Электронная структура пленок системы YBa2Cu3O7-гамма тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 ОА - 8 ЦЕЛ «37

На правах рукописи

ХАРЧЕН КО Максим Андреевич

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА ПЛЕНОК СИСТЕМЫ УВа2С11з07.5

01.04.07 — физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж — 1997

Работа выполнена на кафедре го государственного университета.

физики твердого тела Воронежско-

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор физико-математических

наук, доцент

СИ. КУРГАНСКИЙ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор физико-математических наук, профессор А.С. СИДОРКИН

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

кандидат физико-математических наук, доцент Д.С. САЙКО

Воронежский государственный педагогический университет

Защита состоится 25 декабря 1997 года в 1522 часов на заседании диссертационного совета К 063.48.02 при Воронежском государственном университете по адресу: 394693, г. Воронеж, Университетская пл., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского университета.

Автореферат разослан 24 ноября 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

В.И. Клюкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследовании. Открытие в 1987 г. сверхпроводимости при температурах выше точки кипения "жидкого азота в соединении УВагСиз07-5 с вакансиями кислорода явилось мощным стимулом для теоретических исследований высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Однако сложность и ряд особенностей синтезированных ВТСП (непростая структура, чувствительность к составу, плохая контролируемость свойств) приводят к тому, что, несмотря на значительные усилия, еще до конца не ясны как характер и механизм спаривания, так и природа высокотемпературной сверхпроводимости. В связи с этим, ключом к пониманию механизмов высокотемпературной сверхпроводимости в теоретическом плане может стать детальное и всестороннее исследование электронной структуры новых сверхпроводников, так как многие физико-химические свойства твердых тел, в том числе и сверхпроводимость, в значительной степени определяются их электронным строением.

Одним из наиболее мощных п эффективных методов исследования электронной структуры твердых тел является метод рентгеновской эмиссионной спектроскопии, позволяющий судить об энергетической протяженности валентной зоны и о локализации парциальных состояний относительно уровня Ферми. Известно, что наблюдаемая тонкая структура рентгеновских эмиссионных спектров весьма хорошо, как численно, так и качественно согласуется с положением особых точек на кривых плотности электронных состояний, поэтому рентгеновские эмиссионные спектры могут рассматриваться в качестве теста надежности зонных расчетов. Однако для корректного сопоставления экспериментальных спектров с рассчитанными плотностями состояний расчеты необходимо доводить до вычисления распределения интенсивности в рентгеновской эмиссионной полосе.

Оценки температуры Тс сверхпроводящего перехода, основанные на результатах зонных расчетов, также могут служить критерием корректности вытекающих из зонных вычислений представлений об особенностях электронной структуры сверхпроводника.

Установлено, что оптимальные сверхпроводящие свойства могут быть получены только в образцах с высокой степенью кристалличности и фазовой чистоты, что, несмотря на использование новейших методов синтеза ВТСП-материалов, пока осуществимо только для тонких пленок. Поэтому ближайшее применение высокотемпературных сверхпроводников (в микроэлектронике, в космической и СВЧ-техиике, в медицине, для магнитного удержания при термоядерном синтезе, на транспорте и других областях) связывается с тонкими пленками. Используемые в создании приборов сверхпроводящие пленки должны об-

ладать высокими воспроизводимыми электрофизическими и сверхпроводящими характеристиками, а для решения этих вопросов необходимо фундаментальное знание электронного строения и закономерностей пленочных структур, обеспечивающих их высокие качества.

Целью работы являются детальное изучение электронной структуры тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников, разработка и реализация на ЭВМ методики расчета рентгеновских эмиссионных спектров тонких пленок в рамках вычислительной схемы пленочного линейного метода присоединенных плоских волн (ЛППВ) и проведение оценок критической температуры Тс тонкопленочных ВТСП-оксидов на основе зонных вычислений.

В качестве объектов исследования были выбраны оксидные высокотемпературные сверхпроводники системы У-Ва-Си-О состава УВагСизСЬ н УВагСизОб. Выбор оксидных высокотемпературных сверхпроводников иттрий-бариевой системы для детальных фундаментальных исследований вполне целесообразен, т.к. после открытия более сложных оксидных сверхпроводников на основе висмута, ртути и таллия, имеющих рекордно высокие критические температуры, ранее синтезированные иттрий-бариевые высокотемпературные сверхпроводники могут рассматриваться в качестве относительно простых модельных объектов, способствующих получению новых данных, необходимых для построения современной теории высокотемпературной сверхпроводимости.

