2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение..........................................................4
Глава I. Сверхпроводящие свойства слоистых купратов...............10
§ 1.1. Кристаллическая структура и электронный энергетический спектр слоистых купратов ВІ28г2Сап.іСип02П+4+5> Н£Ва2Сап. і Сип02п 12 • б
и Г12Ва2Са11.|Сип02п+4+5 .........................................10
§ 1.2. Теоретические модели высокотемпературной сверхпроводимости
и их экспериментальное обоснование................................17
§ 1.3. Зависимость сверхпроводящих свойств от допирования в
высокотемпературных сверхпроводниках..............................25
§ 1.4. Зависимость параметра порядка от числа Си02 - слоев в
сверхпроводящем блоке.............................................30
Глава II. Методика измерений вольтамперных характеристик контактов
на микротрещине в ВТСП образцах ..................................34
§ 2.1. Быстродействующая цифровая установка для записи І(V)- и сЩУубУ- характеристик туннельных контактов на микротрещине в
ВТСП образцах.....................................................34
§ 2.2. Техника приготовления контактов на микротрещине в В ГСП
монокристаллах и поликристаллических образцах.....................39
§ 2.3. Экспериментальные методы: туннельная спектроскопия, внутренняя туннельная спектроскопия, андреевская спектроскопия,
джозефсоновская спектроскопия.....................................41
Глава III. Определение сверхпроводящих параметров Ві25г2Сап.|Сип02п^4+б»11§Ва2Са„.]Сип02п+2+б и Г12Ва2Сап.|Сип02п*4+а с помощью туннельной, андреевской и джозефсоновской
3
спектроскопии.......................................................53
§3.1. Исследование влияния допирования на сверхпроводящую щель у монокристаллических образцов В128г2_хЬахСи06+б с помощью андреевской, туннельной и внутренней андреевской спектроскопии..53 § 3.2. Исследование влияния допирования на сверхпроводящую щель у монокристаллических образцов Вь5г2.хЬахСаСи208+$ с помощью андреевской, туннельной и внутренней туннельной спектроскопии...65 § 3.3 Микроконгактная и туннельная спектроскопия ВТСП образцов
ВГ2223, Т1-2212, Т1-2223 фаз........................................76
§ 3.4 Андреевская спектроскопия поликристаллических образцов
Н§Ва2Си(Хч> и 11ёВа2СаСиА,+з........................................83
Глава IV. Сравнительный анализ сверхпроводящих свойств соединений
Вь8г2Са„.|Си„02,»448, ПвВа2Сап.|Си„02„.2<-й и Т12Ва2Са|ИСи|102п,448-..92 § 4.1 Скейлииг сверхпроводящей щели Д5 и критической температуры
Тс у допированных кристаллов ВГ2201 (Га) и В1-2212(Ьа).............92
§ 4.2. О возможном влиянии протяженной сингулярности ван Хова на ВАХ туннельных контактов на базе В128г2.хГахСаСи208,б вблизи
оптимальною допирования.............................................98
§ 4.3. Зависимость сверхпроводящей щели Д* оптимально допированных образцов Вь8г2Сап.|Сип02п+4+$, Г^ВагСа^СипО^+г+б и Т12Ва2Сап.|Сип02пч4-б от числа Си02 слоев в сверхпроводящем блоке 102 § 4.4. Возможные механизмы спаривания в высокотемпературных сверхпроводниках В128г2Сап.1Сип02п^5, Г^Ва2Сап-|Сип02п+2+5 и
Т12Ва2Сап. | Сип02п+4+§.............................................Ю7
Выводы.............................................................112
Литература.........................................................115
4
ВВЕДЕНИЕ
Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), благодаря уникальности своих свойств, являются в настоящее время одними из самых перспективных материалов для использования в различных областях техники. Кроме того, само явление высокотемпературной сверхпроводимости представляет огромный интерес для фундаментальных исследований в физике конденсированного состояния вещества. Существенно более высокие но сравнению с классическими сверхпроводниками значения критической температуры и щелевого параметра, а также большие критические поля и плотности тока в ВТСП дают новые возможности для создания мощных сверхпроводящих магнитов, криоэлектронных приборов, работающих в ИК и СВЧ диапазонах (супергетеродинные приемники, детекторы, смесители, полосковые линии и др.), СКВИДов, микроэлектронных устройств, быстродействующих ЭВМ, сделанных с использованием ВТСП.
Однако ВТСП материалы обычно являются многофазными соединениями с неоднородностями, пористостью, примесями и другими дефектами, что затрудняет как техническое использование ВТСП, так и фундаментальные исследования их свойств, не позволяя однозначным образом решить основную проблему, связанную с высокотемпературной сверхпроводимостью: каков
механизм спаривания сверхпроводящих носителей в ВТСП материалах?
