходит переход от квазидвумерной системы (раь(Т) - металлическое поведение, рс(Т) неметаллическое поведение) к трехмерной системе с сильным беспорядком, что выражается в резком изменении, как величины, так и температурной зависимости коэффициента анизотропии сопротивления. Рост степени
16
беспорядка в системе, вследствие увеличения содержания кислорода, приводит как к подавлению сверхпроводимости, гак и к уменьшению коэффициента анизотропии сопротивления.
Полученные в работе результаты исследования анизотропии проводимости в электронном сверхпроводнике Ш2-хСечСи044й в проводящих плоскостях Си02 и вдоль оси с позволяют сформулировать основные критерии появления сверхпроводимости в электронном сверхпроводнике: рост критической температуры сверхпроводящего (СП) перехода соответствует увеличению величины коэффициента анизотропии сопротивления и переходу к двумерной системе.
На основании полученных в работе результатов можно утверждать, что отжиг в вакууме приводит к удалению нестехиометрического кислорода, который локализует носители заряда. В образцах, отожженных в вакууме при разных условиях, концентрация носителей заряда практически одинакова, однако в оптимально отожженном соединении параметр беспорядка 1/крС на порядок меньше, что свидетельствует о существенном увеличении длины свободного пробега носителей заряда в стехиометрическом (по кислороду) соединении.
В работе экспериментально установлено, что в электронных сверхпроводниках температура СП перехода и наклон верхнего критического поля уменьшаются с ростом степени беспорядка, что характерно для систем с ^-спариванием. Однако, уменьшение температуры СП перехода и наклона (аНС2/(П)тс с ростом степени беспорядка не является таким резким, как для систем с ^-спариванием при изотропном рассеянии электронов. Одной из причин более плавного уменьшения наклона (<Шс2/с1Т)тс и относительной устойчивости электронного сверхпроводника к разупорядочению является наличие сильного анизотропного рассеяния на примесях с симметрией с1-типа.
Таким образом, научная значимость работы состоит в том, что в результате исследования тензора электропроводности получена целостная
• •• п ' V — - • • • " .... :•
картина поведения:сверхпроводящей.слоистой< системы с электронным типом; носителей заряда при • изменении- степени«. легирования- и степени кислородного беспорядка, так. как до сих пор подобные исследования проводились на сверхпроводниках с дырочным типом проводимости..
Кроме того, практическую ценность имеет косвенный метод оценки содержания нестехиометрического кислорода по • измерениям длиньь свободного- пробега носителей заряда в кинетических экспериментах - при' исследовании монокристаллических пленок, так как классические методы определения содержания: кислорода в исследуемых соединениях ,в случае тонких пленок не ‘ применимы. Результаты, полученные ; в; работе для модельного объекта Ыё2.хСех€и044й, который является аналогом, двумерной сверхрешсткй, представляют интерес для} академических • и отраслевых организаций при разработке новых функциональных.материалов.
Достоверность. представленных- в диссертации результатов обеспечивается исследованием аттестованных образцов, применением стандартных методик- измерений ’ на аттестованных - приборах и воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных на установках разных установках.Полученные нами результаты исследований согласуются с данными других работ, посвященных исследованию транспортных и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников.
- Личный вклад автора состоит в постановке общей цели исследований и проблем в работах, которые составляют основу диссертации.
- Автором разработана методика нанесения омических контактов на монокристаллы и монокристаллические пленки и в сотрудничестве с
А.А.Ивановым (МИФИ, Москва) определены условия термической обработки монокристаллических пленок Ыб2.хСехСи04+й с различной ориентацией. Монокристаллы Ыб2.хСехСи04+5 были синтезированы в МГУ (Москва) в группе Л.И.Леонюк, в ИФТТ (Черноголовка) в группе Г.А.Емельченко, в Техническом университете Гданска (Польша) в группе
18
В.Садовского, монокристаллы Ca2.xSrxR.uO4 - в Университе Киото (Япония) в группе Й.Маено.
- Автором проведены измерения сопротивления для различных кристаллографических направлений, термоэдс и эффекта Холла в магнитных полях до 50 кЭ в интервале температур Т = (1.8-300) К. Измерения сопротивления в магнитных полях до 90 кЭ в интервале Т = (118-40) К выполнены в Центре магнитометрии ИФМ УрО РАН в кооперации с
A.В.Королевым. При непосредственном участии автора проведены измерения полевых зависимостей сопротивления и эффекта Холла в магнитных полях до 120 кЭ при Т = (0.4 - 4.2) К в центре сильных магнитных полей и сверхнизких температур ИФМ УрО РАН (Э.А.Нейфельд,
B.Л.Константинов, В.Н.Неверов, И.В. Карсканов).
- Автором проводились обработка и анализ полученных данных на основе имеющихся теоретических представлений, а также обобщение результатов работы в публикациях и отчетах по проектам.
- В дискуссиях в процессе экспериментальных исследований и в обсуждении результатов принимали участие соавторы публикаций А.И.Пономарев, Н.Г.Шелушинина и Г.И.Харус.
Проведенные в работе экспериментальные исследования гальваномагнитных эффектов неорганических сверхпроводящих соединений Ш2.чСехСи04+5 и Ca2.xSrxR.uO4 в нормальном состоянии в зависимости от степени беспорядка соответствуют специальности «Физика конденсированного состояния».
Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в курсах лекций в рамках специальности «Физика конденсированного состояния»,а также в научных учреждениях Российской Академии Наук и на предприятиях, где разрабатываются и создаются приборы с использованием квазидвумерных слоистых сверхпроводящих соединений.
: 19. • ■ '•
1 Строение кристаллической решетки и гальваномагнитные
эффекты в соединениях М2.хСехСи04+б и Са2-х8гхКи04 (литературный обзор) • .. V ■
1.1 История открытия явления сверхпроводимости и основные сверхпроводящие материалы
Прошло сто лет с момента получения в Лейденской лаборатории
’ . , • • к* . . 1 * . » . I \ ;
жидкого гелия, температура которого составила Т = 4.2 К. Впервые появилась возможность исследовать физические свойства металлов при столь низких температурах. В 1911 г. Камерлинг-Оннесом было открыто явление сверхпроводимости: при охлаждении металлов до достаточно низкой
температуры (обычно лежащей в области температур жидкого гелия), сопротивление их падает до нуля, кроме, того, они становятся идеальными диамагнетиками. . , .:
В первые годы с момента открытия явления (рис.1.1) сверхпроводимость наблюдалась в металлах: ртуть, цинк, свинец, таллий, индий и др. [1]. Позднее сверхпроводимость была обнаружена в сплавах металлов, в том числе и таких, которые по отдельности сверхпроводниками не были. Это сплавы ртути с золотом и кадмием, золота с висмутом, мышьяка со свинцом, бериллия с таллием, олова с кадмием.
Как было установлено, важную роль для появления сверхпроводимости играл тип кристаллической решетки. Так, обычное олово с тетрагональной решеткой становилось сверхпроводником уже при Т = 3.7 К, серое олово с алмазной решеткой сверхпроводником не было.
Наиболее удивительным открытием было то, что многие соединения того или иного металла с хорошим диэлектриком (серой, азотом, кислородом или бором) сами оказывались сверхпроводниками, даже в тех случаях, когда у самого металла в чистом виде сверхпроводимости не наблюдалось.
200
150
100
50і
40
30
20
10
Т(К)
20
І 1 1 1 І
ИдВаСіСиО ем дг* чей т, м щл я ТШяСаСиО А НдТ1В*С*СиО
Ві8ґС
асио фп«'
аСи£ ИдваСаСвО
УВлСиО
Ночь на Луне
яьсс«
1»4аСиСГ ^
ИсіСеСиОд уы>а,агс
втРеАзО Жидкий азот ♦
Поверхность
Плутона
РиСова»
•4е«
Ы ■ЯФГа+^МТ
1900
5»
N34^ V,ІІ -- ------^ — /ЛАС*Г
V"
0 1940 1880 1985 1990 1995 2000 2005 З
Жндшннеон
Жидкий водород
Жидкий гелий
2010
Год
Рис.1.1. Сверхпроводящие металлы и соединения, открытые в разные годы.
Сульфид меди СиБ, оксид олова 8пО, карбид вольфрама \\^2С - примеры таких соединений.
В 1986 начался новый период в истории сверхпроводимости: был синтезирован первый высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП) -керамическое соединение на основе оксидов лантана, бария и меди (Ьа2.хВахСи04). Данное вещество переходит в сверхпроводящее состояние при 30К. В 1987 году Чу и др. синтезировали, используя идею «химического сжатия» для модифицирования структуры, сверхпроводящую керамику УВа2Сиз07.х с критической температурой Тс = 93 К, то есть выше точки кипения азота.
В настоящее время наибольшее известное значение критической температуры Тс- 135 К имеет соединение HgBa2Ca2Cuз08+s, которое было получено в 1993 году.
21
В состав почти всех открытых высокотемпературных сверхпроводников входит оксид меди, однако в дальнейшем были синтезированы и другие типы соединений.
Так, в 2001 году была открыта сверхпроводимость в дибориде магния М£В2 с критической температурой равной Тс = 39 К. Кроме того, были получены системы на основе фуллеренов К3С60 и КЬС52С6о с температурами сверхпроводящего перехода равными 19 К и 33 К соответственно.
И совсем недавно, в 2008 году, был открыт новый тип сверхпроводников с общей химической формулой ЯеРеАзО (где Яе -редкоземельный металл). Эти вещества обладают достаточно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, например, для 8тРеАьО Тс = 55 К [2].
Сверхпроводимость в металлах и сплавах возникает в результате спаривания электронов посредством электрон-фононного взаимодействия, которое может доминировать над кулоновским отталкиванием при низких температурах. Основное состояние будет спин-синглетным с противоположными спинами и моментами электронов. Такие пары электронов (куперовские пары) формируют конденсат, который может быть описан одной квантовомеханической фазой, приводящей к дальнодействующей макроскопической фазовой когерентности. В обычных сверхпроводниках, энергетическая щель между основным и возбужденным состояниями практически изотропна в ^-пространстве, то есть щель имеет одну и ту же амплитуду и фазу во всех направлениях (рис. 1.2) [3]. Данный тип спаривания носит название изотропного я-волнового типа спаривания.
Энергетическая щель препятствует возникновению возбуждений в сверхпроводящем состоянии и оказывает основное влияние на низкотемпературный электрический транспорт и оптические свойства сверхпроводников.
- Киев+380960830922