Электронные явления переноса в оксидных высокотемпературных сверхпроводниках в нормальной фазе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧНЖШ ИНСТИТУТ им. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

ГАСУМЯНЦ ВИТАЛИЙ ЭДУАРДОВИЧ

УДК 538.945

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА В ОКСОДШХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВШПРОВОДНИКАХ В НОРМАЛЬНОЙ ФАЗЕ

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена в техническом университете.

Санкт-Петербургском государственном

Научные руководители:

доктор физико-математических наук,

профессор В.И.Кайданов, кандидат физико-математических; наук,

доцент С.А.Казьмин.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор В.©.Мастеров,

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Б.И.Равич.

Ведущая организация - НИИ "Домен".

-/О

со

Защита состоится " /У" /ЮМ^ХЛ 1992 г. на заседании специализированного совета Л К 003.23.02 в Физико-техническом институте им.А.ФЛоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26.

С диссертацией можно ознакомиться, в на> -той библиотеке ФТИ им.А.Ф.Коффо РАН.

Отзывы на авторефера'1 в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого экретаря специализированного совета.

Автореферат разослан " /У" ОшйлЛм 19Э2 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандщат физико-математических наук ■ С.И.Бахолдин

ГССУДА

БИБЛКС? Г.:-'.л

ОБЩАЯ ХШКТЕРЖЛЖА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена исследованию электронных явлений переноса в нормальной фазе в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) систем У-Ва-Си-О и В1-Зг-Са-Си-0 и изучению особенностей строения зонного спектра этих веществ. Кроме того, в работа решаются вопросы диагностики качества ВТСП-соедашений.

Актуальность темы. Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости в оксидных системах и получение в скором времени сверхпроводников с критической температурой Гс, . превышающей температуру кипения кидкого азота (Т=77К), вызвало огромный поток экспериментальных и теоретических работ, посвященных новым материалам. За 5 лет изучения ВТСП было оцубликовано около 17500 работ в различных научных журналах. р том числе и созданных в эта года и специально посвященных изучению явления высокотемпературной сверхпроводимости.

Для установления механизма сверхпроводимости, а, следовательно, для целенаправленного поиска оптимальных составов и технологии изготовления ВТСП-магериалов и изделий из них важнейшее значение имеет выяснение электронного спектра носителей тока, его принципиальных особенностей и деталей, механизмов проводимости, электрон-фжонного и электрон-электронного 1 взаимодействий.

Следует констатировать, что многочисленные экспериментальные исследования, выполненные со времени открытия ВТСП и ставившие такого рода цели, не дали однозначных результатов ни для одного из представителей этой группы' материалов. .С другой стороны, отсутствует не только общепризнанная, но и хотя бы наиболее предпочтительная теоретическая модель механизма

сверхпроводимости, приводящего к столь аномально высоким, по сравнению с классическими сверхпроводниками, значениям Т0. Спектр обсуждаемых в связи с ВТСП теоретических механизмор спаривания необычайно широк --от классической теории Бардина-Купера-ШриФЯеря до псшяронных н спиновых механизмов. Это обилие теоретических

моделей в значительно» степени обусловлено отсутствием надекных сведений, о о электронном спектре в нормальном (несверхпроводящем) состоянии.

Мы считаем, что в большей степени, чем другие методы, приближают к решению указанной выше задачи систематические и комплексные исследования транспортных явлений. Этот вывод основывается на анализе обширной литературы, посвященной электронным явлениям переноса в ВТСП-материалах, на результатах наших собственных работ в этой области, а также на накопленном на кафедре физики полупроводников СПбГТУ опыте изучения сложных электронных■спектров в полупроводниках и полуметаллах (А%6, А^В6, силициды переходных металлов группы железа и др.).

Получение надежных экспериментальных дашшх об электронном транспорте, выявление общих закономерностей и ■ особенностей поведения кинетических коэффициентов в КГСП-соединениях различных классов должны позволить сделать определенные предположения о механизме проводимости в этих веществах. Подробное исследование транспортных свойств и их изменения при различного рода воздействиях на материал (прежде всего, легировании) обеспечит возможность . правильного выбора между существующими альтернативными моделями зонного спектра в нормальной фазе.