Основные научные задачи, решаемые в диссертации, заключались в следующем:

• теоретически исследовать энергетические спектры электронных состояний тонких ВТСП-пленок УВалСизСЬ-« с помощью пленочного метода ЛППВ и установить зависимость их электронного строения от структуры и содержания кислорода в элементарной ячейке;

• установить физическую природу взаимодействия медных с/- и кислородных ^-состояний в тонких пленках УВа^СизСЬв путем расчета рентгеновских эмиссионных ОКа и Си£а спектров пленок УВа^СизО? и УВагСизОб и интерпретировать происходящие изменения в спектрах при удалении кислорода из кислородно-медной подрешетки;

• оценить критическую температуру Тс перехода в сверхпроводящее состояние иттрий-бариевых пленочных высокотемпературных сверхпроводников на основе результатов зонных расчетов.

Научная новнзна работы.

Рассчитанные в приближении функционала локальной плотности в рамках вычислительной схемы пленочного метода ЛППВ электронная структура и плотность электронных состояний ВТСП-оксидов УВазСизСЬ-б являются на сегодняшний день наиболее точным результатом для тонкопленочных соединений данной системы.

Впервые разработан формализм расчета матричных элементов вероятности рентгеновских переходов на волновых функциях пленочного метода ЛППВ и рассчитаны рентгеновские эмиссионные ОКа и Си^ц спектры в пленках УВа:Сиз07 и УВа:СизОб.

Объяснено наблюдаемое систематическое расхождение в тонкой структуре рентгеновских эмиссионных спектров между теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями.

Показана возможность применения результатов зонных расчетов для оценок критической температуры Тс перехода в сверхпроводящее состояние.

Практическая ценность работы.

Результаты, полученные в настоящей работе, позволили устранить неоднозначности в интерпретации тонкой структуры рентгеновских эмиссионных спектров. Созданная вычислительная схема для изучения электронной структуры и других физических свойств пленок УВагСщСЬ-з является универсальной методикой, допускающей прямое обобщение на сверхпроводники с более сложной кристаллической решеткой, и можегг быть непосредственно использована для исследования аналогичных соединений (например, сверхпроводящих пленок на основе таллия, висмута, ртути).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В структуре валентной зоны тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников системы УВагСизО?^ преобладают гнбридизован-ные кислородные 2р- и медные .^-состояния, взаимодействующие резонансным образом. Сильное ¿/-/^-взаимодействие проявляется в виде расщепления пика плотности кислородных р-состояний на две компоненты в области локализации медных ¿/-состояний и изолированно в каждом купратном слое может быть описано моделью с/—.у,/?— резонанса.

2. Удаление атомов кислорода из медно-кислородных цепочек приводит к понижению полной плотности состояний на уровне Ферми и уменьшению расщепления р-состояннп кислорода, что свидетельствует об уменьшении взаимодействия медных с1- и кислородных р-состояний в тонких пленках УВа:Сиз07-л.

3. При переходе от пленки УВа:Сиз07 к пленке УВазСизОб изменяется форма рентгеновских эмиссионных полос: главные максимумы Ка спектра кислорода сближаются с некоторым выравниванием их интенсивности, главный максимум 1.а спектра меди смещается к уровню Ферми, полуширины обоих спектров уменьшаются, интенсивность в прифермиевскон области ОКа спектров уменьшается, Си/„а спектров — увеличивается.

4. Оценки критической температуры Тс иттрий-бариевых сверхпровод-

ников, проведенные на основе результатов зонных расчетов с использованием приближенных решений уравнений Элиашберга, свидетельствуют о возможности описания высокотемпературных сверхпроводников УВагСизСЬ-б в рамках традиционной зонной теории и модели ферми-жидкости.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Пятой (Катания, Италия, 1993) и Шестой (Монтрё, Швейцария, 1995) Международных конференциях по применению методов поверхностного и межфазного анализов ЕС ASIA-, Девятой (Санкт-Петербург, 1994), Одиннадцатой (Сегед, Венгрия, 1996) и Двенадцатой (Вена, Австрия, 1997) Международных конференциях студентов-физиков ICPS; Семнадцатой Международной конференции по применению рентгеновских методов в исследовании внутренних процессов в атомах (Гамбург, Германия, 1996); Четвертой Международной конференции "Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность материалов" (Воронеж, 1996); Шестнадцатой Международной школе-семинаре "Рентгеновские спектры и химическая связь " (Воронеж, 1996); Третьей (Екатеринбург, 1995) и Четвертой (Екатеринбург, 1996) Всероссийских научных конференциях студентов-физиков, а также на научных сессиях Воронежского госуниверситета.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 196 наименований. Работа изложена на 155 страницах, содержит 15 таблиц и 17 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Первая глава является обзором литературы по теме диссертационной работы. Она включает рассмотрение кристаллического строения и энергетической зонной структуры высокотемпературных сверхпроводников системы Y-Ba-Cu-О по данным квантово-механических расчетов объемных кристаллов.