Одним из эффективных методов изучения физических свойств сверхпроводящего состояния является изучение туннельных эффектов в контактах между сверхпроводниками. Важную информацию можно получить и из микроконтактпых характеристик. Вольтамперные характеристики (ВАХ) контактов в режиме одночастичного туннелирования и микроконтактные характеристики с субгармонической щелевой структурой позволяют с хорошей точностью определить величину щелевого параметра и его зависимость от температуры, магнитного поля и других внешних воздействий.
В настоящее время считается установленным, что в ВТСП соединениях на базе висмута, таллия и ртути: В128г2Са11.|Сип02п-4+8 . ТЬВагСаплСипОгпы+а И НйВа2Сап.|Сип02п+2+б, сверхпроводимость в элементарной ячейке кристалла сосредоточена в п Си02 слоях, интеркалированных кальцием. В вышеуказанных
5
семействах ВТСП максимально возможная критическая температура сверхпроводящего перехода Тс ор1 для фазы с заданным числом СиОг слоев п достигается подбором избыточной концентрации кислорода 6. Допирование кислородом понижает уровень Ферми в валентной зоне материала, что приводит к росту концентрации дырочных носителей заряда. Отметим в качестве примера, что у сверхпроводящей фазы В12£г2Са|Си20{;+б с п = 2 (Ш-2212) критическая температура Тс проходит через максимум при бОр1=0.15*0.18. Образцы с оптимальной избыточной концентрацией кислорода обычно называют оптимально дотированными. Образцы с 5 < бор, и 6 > 60р1 называются соответственно недодопированными и передопированными. В большом числе работ показано, что у оптимально допированных образцов ВТСП критическая температура Тс 0Р1 зависит от числа Си02 слоев п нелинейным образом, причем Тсор1 сильно растет с числом слоев при п < 3, а при п > 3 Тсор, начинает медленно понижаться.
В 1999 году Абрикосовым была предложена теоретическая модель, успешно описывающая явление высокотемпературной сверхпроводимости и базирующаяся на фононном механизме спаривания [1]. Согласно Абрикосову высокая критическая температура Тс в ВТСП реализуется благодаря существованию вблизи уровня Ферми протяженной особенности ван Хова с высокой плотностью состояний 11]. В модели Абрикосова основную роль в спаривании играют оптические фононы с малыми волновыми векторами.
Альтернативой фононному спариванию в ВТСП является спаривание на спиновых флуктуациях, амплитуда которых должна быть максимальна вблизи фазового перехода моттовский диэлектрик-сверхпроводник [2]. Сравнительно недавно было предположено, что недодопированные купратные высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с магнонным спариванием характеризуются двумя щелевыми энергиями Ар и Д5 [3]. Существующая в широком температурном интервале Т < Г* большая щель (псевдощель) Др, измеряемая фотоэмиссионной или туннельной спектроскопией, характеризует энергию связи 2 Др куперовских пар, остающихся в некогерентном состоянии при *Г>ТС (Тс - критическая температура сверхпроводника). Меньшая щель Дь (сверхпроводящая щель), измеряемая андреевской или римановской
6
спектроскопией, определяет минимальную энергию 2Д5 возбуждения сверхпроводящего конденсата при Т < Тс (Тс < Т* в недодопированных образцах). Согласно [3] меняется с концентрацией дырок р подобно Тс , проходя через максимум при оптимальном допировании. В то же время Др монотонно растет при р -» 0 (т. е. при переходе от передопированных образцов к недодопированным).
Из теоретических расчетов следует, что присутствие некогерентных куперовских пар при Т > Тс в купратном сверхпроводнике с магионным спариванием должно приводить к эффекту андреевского отражения в интерфейсе нормальный металл-купратный сверхпроводник [4]. Экспериментальная проверка этого предсказания на N-8 микроконтактах (золото-УВСО) дала негативный результат [5], что поставило под сомнение общепринятую версию магнонного спаривания в ВТСП.
Очевидно, что сравнительный анализ сверхпроводящих свойств допированных купратов позволит приблизиться к решению задачи о физической природе явления высокотемпературной сверхпроводимости.
Основной задачей настоящей работы являлось сравнительное исследование сверхпроводящих свойств допированных купратных сверхпроводников ВЬ5г2Си06+8 (Вь2201), В128г2СаСи208+$ (Вь2212), а также ВЬ$г2Са2СизО]о+8 (В1-2223), Т12Ва2СаСи2СЫ (Т1-2212), Т12Ва2Са2Си30,о+8 (Т1-2223), НёВа2Си04+8 (Нё-1201) и НуВа2СаСи20б+б (Нй-1212) с помощью туннельной, андреевской и джозефсоиовскоЙ спектроскопии.