Кроме того, наряду с фундаментальной задачей исследования элэктронного транспорта и способов воздействия на него с целью выяснения механизма высокотемпературной сверхпроводимости важное значение имеет и ревение другой, более утилитарной - развитие методов диагностики состава, однородности, структурного совершенства керамик, монокристаллов и пленок, основанных на использовании исследуемых эффектов. Установление корреляционных зависимостей между характеристиками образцов и получаемыми независимо данными об ¡а составе, кристаллической и гранулярной структуре является основой для разработки новых методов контроля и экспресс-диагностики ВТСП. Решении всех этих вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.

Оснсыше цел; работы включали: - комплексное экспериментальное исследование электронных

. слений переноса в ВТСП-соедшениях систем У-Ва-Си-О 'и В1(РЬ >-5г-Са-Си-0;

объяснение нпблндаошх особенностей температурках зависимостей кинетических коэффициентов на основе модельных представлений о структуре проводящей зош в этих веществах;

- выяснение принципиальных особенностей и деталей строения зонного спектра ВТСП-магериалоч различных классов в нормальной фазе;

- исследование характера изменения параметров* электронной системы при отклонениях от стехнометряческих составов и легировании образцов;

- выявление взаимосвязи между сверхпроводящими свойствами ВТСП-соединений,с одной: стороны, и параметрам! их зонного спектра - с другой, а также выяснение роли и влияния на эти характеристики различных структурных элементов кристаллической решетки;

- разработку методов диагностики ВГСП-соединешй.

Научная новизна работы.

1. Комплексное исследование электронных явлений переноса в ВТСП-соединениях различных классов позволило получить убедительные свидетельства в пользу прадполоиения о существовании в зонном спектре этих веществ узкой проводящей зони, ответственной за свойства в нормальной фазе.

2. Продемонстрирована возможность использования модели узкой зоны для получения информации о структуре зонного спектра и его изменениях при варьировании состава образцов из анализа температурных зависимостей кинетических коэффициентов.

3. Сделан вывод о возможной реализации в ВТСП-соединениях . механизма андерсоновской локализации состояний. происходящей вследствие разупорядочения системы, и его существенном воздействии на значение критической температуры.'

4. Установлено, что состояние кислородной подсистемы, прежде всего, рост дефицита и разупорядочоние цепочечного' кислорода, оказывает сильное воздействие на электрофизические и сверхпроводящие свойства, а также параметру зонного спектра в

-б-

системе, У-Ва-Си-О.

5. Показана общность пришщшаяьных особенностей зонного спектра ВТСП иттриевой и висмутовой систем.

Практическая ценность работа.

1. Информация об особенностях строения зонного спектра ВГСП-соеданений, полученная в работе, может быть весьма полезной для установления механизма высокотемпературной сверхпроводимости и целенаправленного поиска оптимальных,• в том числе и новых, составов ВТСП-материалов.

2. Разработанный метод неразрушащего локального экспресс-контроля значений Гс в УВа^и^О^ с различным содержанием кислорода благодаря простоте в реализации, быстроте получения результатов, отсутствию необходимости обработки и ограничений на размеры и форму тестируемых образцов, а также важности решения задачи контроля их сверхпроводящих свойств, должен найти применение среди изготовителей приборов и устройств из этого материала на стадии выходного контроля качества готовых изделий.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Все основные особенности электронного транспорта в нормальной фазе в ВТСП иттриевой и висмутовой систем могут быть объяснены в модели узкой почти симметричной проводящей зоны шириной порядка 1СГ1эВ с использованием минимального числа подгоночных параметров: степени заполнения зоны электронами ? и эффективных ширин зоны . "по плотности состояний" и "по проводимости" !?0.

2. Увеличение дефицита кислорода УВа2Си30у, а также частичная замена компонентов: меди - в УВа2Си30 и кальция - в В125г2С С^Оз+з приводят к увеличению Р, уширеншо' зоны и относительному сужению аффективного интервала проводящих состояний (уменьшению отношения Ид/Т^). В иттриевой системе эти эффекты следует отнести по преимуществу к уменьшению числа атомов цепочечного кислорода и росту разулорядочения в их расположении, а в висмутовой - к возрастании общего разулорядочения решетки. Механизм влияния ра-зупорядочения можно связать с андерсоновской локализацией состояний.