Во второй главе диссертации описывается методика расчета зонной структуры тонких пленок линейным методом присоединенных плоских волн и интенсивности рентгеновского эмиссионного излучения.

В качестве базисных функций вариационной процедуры Ритца в пленочном мегоде ЛППВ используются пленочные линеаризованные плоские волны. В приближении, когда эффективный одноэлектронный

пленочный потенциал принимается в виде muffin-tin потенциала, элементарная ячейка разбивается на области трех типов: пространство внутри muffin-tin сфер, центры которых лежат в атомах, часть пространства элементарной ячейки, заключенную вне muffin-tin сфер — промежуточную область и часть пространства элементарной ячейки, заключенную вне пленки — две вакуумные области. Для каждой области принимается свой вид пленочного потенциала и, соответственно, базисных функций. На построенных базисных функциях вычисляются матричные элементы гамильтониана и перекрытия, а затем с использованием процедуры Ритца вычисляются собственные значения энергии Е„(к) и волновые функции Явный вид базисных и волновых

функций приведен во второй главе работы.

В следующем разделе рассмотрено релятивистское обобщение пленочного метода ЛППВ. Уравнения Дирака решены в скалярно-релятивистское приближении, в котором взаимодействие электрона с внешним полем представлено суммой членов, имеющих наглядный нерелятивистский смысл. В этом приближении возникают диагональные по спину уравнения нерелятивистского метода ЛППВ, где включены все релятивистские эффекты, за исключением спин-орбитального взаимодействия. Эти эффекты входят в уравнения посредством радиальных волновых функций, являющихся решением квазирелятивистских уравнений Дирака.

Далее во второй главе описан формализм расчета рентгеновских эмиссионных спектров в тонких пленках в одноэлектронном и диполь-ном приближениях, а также в предположении, что волновые функции валентного vk(r) и остовного \ус{т) состояний являются собственными функциями одного и того же кристаллического гамильтониана. Ос-товные функции вследствие достаточно хорошей локализации должны обращаться в нуль на поверхности muffin-tin сферы, поэтому они могут быть представлены в атомно-подобном виде:

= (1) с радиальной частью, являющейся решением радиального уравнения Шрёдингера с пленочным потенциалом. В случае использования базиса ЛППВ волновая функция vk(r) внутри j-ой muffin-tin сферы может быть записана в виде

^(r )-Y.aMr)Xm{0,<P)- (2)

ы>

С учетом сделанных приближений выражение для интенсивности рентгеновского эмиссионного излучения имеет следующий вид:

1(Е) = Е3^М25(Е-Ес+Ек). (3)

к

Здесь Ek и Ес — соответственно энергии валентного и остовного состояний. Выражение для матричного элемента вероятности перехода М

получается с учетом (2/+1)-кратного вырождения остовного состояния ц/с по квантовому числу т:

м2= /+1

21 + 3'

21-У

где

(5)

Ж

1«)

Явный вид выражения (5) приведен во второй главе диссертации.

Суммирование в выражении (3) проводится только по занятым состояниям в зоне Брюллюэна. Используя квазинепрерывность волнового вектора в зоне Брюллюэна, при расчете интенсивности рентгеновских эмиссионных полос сумма по всем занятым состояниям в (3 ) может быть заменена интегралом по зоне Брюллюэна, вычисляемым комбинированным методом треугольников.

Результаты расчетов электронной структуры тонких пленок системы УВа2СизС>7-5 и рентгеновских эмиссионных ОКа и СиЬа спектров, рассчитанных на их основе, изложены в третьей главе работы.

Расчет зонной структуры проводился в двух вариантах: для ор-торомбической пленки УВа2Сиз07 и тетрагональной пленки УВа2СизОб. Элементарная ячейка пленки УВагСизСЬ показана на рисунке 1. В пленке УВа2СизОб, имеющей структуру, аналогичную пленке УВагСщСЬ, вакантны позиции атомов кислорода О'1», входящие в состав кислородно-медных цепочек. Удаление кислорода О'" в пленке УВа2Си307^ приводит к изменению орто-ромбической фазы (при 8 = 0) на тетрагональ-Рисунок 1. Элементарная ячейка "У10. что учитывалось в пленки УВа2Си307. расчете.