Конкретные задачи диссертационной работы включали:
1. исследование влияния допирования на сверхпроводящую щель в ВК2201(Ьа) с помощью андреевской и туннельной спектроскопии;
2. исследование влияния допирования на сверхпроводящую щель в В1-2212(1.а) с помощью внутренней туннельной и андреевской спектроскопии;
3. определение сверхпроводящей щели в ВК2223 с помощью туннельной и андреевской спектроскопии;
4. определение сверхпроводящей щели в Т1-2212, Т1-2223, П§-1201 и 1^-1212 с помощью андреевской спектроскопии;
5. сопоставление полученных экспериментальных результатов с существующими
7
теоретическими моделями высокотемпературной сверхпроводимости.
В результате проведенных исследований:
1. обнаружен скейлинг сверхпроводящей щели и критической температуры в допированных образцах Bi-220 l(La) и Bi-2212(La), что является естественным следствием доминирующего вклада элсктрон-фононного взаимодействия в спаривание носителей заряда в ВТСП;
2. на ВАХ стопочных Bi-2212 контактов (j || с) при щелевых смешениях Vgn = 2Дп/е обнаружена резкая щелевая структура, характерная для классических сверхпроводников с изотропым спариванием. У близких к оптимальному допированию образцов кунратов с анизотропной щелыо подобные ВДХ могут быть следствием сильной анизотропии нормальной плотности состояний из-за присутствия на уровне Ферми протяженной особенности ван Хова. 11ри отходе от оптимального допирования щелевая структура на ВАХ заметно размывается;
3. Обнаружено, что у оптимально допированных образцов Bi-220 l(La). Bi -2212 и Bi-2223 фаз при гелиевой температуре щелевой параметр Л с хорошей точностью пропорционален числу сверхпроводящих СиО: слоев в сверхпроводящем блоке. Установлено, что критическая температура Тс opt у исследованных фаз не подчиняется этому простому правилу.
4. Обнаружено, что при Т>ТС избыточный ток при нулевом смещении на ВАХ андреевских SNS микроконтактов исчезает, что указывает на отсутствие некогерентных (локальных) куперовских пар в недодопированных Bi-2201 (La) и Bi-2212(La) монокристаллах при Т>ТС.
5. Сопоставление результатов, полученных с помощью микроконтактной спектроскопии Hg-1201 и Hg-1212 фаз (один и два Си02 слоя соответственно), с данными других авторов показало, что в данном семействе при оптимальном допировании и гелиевой температуре щелевой параметр Д пропорционален числу сверхпроводящих СиСЬ слоев в сверхпроводящем блоке. Установлено, что критическая температура Тс opt У исследованных фаз не подчиняется этому простому правилу.
6. Сопоставление результатов, полученных с помощью микроконтактной спектроскопии TI-2212 и Т1-2223 фаз (два и зри СиОг слоя соответственно), с
8
данными других авторов показало, что в данном семействе при оптимальном допировании и гелиевой температуре щелевой параметр А пропорционален числу сверхпроводящих CuÜ2 слоев в сверхпроводящем блоке. Установлено, что критическая температура Тс ор[ у исследованных фаз не подчиняется этому простому правилу.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что они дают существенный вклад в решение вопроса о природе высокотемпературной сверхпроводимости и указывают на широкие потенциальные возможности практических применений BTC1I туннельных структур.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Первая глава содержит краткий литературный обзор по теме исследования, вторая глава - описание экспериментальной установки и метода приготовления контактов на микротрещине (break junction) в BTCII - образцах. Каждая из следующих двух глав содержит оригинальные результаты, полученные автором.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Ya.G. Ponomarev, N.Z. Timcrgaleev, Kim Ki Uk, M.A. Lorenz, G. Müller, H. Fiel, H. Schmidt, C. Janowitz, A. Krapf, R. Manzke. Dependence of the gap parameter on the number of C11O2 layers in a unit cell of optimally doped BSCCO, TBCCO, HBCCO and HSCCO// Inst. Phys. Conf. Ser. No 167. 2000 IOP Publishing Ltd., 245-248.
2. Ya.G. Ponomarev, N.Z. Timcrgaleev, Kim Ki Uk, M.A. Lorenz, G. Müller, H. Piel,
H. Schmidt, C. Janowitz, A. Krapf, R. Manzke. Dependence of the gap parameter on the number of C11O2 layers in a unit cell of optimally doped BSCCO, TBCCO, HBCCO and HSCCO//411' European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'99), 14.09-17.09 1999, Programme + Abstracts, p. 156.