3. Отличия в стегни влияния различных примесей 'и' нестэхиометрии по кислороду на критическую температуру !ГС коррелируют с изменениями F и iVD, находясь в прямой зависимости' от значения плотности состояний на уровне Ферми. При этом разупорядочение решетки и вызываемая им локализация состояний оказывают определяющее воздействие на величину Тс.

4. Совместный анализ температурных зависимостей удельного сопротивления, коэффициента термоздс н магнитной восприимчивости позволяет выявлять особенности , гранулярной * структуры ВТСП-керамик, в том числе ц в случае двухфазных образцов, и определять характер пространственного распределения различных фаз в исследуемом образце.

5. Разработанный неразрушагаций термоэлектрический метод локальной диагностики ВТСП-матэриалов в случае ' YBa2COj0( позволяет оценить значение и топологию распределения величины ff, (а"в большинстве случаев и содержания кислорода) по образцу бэ& его охлаждения. Для висмутовой системы по той ке методике' может проводиться предварительная отбраковка образцов по значению Г .

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XXV Всесоюзном совещании по физике низких температур (Ленинград, 1988), I Всесоюзном семинаре по физике электронных структур на основе высокотемпературной сверхпроводимости "Сверхматрица" (Москва, 1989), I конференции, МИФИ по высокотемпературной сверхпроводимости (Москва, 1990), Всесоюзной конференции по электронике органических материалов (Домбай, 1990), III и IV совместных советско-германских семинарах по высокотемпературной сверхпроводимости (Карлсруе, 1990, Санкт-Петербург, 1991), III Всесоюзном совещании по. высокотемпературной -сверхпроводимости (Харьков, 1991), обсуждались на научных сешнэрах в Техническом университете г.Дрездена (Германия), Объединенном институте ядерных исследований (Дубна), на кэфедрэ физики полупроводников СПбГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ и получено положительное решение по заявка на изобретение. Список приведен в -конце автореферата.

Стпуктура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 352 наименования. Осношая часть работы содеркит 204 страницы машинописного текста, в том числе 5 таблиц и 50 рисунков. Приложение содерагит 28 страниц машинописного текста, вклвчая б рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы основные цели работы, показана ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов, указаны объекты исследовании, даны сведения о структуре и содержании работы и приведены положения, выносимые на зэзщту.

Глава 1. Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований высокотемпературных сверхпроводников (обзор литературы). Здесь приведен обзор литературы, посвященной свойствам высокотемпературных сверхпроводников. Описаны данные структурных исследований ВТ СП игтриевой и висмутовой системы, которые привлекаются в дальнейшем при обсуждении и интерпретации полученных в работе результатов. Подробно проанализировано современное состояние теории _ высокотемпературной

сверхпроводимости, а также получстше различны!.®! методами результаты теоретических расчетов зонной структуры и показана противоречивость последних. Обсуждаются сведения о структуре зонного спектра, следующие .из различных экспериментов. Далее приведены результаты исследования транспортных свойств ВТСП-со т.шеюй и проведен критический анализ различных моделей зонного спектра, привлекаемых для описания особенностей поведения кинетических коэффициентов в нормальной фазе. В результате сделан вывод о необходимости подробного изучения электронных явлений переноса в нормально® фазе с целью использования получаемых экспериментальных данных для выявления. принципиальных осгоеинсетей и деталей . строения зонного спектра в БГ;Т;-совдикенилХ.

Глава 2. Экспериментальные »етоды исследования свойств ВТСП-материалов. В этой главе описаны экспериментальные методики, используемые при исследовании сеойств БТСП-материалов в данной работе. Отмечено, что специфика последних ншслэдгеает на эти методики определенные требования, вызывая необходимость , решения ряда технических задач. Большое внимание удалено точности и достоверности получаемых результатов.