Л

уотлСит

"7Г

Вя

Си

О О

а

б

Рисунок 2. Полная и локальные плотности электронных состояний для каждого атома в элементарной ячейке пленок: орторомбической УВа2Си}07 (а) и тетрагональной УВа2Си-,06 (б).

Результаты расчета полных плотностей электронных состояний (ПЭС) в пленках УВа2Си307 и УВа^СичОб и локальных (полных и парциальных) ПЭС для всех неэквивалентных атомов в элементарной ячейке каждой из пленок представлены на рисунке 2, из которого видно, что в структуре валентной полосы пленок преобладают О2р~ и СиЗЛ-состояния. ПЭС атомов кислорода 0(,) и 0<4), лежащих в одной плоскости с атомом меди Си'2', расщепляются на две компоненты, причем характерный минимум в плотности кислородных /5-состояний лежит в месте расположения главного максимума плотности ¿/-состояний атомов меди Си'"', принадлежащих тому же слою СнСЬ. В пленке УВа>Си3Об основные изменения происходят для атомов Си(1) и 0<:) (кислород в слое Ва-О): плотность й состояний атомов меди Си"' в прифермиевской области увеличивается, а плотности кислородных со-

стояний вблизи уровня Ферми несколько уменьшаются. Кроме того, появляется характерный минимум в плотности /з-состояний атомов (Я, расположенных в соседнем слое Ва-О, что свидетельствует о появлении взаимодействия между атомами Си(|) и 0(2) после удаления кислорода 0(|).

На основе результатов вычислений энергетической зонной структуры в диссертационной работе выполнены расчеты рентгеновских эмиссионных ОКа и СиЬа спектров тонких пленок УВагСизОт и УВагСизОб. В соответствии с дипольными правилами отбора, ОКа полоса, соответствующая электронному переходу 2р —> /л, отвечает преимущественно валентным р-электронам атомов кислорода, а Си£„ спектр, соответствующий переходу 5с/ -> 2рз/;, вследствие малости вкладов в интенсивность от ¿--электронов, преимущественно несет информацию о ¿/-электронах атомов меди.

Для качественного анализа рассчитанные спектры были подвергнуты свертке с функцией Лоренца с зависящей от энергии полушириной и размыты дисперсионной кривой Ге для учета энергетического разрешения спектрометра. Полное уширение включает в себя константу по энергии Гх= Гс + Ге и величину, линейно зависящую от энергии:

Здесь Гс — уширение остовного уровня, на который осуществляется переход, Гс — аппаратурное уширение и ГЛ(Е) — уширение, связанное с конечным временем жизни дырки в валентной зоне.

С целью изучения влияния уширения на форму рентгеновских эмиссионных спектров и положения максимумов в спектрах в третьей главе диссертации проведены расчеты рентгеновских эмиссионных спектров пленки УВазСизСЬ с различными уширениями. Показано, что влияние постоянного уширения /V заключается в уменьшении расстояния между главными максимумами ОКа спектров и в изменении формы рентгеновских эмиссионных полос, а уширение, связанное с конечным временем жизни дырки в валентной зоне, размывает низкоэнергетическую часть спектра сильнее, чем высокоэнергетическую, благодаря чему происходит неравномерное смещение главных максимумов (в ОКа полосе) и их сближение, причем низкоэнергетический максимум становится относительно менее интенсивным.

Рассчитанные рентгеновские эмиссионные ОКа и Си£.0 спектры пленок УВааСизСЬ и УВа^СиЮг, представлены в едином энергетическом масштабе на рисунке 3, из которого видно, что главный максимум СиЬа полосы, соответствующий максимуму плотности Ф-состояний, лежит немного ниже главного максимума ОКа спектра,

(6)

Таблица 1

Положения главных максимумов и полуширины рентгеновских эмиссионных спектров, эВ

Пленка YBa2Cu¡07 YB<i2Cii,Ot I

max CuL„ 2.00 1.95

Полуширина 3.84 3.73

шах О К,}» 1.46 1.54

max GKaW 4.02 3.11

Полуширина 4.04 3.48

(ЖЯ-СЖа"» 2.56 1.57

Cu¿a-OAra<" 0.54 0.41

1 OKgW - Cu¿g 2.02 1.16

£ э!1

Рисунок 3. Рентгеновские эмиссионные СиЬа (а) и ОКа (Ь) спектры пленок УВ(1]Сиз07 (сплошные линии) и УВа2Си;06 (пунктирные линии).