3. H. Schmidt, M.A. Lorenz. G. Müller, H. Piel, Kim Ki Uk, Ya.G. Ponomarev, N.Z. Timergalecv. K. Winzer, Ch. Janowitz, A. Krapf, R. Manzke, T.E. Os'kina, Yu.D. Tretyakov. Superconducting gap As versus the number of Cu02 layers in Bi2Sr2Can.|Cun02n+4+5 5 Tl2Ba2Can.|Cun02n+4+s and HgBa2Can.iCun02n+2+g // Abstracts, 6th Internation Conference: Materials and Mechanisms of Superconductivity and High
9
Temperature Superconductors, February 20-25, 2000, Houston, Texas, USA, 2C2.6, p. 170.
4. Тимергалеев H.3., Ким Ки Ук, Михеев М.Г., Судакова М.В., Пономарев Я.Г., Чесноков C.H., Ярыгин A.B., Аминов Б.А., Лоренц М., Мюллер Г., Пиль X., Шмидт Г., Крапф А., Краак В., Манцке Р. Влияние допирования на сверхпроводящие свойства ВТСП. // НТ-32, 32 Всероссийское совещание по физике низких температур, Казань, 3-6 октября 2000. Тезисы докладов секции SC “Сверхпроводимость”, Sco7. стр. 16-17.
5. Ya. G. Ponomarev, N. Z. Timergaleev, A. О. Zabezhaylov, Kim Ki Uk, M. A. I.orcnz,
G. Müller, H. Piel, H. Schmidt, C. Janowitz, A. Krapf, R. Manzke. Dependence of the gap parameter on the number of CuCfe layers in a unit cell of optimally doped BSCCO, TBCCO, HBCCO and HSCCO.//cond-mat/0111342, 20 Nov, 2001.
6. Ya. G. Ponomarev, N. Z. Timergaleev, Kim Ki Uk, M. A. Lorenz, G. Müller, H. Piel,
H. Schmidt, A. Krapf, T. E. Os’kina, Yu. D. Tretyakov and V. F. Kozlovskii. Superconducting properties of La-substituted Bi-2201 crystals. // cond-mat/0111340, 20 Nov, 2001.
7. Забежайлов А. О.. Игнатчик В. Л., Ким Ки Ук, Кузмичев С. А., Тимергалеев Н.З. Новый сверхпроводник MgB2 - простой аналог высокотемпературных купратиых сверхпроводников // Тезисы Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам “ Ломоносов-2001: молодежь и наука на рубеже XXI века”, Москва, 2001.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях:
I. 4,h European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS'99), 14.09-17.09 1999, Spain,
2. 6,h Internation Conference: Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors, February 20-25,2000, Houston, Texas, USA,
3. 32 Всероссийском совещании по физике низких температур, Казань, 3-6 октября 2000,
4. Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам “ Ломоносов-2001”, Москва, 2001.
10
ГЛАВА 1. СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ
КУПРАТОВ
Настоящая глава содержит краткий обзор литературы по структуре и физическим свойствам ВТСП - материалов.
$ 1.1. Кристаллическая структура и электронный энергетический спектр слоистых купратов В1£г2Сап.1Сип02П+4+5 > Н8Ва2Сап.,Си„02„+2+# « Т12Ва2Сап.,Сип02п*4+а
Сверхпроводящие купраты на основе Га, Вц Т1, имеют структуру чередующихся близко расположенных Си-0 слоев, разделенных структурными блоками, которые служат “резервуарами"’ носителей заряда для Си-0 плоскостей (Рис. 1.1). Обычно оксидные соединения являются изоляторами, т.к. ушедшие с катионов носители заряда захватываются атомами кислорода, стремящимися достроить до полной свою частично заполненную 2р оболочку. Тем не менее, существуют оксидные соединения, приобретающие в определенных условиях свойства высокотемпературных сверхпроводников.
Кристаллы высокотемпературных купратов представляют собой естественную сверхрешетку типа $-1-8-1... , где Э - тонкий сверхпроводящий СиОг-блок, I - слой изолятора (спейсер). Существует много указаний на то, что именно Си-0 слои играют определяющую роль в формировании сверхпроводящих свойств, в то время как спсйсср может быть заполнен или пуст в зависимости от содержания кислорода в нем. При введении в центральную часть спейсора избыточного кислорода, спейсор осуществляет допирование СиОг-блоков дырками. Спенсеры занимают до 80% объема кристалла и только около 20% объема приходится на сверхпроводящие блоки, поэтому сверхпроводящий ток в с- направлении имеет туннельный джозефсоновский (слабая связь) характер. Сверхпроводящая критическая температура Тс в этих соединениях достигает
- Киев+380960830922