Глава 3. Транспортные свойства УВвдСи^О,, с различным содержанием кислорода. Модель зонного спектра. Данная глава- посвятцена исследованию электронных явлений переноса в нормальной фазе в соединении УВа^и^ с различным содержанием кислорода. Приведены результаты измерения температурных зависимостей уделыь о сопротивления р(Т), коэффициента термоэдс Б{Т) и коэффициента Холла ДН(Г) нз керамических образцах с контролируемой величиной у, позволившие выявить характерные особенности транспортных свойств и их изменения при варьировании состава по кислороду. Показано, что коэффициент термоэдс является наиболее информативным параметром, в наибольшей степени отражающим свойства материала, а не конкретного образца с его дефектной структурой.

Для объяснешш наблюдаемых особенностей температурных зависшостей р, 5 и Яя используется предположение о малой ширине разрешенной зоны, в к< 'орой располагается уровень Ферш. Под узостью зоны понимается сравнимость ее полуширины ¡7 с величшой ]е0Г. Одно 9то предположение позволило сразу получить главные особенности кривых р(Г) и 5(7} - пропорциональность температуре цервой и слабое изменение или практически постоянство в области высоких температур второй - при условии независимости времени релаксации от температуры. Учет конечной ширин зоны и сопоставление экспериментальных данных с расчетным! кривыми, получешшмп для случая ¥/~к0Т в модели, где функции плотности состояний О(Е) и диф^ренциалвной проводимости о(Е) аппроксимируются прямоугольниками, показали, что характерные проявления узости зоны связаны не с полной, а с эффективной ее шириной, то есть шириной того интервала энергий, который дает

основной вклад в электропроводность. При этом оказывается, что эффективная ширина зоны "по электропроводности" существенно (в 2-3 раза) меньше, чем полная ширина зоны плотности состояний. Хорошее количественное совпадение эсперамзятальных зависимостей Я(Т) с расчетными позволило определить параметры электронной системы - полную ширину зоны и ширину ее проводящей части 21Уа, а таете степень заполнения зоны электронами I для каждого конкретного образца и проследить за их изменением при увеличении дефгщита кислорода. Для составов, близких к УВа^и^, характерны значения о-1 эВ и £>0.5, что соответствует дырочному характеру проводимости. Полученные результаты показывают, что с уменьшением у значения и 57а увеличиваются, при этом относительная доля проводящих состошшй уменьшается. Этот процесс хорош описывается механизмом андерсоновской локализации состояний на краях зоны, вызываемой разупорядочением системы при росте числа вакансий кислорода в решетке. В таком случае величина 2Г/0 характеризует ширму полоса делокализованных состояний. Степень заполнения зоны растет при уменьшении у, причем чем больше дефицит кислорсда, тем выше донорная активность вакансий.

Сравнительный анализ характера изменений зонного спектра и падения значения ?с цри уменьшении у в ¥53201^0^ позволил сделать вывод, что последнее происходит в основном за счет уменьшения плотности состояний на уровне Ферми, происходящего как вследствие расширения зоны, так и за счет смещения уроьня Фер;д1 к ее краю. Полученные результаты показывают, "что на формирование энергетического спектра существенное влияние оказывает взаимодействие цепочек СиО, в которых создается дефицит кислорода, с базальной плоскостью Сц02, осуществляемое, видимо, через мастиковый кислород 0(4). Можно предположить, что изменение позиций кислорода относительно Си(2), сопровождаемое соответствующим изменением мэжслойных расстояний в решетке, оказывает определяющее влияние на Гс, структуру спектра, положение уровня Ферми и электрофизические свойства.