соответствующего максимуму плотности СОСТОЯНИЙ. .

В таблице 1 приведены положения главных максимумов, значения полуширин, а также расстояния между особенностями спектров для обеих пленок. Постоянное уширение Гх принималось равным 0.7 и 1.8 эВ при расчете спектров для кислорода и меди соответственно, а параметр

Го равнялся 1.6 эВ для обоих спек- _

тров.

Взаимодействие между ¿/-электронами переходного металла и ^^-электронами неметалла в металлооксидах, к которым относятся и соединения состава YBa2Cuj07-g, описывается моделью d-s,p-резонанса, предложенной Э.П. Домашевскай [Pliys. stat. sol. (b). 105, 121 (1981)]. Согласно этой модели:

1) при энергетическом совпадении с/-зоны переходного металла (в рассматриваемой пленке — меди) с í./?-3ohoíí неметалла (кислорода) последняя расщепляется на две компоненты и в эксперименте проявляется в виде двух характерных расщепленных максимумов с минимумом между ними в месте расположения главного максимума La спектра переходного металла; и

2) при увеличении процентного содержания переходного металла относительно неметалла расщепление /7-зоны неметалла возрастает.

Первый вывод полностью подтверждается расчетами пленок YBaiCujCb.s: сильное (/-/^-взаимодействие проявляется как расщепле-

ние пика плотности 02р-состояний на две компоненты с минимумом в области локализации главного максимума Ьа спектра меди (см. рисунок 3). Эта ситуация качественно воспроизводится во всех экспериментальных работах. Однако при переходе от пленки УВадСизО? к пленке УВа^СизОб расщепление ОКа спектра уменьшается (его максимумы сближаются, а минимум становится менее глубоким),, в то время как процентное содержание меди относительно кислорода увеличивается.

Кажущееся на первый взгляд противоречие между результатами настоящего расчета и выводами модели </-л\/?-резонанса легко разрешается. В пленках УВ;ьСи107.6 медно-кислородные цепочки Си(|)-0<" и медно-кислородные слои Си(2)-0(3),0<4) отделены друг от друга слоями Ва-0(2) (см. рисунок 1). Барий-кислородные слои, образованные в полном соответствии с валентностью входящих в них элементов, имеют достаточно сильную связь между атомами и поэтому препятствуют непосредственному взаимодействию электронов в слоях Си<ч-0(1) и Си<2)-0<3>,0(4). То есть в пленках УВазСи.^-з взаимодействие между (I- и р-состояниями происходит независимо в медно-кислородных цепочках и медно-кислородных слоях, и рассмотренная модель "работает" не в соединении в целом, а изолированно в каждом медно-кислородном слое. Поэтому в полном соответствии с моделью ¿/-¿-.^-резонанса расщепление р—состояний атомов кислорода 0(|) оказывается больше, чем атомов 0<3> и 0м), т.к. процентное содержание меди в медно-кислородных цепочках выше, чем в медно-кислородных слоях.

В четвертой главе диссертации на основе результатов зонных расчетов проведены оценки критической температуры Тс ВТСП-пленок УВа2Сиз07-б с помощью приближенных решений уравнений Элиашберга.

В общем случае температура сверхпроводящего перехода Тс определяется параметрами электрон-фононной связи

'а2 {(0)^(0)

d со (7)

0}

и логарифмической фононной частоты <«[,„ определяемой из выражения

1п= 4 f — а2(й>)Д«)1Ь(й>) . (8)

Л J0 (й

Здесь F(cú) — функция распределения частот в фононном спектре, сг(со) — эффективный квадрат матричного элемента электрон-фононного взаимодействия — весовая функция, характеризующая его интенсивность. В зависимости от значения константы электрон-фононной связи различают случаи слабой (Я«1), промежуточной (А~1) и сильной (Я» 1) связи. Высокотемпературные сверхпроводники, согласно оцен-

кам, имеют константу Л> 1, что соответствует случаю сильной связи.

Уравнения Элиашберга, представляющие собой пару связанных нелинейных интегральных уравнений для параметра энергетической щели и параметра перенормировки электронной массы за счет элек-трон-фононного взаимодействия, обеспечивают точность, необходимую для их решения в случае сильной связи. Однако аналитически в этом пределе они решены быть не могут. В диссертации рассмотрены наиболее известные приближенные аналитические формулы для критической температуры Тс сверхпроводников с сильной связью, полученные в результате численного решения уравнений Элиашберга, и с их помощью проведены оценки критической температуры тонкопленочного сверхпроводника УВагСиэСЬ.

Критическая температура Тс оценивалась как функция кулонов-ского псевдопотенциала //, диапазон изменения которого был выбран от 0 до 0.25. Кулоновский псевдопотенциал при расчетах часто используется как подгоночный параметр и характеризуется в литературе как довольно малая величина порядка 0.1 + 0.2. Для параметров дебаев-ской температуры &о и логарифмической частоты <У|„ сверхпроводника УВа:СизО? были использованы экспериментальные значения 440 К и 500 К соответственно.

Константа электрон-фононной связи Л была определена путем сравнения коэффициента при линейном члене в электронной части теплоемкости УВагСизО для низких су = у(\ + £)Т и высоких су-уТ

температур. Вследствие того, что постоянная Зоммерфельда у пропорциональна плотности состояний N(0) на уровне Ферми, электрон-фононным взаимодействием фактически перенормируется плотность состояний на уровне Ферми:

Ъсгк\ 1 + Л

Для вычисления константы электрон-фононного связи Л пленочного ВТСП УВагСизО? использовалось рассчитанное в настоящей работе значение плотности электронных состояний на уровне Ферми в СиСь-слое: Л^си-о(0) = 0.91 сост./(эВ-эл.яч.спин).

При вычислении константы Л использовались результаты экспериментального измерения постоянной Зоммерфельда (25 ± 3) мДж/(моль-К2), которым соответствует значение константы Л - 4.82. Кроме того, были проведены оценки постоянной Зоммерфельда путем сравнения экспериментально измеряемого отношения скачка теплоемкости при переходе из сверхпроводящей фазы в нормальную к величине критической температуры Ас{Тс)! Тс и теоретически рассчитанного отношения Ас{Тс)/уТс. Для сверхпроводника УВа;СизО? отношение

Ас(Тс)/Тс = (23 ± 5) мДж/(моль-К2), а Лс{Тс) IуТс = (2.6 ± 0.6). Эти значения приводят к величине 8.85 мДж/(моль-К2) для постоянной Зом-мерфельда и, соответственно, 1.06 для константы электрон-фононной связи Я.

Результаты вычислений критической температуры Тс тонкопленочного сверхпроводника УВагСизСЬ приведены в таблице 2. Как видно из этой таблицы, рассмотренные приближенные формулы для Тс приводят к вполне реальным значениям критической температуры пленки УВазСизО? при значениях константы X = 4.82.

В диссертации сделан вывод о проявлении в иттрий-бариевых высокотемпературных сверхпроводниках достаточно сильного элек-трон-фононного взаимодействия и связанных с ним высоких значений критической температуры Тс. Причины этого могут быть связаны с кристаллохимическим строением иттрий-бариевых сверхпроводников, а также с высокими значениями характерных фононных частот (в частности, логарифмической частоты &>ь) и существенным увеличением протяженности колебательного спектра за счет высокочастотных оптических фононов, обусловленным наличием кислорода с малой массой. Имеющая место в пленках УВагСизСЬ-а сильная гибридизация </состояний меди и /^-состояний кислорода, как показано в третьей главе диссертации, происходит благодаря близости электронных уровней ионов Си2+ и О2- и приводит к существованию на поверхности Ферми значительного числа электронных состояний, связанных с легким кислородом. Это позволяет вовлечь в электрон-фононное взаимодействие его высокочастотные колебания. С другой стороны, слоистое строение рассмотренных высокотемпературных сверхпроводников позволяет достигать достаточно высоких значений плотности состояний электронов на ионах меди и кислорода, поскольку электроны оказываются локализованными в плоскости Си02, а не полностью "размазаны" по всей трехмерной элементарной ячейке. Эти процессы приводят к увеличению константы электрон-фононной связи Я и, как следствие, — к значительному повышению критической температуры оксидных высокотемпературных сверхпроводников.

Таким образом, полностью отказываться от электрон-фононного механизма высокотемпературной сверхпроводимости и от модели ферми-жидкости для описания и объяснения особенностей высокотемпературных сверхпроводников УВагСизСЬ-б достаточных оснований нет. Экспериментально наблюдаемые значения критической температуры ~ 90 К могут быть получены при использовании БКШ-подобных формул, основанных на учете только электрон-фононного взаимодействия в купратных ВТСП-оксидах, а сама теория БКШ и с сильной связью может объяснить целый ряд их особенностей.