Глава 4. Влияние частичного замещения меди на электрофизические свойства и зонный спектр УВарСи-.0 . В этой

главе исследуются свойств-1 образцов УВа2Си3_дДг,0у, где М=Ре,Со,Ш' и N1. Согласно литературным данным, проводящая зона в УВа^и^О^ формируется за счет перекрытия орбитолей Зй-Си и 2р-0, хотя их вклад в ее формирование и варьируется в рззннх работах от преш.!уществвнно медного до преимущественно кислородного. В связи с этим изучение свойств образцов состава УВа2Си3_2М1.0у с различными замещающими медьЗй-металлами М представляет заметный интерес и может дать дополнительную информант о характере и свойствах проводящей зоны в иттриевш ВТСП. • Проведенное комплексное сравнительное исследование транспортных свойств образцов УВа2Си3_дМ.Е0 показало, что температурные зависимости кинетических коэффициентов в легированном УВа2Си30^ и характер чх изменения с . ростом содержания примесей обладают теми ке особенностями, что и в УБа2Си3Оу с различны!,! содержанием кислорода. Это подтверждает правомерность применения модели узкой зоны для ОПИСЭШ1Я транспортных свойств ВТСП системы У-Ва-Сц-0 а нормальной фазе.

В то ке время, исследованные легирующие примеси существенно различаются по характеру влияния на температурные зависимости ютетических коэффициентов и сверхпроводящие свойства ТВг^Си^^МдОу. Увеличение х в случае легирования Ре и Со приводит к быстрому подавлению сверхпроводимости, росту абсолютных значений р и переход:.- зависимости р(Г) к полупроводниковому характеру в области низких температур при увеличении уровня легирования, существенному возрастании абсолютных значений коэффициентов термоэдс Я и Холла Дд. В противоположность этому, увеличение концентрации Йп или N1 сопровождается достаточно медленным падением величины Тс, сохранением линейности. зависимости р(Т) при любых значениях х во всем диапазоне 7=Тс*ЗООК, слабым изменением абсолютных значений коэффициентов 3 и Л . Анализ экспериментальных кривых 5(г) показал, что наиболее сильное влияние не только на сверхпроводящие и транспортные свойства, но и на параметры электронной систеш оказывают то примеси, которые замещают медь в цепочечных позициях (Ге и Со). Увеличение да содержания приводит к значительному расширению зонн

и одновременно уменьшению относительной доли делокализованных состояний за счет возникновения сильного разупорядочения в решетке, а также к существенному росту степени заполнения зоны электронами. Б то же время, Кп и 111, замещающие медь в позициях Си(2), значительно слабее "влияют на зонные параметры. Анализ характера изменения последних в зависимости от концентрации различных примесей с использованием данных микроскопически исследований позволил сделать вывод о существенном воздействии на параметры зонного спектра и сверхпроводящие свойства УЪ&^Си^Оу состояния кислородной подсистемы, в том числе и цепочечного кислорода. При этом роль меда в плоскостях Си02 оказывается менее важной, по крайней мере, ее частичная замена на Мп или N1 не приводит .к существенному изменению зонных и сверхпроводящих параметров УВа^и^. Совместный анализ зависимостей величин Тс, 2У?0 и г\7а от. уровня легирования позволил предположить, что быстрое падение критической температуры в УВа2Си^_т(Ре,Со);гОу в значительной степени определяется сильным разупорядочением в решетке, возникающим в-эгой системе. Разупорядочениэ и вызываемая им локализация состояний, наряду с другими факторами (преаде всего, изменением степени заполнения вош), оказывают существенное влияние на значение 1С в керамиках системы У-Ва~Си-0.

Кроме того, показано, что достаточно простой способ моделирования функций и а(Е) набором прямоугольников

позволяет достичь удовлетворительного согласия экспериментальных' и расчетных температурных зависимостей коэффициента термоэдс даже в случае малых значений когда на зависимостях £(Т)

появляются дополнительные особенности. Этот способ может использоваться для выявления мелких деталей зонного спектра, в частности, получения более подробной информации о структуре проводящей зош вблизи ее середины.

Глава 5. Зонный спектр РТСП висмутовой системы. В этой главе приведены результаты изучения транспортных свойств и зонного спектра другого класса ВТСП-соэдинениЯ - системы В1(РЬ)-5г-Са-Си-0. Тщательный отбор и комплексный анализ образцов для исследований позволил выделить из их большего набора

одаофазные образцы двух высокотемпературных сверхпроводящих фаз этой системы (2212 и 2223). Результаты, полученные на таких образцах, можно рассматривать как характерные для каждой из фаз и и использовать юс при изучении структура зонного спектра. Показано, что зависимостх р(Т) и Ла(Т) да образцов иттриевой и висмутовой систем подобны, а зависимости 5(Г) при малых значениях характерных для близких к стехиометрическим составов образцов обеих фаз висмутовой система, существенно отличаются. В то :ке время с ростом значений 5300К, происходящим при легировании фаг 2212 неодимом, эти зависимости в образцах В1-Зг-Са-Си-0 постепенно трансформируются и становятся качественно подобными хорошо описываемым в рамках модели узкой зоны зависимостям 3(Т) для системы У-Еа-Си-О. Зто позволяет считать, что данная модель может быть применена для описания транспортных свойств не только иттриевой, ко к висмутовой системы. Особенности температурных зависимостей коэффициента термоэдс в области малых значений 5300К* хаРактергае для однофазных образцов фаз 2213 и 2223 при близких к стехиометрическим составах, могут быть связаны с деталями строения зонного спектра, проявляющимися при близком к половинному заполнении зоны.

Проведенный' анализ показал, что наблюдаемые особенности транспортных свойств образцов висмутовой ситемы могут быть объяснены в рамках модели узкой зоны с учетом незначительной ее асимметрии. Согласно расчетам, полная ширина проводящей зоны в случае висмутовых ВГСП не существенно отличается от значений, полученных для образцов систегш У-Ва-Си-0 различного состава. Степень заполнения зоны для составов, близких к стехиометрическим, меньше 0.5; легирование фазы 2212 неодимом приводит к возрастанию ее значений. При этом в зонном спектре В1-Бг-€а-Си-0 полоса делокализованнкх (проводящих) состояний смещена вниз по шкале энергий относительно середины зоны плотности состояний, и фаза 2223 характеризуется большей степенью асимметрии, чем фаза 2212. Проведенные оценки сирины зоны, обнаруженная взаимосвязь мекду ее увеличением и падением критической температуры, а также характер параметров

электронной системы при отклонениях от стехиометрических составов образцов позволили сделать вывод об общности основных особенностей зонного спектра В' ВГСП иттриевой и висмутовой систем. Анализ литературных данных по транспортным свойствам других ВТСП-соеданений покасывает. что предлагаемая модель мокэт успешно использоваться и для их описания. Тем самым наличие б структуре энергетического спектра узкой проводящей зоны может оказаться особенность», свойственной всем классам оксидных ВТСП, и, возможно, имеющей определяющее значение для реализации механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

Глава б. Влияние типа исследуемого объекта на результаты электрофизических измерений. Метода диагностики ВТСП-мзтериалов. В первом параграфе данной главы проведено сравнительное исследование транспортных свойств монокристаллов, эпитаксиальных _ пленок и керамик УЪ&^Си^Оу. Экспериментально показано, что температурные 'зависимости кинетических коэффициентов (превде всего, коэффициента термоэдс) ВТСЛ-керамик в нормальной фазе как качественно, так и количественно отражают свойстер материала в плоскости аЬ. Это делает использование данных, полученных на керамических образцах различного состава, вполне оправданным и корректным для исследования электронных явлений переноса и выявления особенностей строения зонного спектра ВТСП-материалов.

Во втором к третьем параграфах этой главы проведено изучение влияния макроструктуры керамик на результаты электрофизических измерений в случае двухфазных образцов висмутовой системы. Гранулярность керамик наиболее ярко проявляется при измерениях температурной зависимости магнитной восприимчивости %(?). которая оказывается достаточно информативной и в случае двухфазных образцов, позволяя обнаружить существование Солее низкотемпературной фазы даже в год* случае, когда образуется сплошной кластер из гранул более высокотемпературной фазы, по которому и течет сверхпроводящий ток, что приводит к обращению в нуль измеряемых значений кинетических коэффициентов. Однако, подробный анализ зависимости %(Т)'в этом случае также значительно усложняется и зачастую становятся невозможными однозначные выводи