Таблица 2

Критическая температура Тс пленки УВа2Си307, К. Верхние строки: Я = 4.82 (жирный шрифт), нижние строки: X = 1.06 (обычный шрифт)

\ Авторы Формулы ц' = 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 1

1 Мак-Миллан 1ехр (- Ж(1 + Я) с -1.45 1 1 Л- р 0 + 0.62Л)) 86.44 40.21 81.88 33.88 77.18 27.65 72.35 21.65 67.38 16.03 62.30 10.99

Мак-Миллан-Аллеи квТс=ТЩ" ехр Г- '•°.4-(, + Д) 1 0 с 1.2 Х-р -(1 + 0.62Л); 118.69 55.21 112.43 46.51 105.98 37.96 99.34 29.72 92.53 22.01 85.54 15.09

Аллен-Дпиес /• Т Г Г с- { + 1 с ~ 1 1.2 ехр 1 Я(1 + 0.62X)) 114.17 48.35 103.85 42.67 95.53 35.86 88.38 28.61 81.88 21.44 75.70 14.82

Каракозов Максимов Машкой ~ Г ГЩп í ] + Я ) * 1.43 6ХР [ Я-// -(1 + 0.5Д /(| +Х))} 104.53 50.08 102.67 44.30 100.78 38.55 98.88 32.88 96.95 27.36 95.00 22.07

Жернов-Мал о в 1свТс= ШГщ„ехр (--} + д) ехр 164.91 71.16 145.84 52.60 126.20 37.19 106.16 22.81 86.03 11.46 66.27 4.05

Крезпн к„Тс = 0.25Л& • [ехр(2/Я(//)- 1]~'2 104.58 31.70 96.97 27.51 90.50 23.99 84.91 20.99 80.00 18.41 75.64 16.18

Венг-Ву квТс = 1.134 Пюы (1-1.02//' +0.476Я)х | 305.24 I 66.78 ( 1 + 1.604Я ^ СХР 1 Х-р -(1+0.604ЯУ | 278.35 52.11 252.06 39.05 226.44 27.78 201.59 18.43 177.60 11.12

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.В структуре валентной зоны тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводников системы УВагСщОт-г преобладают гибриди-зованные кислородные 2р~ и медные .М-состояния.

2. В исследуемых пленках медные й- и кислородные /»-состояния взаимодействуют резонансным образом. Сильное с/-/?-взаимодействие проявляется в виде расщепления пика плотности кислородных р-состояний на две компоненты в области локализации медных с1-состояний и изолированно в каждом купратном слое может быть описано моделью ¿-¿./»-резонанса.

3. При удалении кислорода из медно-кислородных цепочек в тонких пленках системы УВагСизСЬ-з взаимодействие медных с1- и кислородных /»-состояний уменьшается, при этом наблюдается понижение полной плотности состояний на уровне Ферми, уменьшение расщепления /»-состояний кислорода с их одновременным смещением в сторону больших энергий связи, а также смещение главного максимума плотности медных ¿/-состояний в сторону меньших энергий связи.

4. Замещение атомов кислорода из центральйого слоя на вакансии приводит к изменению формы рентгеновских эмиссионных полос пленок УВа2Сиз07-й, что проявляется в сближении двух главных максимумов Ка спектра кислорода с некоторым выравниванием их интенсивности, в смещении главного максимума 1а спектра меди к уровню Ферми, в уменьшении полуширин обоих спектров, а также в уменьшении интенсивности ОКа и увеличении интенсивности СиЬа спектров в прнфермиевскон области. *

5. Влияние аппаратурного уширения и уширения остовн'ых уровней кислорода и меди на форму рентгеновских эмиссионных полос и положения максимумов в рентгеновских эмиссионных спектрах пленок УВагСизО? заключается в уменьшении расстояния между главными максимумами спектров и практически полном исчезновении тонкой структуры рентгеновской эмиссионной полосы меди.

6. Учет уширения, связанного с конечным временем жизни дырки в валентной зоне, приводит неравномерному смещению к уровню Ферми главных максимумов в рентгеновской эмиссионной ОКа полосе и их сближению вследствие более сильного размытия низкоэИергетиче-ской части спектра, чем высокоэнергетической.

7. Оценки критической температуры Тс пленок УВагСизО?, проведенные на основе результатов зонных расчетов с использованием приближенных решений уравнений Элиашберга, свидетельствуют о возможности описания иттрий-бариевых ВТСП в рамках традиционной зонной теории и модели ферми-жидкостн.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Calculated X-ray emission spectra of high-Г, superconducting Y-Ba-Cu-0 thin films /S.l. Kurganskii, M.A. Kharchenko, 0.1. Dubrovskii, E.P. Domashevskaya // Proceed. 5'h European Confer, on Applications of Surface and Interface Analysis EC ASIA'93. — Catania (Italy), 1993. — P. 403.

2. Электронная структура пленок Y-Ba-Cu-0 с кислородными вакансиями / О.И. Дубровский, С.И. Курганский, Э.П. Домашевская, М.А. Харченко //Тонкие пленки и нитевидные кристаллы: Межвуз. сб. науч. тр. — Воронеж, 1993. — С. 18-23.

3. Расчет рентгеновских эмиссионных спектров тонких пленок высокотемпературных сверхпроводников Y-Ba-Cu-О / С.И. Курганский, М.А. Харченко, О.И. Дубровский, Э.П. Домашевская // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. — 1994. — Т. 7, № 4. — С. 693701.

4. Theoretical X-ray emission study of high-7-,. superconductor YBa:Cm07 thin films/S.I. Kurganskii, M.A. Kharchenko, O.I. Dubrovskii, A.M. Bugakov, E.P.Domashevskaya // Physica status solidi (b). — 1994. — V. 185, № 1, —P. 179-187.

5. Kharchenko M.A., Kurganskii S.I. X-ray emission spectra of high— Tc superconductor Y-Ba-Cu-0 thin films // Proceed. 9lh Int. Confer, for Physics Students IС PC' 94. — St. Petersburg, 1994. — P. 111-116.

6. Харченко M.A., Курганский СЛ.. Пенкин А.Б. К проблеме высокотемпературной сверхпроводимости // Матер. III Всеросс. науч. конф. студентов-физиков: Тез. докл. — Екатеринбург, 1995. — С. 54.

7. Влияние кислородных вакансий на форму рентгеновских эмиссионных спектров тонких пленок системы Y-Ba-Cu-O I С.И. Курганский, М.А. Харченко, О.И. Дубровский, A.M. Бугаков, Э.П. Домашевская //Физика твердого тела. — 1995. — Т. 35, № 5. — С. 1346-1351.

8. Kharchenko М.А., Kurganskii S.I.. Bugakov A.M. The valence band structure of the high-Г,. superconductor YBa:Cuj07 s thin films // Proceed. 6th European Conf. on Applications of Surface and Interface Analysis ECASIA'95. — Montreux (Switzerland), 1995. — P. SU-10.

9. Analysis of the valence band structure of YBa:Cu307-s thin films by X-ray emission and photoelectron spectra calculation / S.I. Kurganskii, M.A. Kharchenko, E.R. Likhachev, A.M. Bugakov // Proceed. 16lh Int. Seminar "Electron and X-ray spectroscopy". — Voronezh, 1996. — P. 31.

10. Kharchenko M.A.. Kurganskii S.I. Some electron and thermodi-namical properties of high-temperature superconducting thin films // Proceed. 11th Int. Confer, for Physics Students 1С PC' 96. — Szeged (Hungary), 1996.— P. 82-83.

11. Вычисление распределения интенсивности спектров рентгеновской эмиссии / Е.И. Максимова, О.И. Дубровский, С.И. Курган-скин, М.А. Харченко // Матер. IV Межд. конф. "Действие электромагнитных полей на плистичность и прочность материалов': Тез. докл. — Воронеж, 1996.— С. 105.

12. Theoretical X-ray emission and photoelectron study of УВа2Сиз07-б thin films / S.I. Kurganskii, M.A. Kharchenko, E.R. Lik-hachev, E.P.Domashevskaya // Proceed. 17lh Int. Confer. X-ray and InnerShell Processes A" - 96. — Hamburg (Germany), 1996. — P. 74.

13. Calculated spectral properties of YBaaCmCb-s thin films / S.I. Kurganskii, M.A. Kharchenko, E.R. Likhachev, O.I. Dubrovskii // Physica status solidi (b). — 1997, —V. 201, № 1. — P. 417-428.

14. Kharchenko M.A., Kurganskii S.I. Valence band structure investigation and critical temperature estimations of Y-Ba-Cu-O thin films films // Proc. 12th Int. Confer, for Physics Students 1С PC' 97. — Vienna (Austria), 1997. — P. 52-53.

15. Theoretical photoelectron spectra of high-Г,. copper oxide thin films / E.R. Likhachev, O.I. Dubrovskii, S.I. Kurganskii, M.A. Kharchenko // Proc. 12th Int. Confer, for Physics Students 1CPC' 97. — Vienna (Austria), 1997. — Ch. 2.— P. 13.