о содержании различных фаз в образце и их соотношении. Нами был применен комлексннй метод - измерение на большом количестве образцов как электрических (р, Я), так и магнитных (%) свойств, а также рассмотрена основные возможные типы гранулярной структуры двухфазных висмутовых ВТСП-керамик. Полученные результаты показали, что наблюдаемое разнообразие особенностей температурных зависимостей р, г и % длч разных образцов может быть объяснено различиями как в количественных соотношениях долей фаз 2212 и 2223 в них, так и в пространственном распределении этих фаз по объему образца. Установлено однозначное соответствие между типом гранулярной структуры образца и набором зависимостей р(Г), Б{Т) и %{Т) для него, что позволяет на основании этих экспериментальных данных делать качественные вывода о характере пространственного распределения различных фаз по образцу, выявляя наиболее типичные особенности строения керамик.

Последний параграф этой главы посвящен термоэлектрическому методу диагностики качества ВГСП-материалов. Обнаружено, что независимо от способа создания дефицита .кислорода в УВа^и^О существует однозначная зависимость между величиной критической температуры и значением коэффициента териоэде при комнатной температуре. Зависимость 2\,(£>зоок) может использоваться для диагностики образцов УВа^и^, при этом точность в определении ?с составляет ±1.5Кпри ?С=70^90К, постепенно ухудшаясь до ±5К при ГС=20+30К. Для практической реализации данного метода диагностики очень удобным оказывается применение термозонда. Его использование дает возможность определять не только среднее значение критической температуры, но и топологию его распределения, выявляя участки локального повшения (понижения) 2"си оценивая тем самым степень однородности тестируемого объекта без необходимости его охлаждения. При этом размеры и Зорка последнего не имеют значения, нет необходимости и в какой-либо обработке его поверхности, что позволяет применять предлагаемый метод для неразрушаюшего контроля не только исследуемых в научных целях образцов, но и готовых изделий из материала УВа2С1ьО(). В случае стандартной гермовакуумной обработки, которая чэде всего

-1(5-

используется при изготовлении УВа^и^О^, помимо !ГС ) может быть определено так?,® содержание кислорода и его разброс по образцу. Для системы Ы-Бг-Са-Си-О та ке методика может, применяться для предварительной отбраковки образцов, позволяя выделять те из них, которые .заведомо не обладают Гс>60-5-80Х. Предлагаемый способ неразрушааацего локального экспресс-контроля монет найти применение среда изготовителей изделий из материала-УВа^и^О на стадии выходного контроля качества.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

В Приложении приведен подробный анализ особенностей электронного транспорта в узких зонах. При этом требование на узость зоны последовательно ослабляется от Ш«к0Т до что

позволило, не только выделить главные особенности транспортных свойств, вызв. лнае сужением зонного спектра, но и проследить за влиянием более кзлких деталей последнего (например, незначительной асимметрии проводящей зоны) на поведение кинетических коэффициентов. Задавшись простейшим видом функций плотности состояний и дифференциальной проводимости, мы смогли получить аналитические выражения для зависимостей р(Г), р(Г), 5(Г)-и ЛН(Г), которые используются в основной части .работы при анализе общих закономерностей транспортных свойств в различных классах ВТСП-соеданений, а такяе при , построении расчетных температурных зависимостей кинетических коайздиетов и определении из .их сравнения с экспериментальными данными параметров зонного спектра для каждого из конкретных образцов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведено ^оглшексное исследование электронных явлений переноса в нормальной фазе в ВТСП-соеданениях УВа^и^ и В1(РЪ)-5ггСа-0ц-0. Получете широкого набора надежных экспериментальных данных для образцов различного состава позволило вцдэлить как общие' закономерности поведения кинетических коэффициентов, так и их специфические особенности.

проявляющиеся при отклонениях от стехиометрических составов, достигаемых различными способами.

2. Показано, что все наблюдаемые экспериментально особенности температурных зависимостей кинетических коэффициентов в система Y-Ba-Cu-О могут быть объя юны в рамках модели узкой зоны. Ширина этой зоны составляет величину поряжа 10-1эВ, а степень ее заполнения электронами J>0.5.

3. Установлено, что характерные проявления узости зоны и ее влияния на температурные зависимости уровня химического, потенциала и кинетических коэффициентов связаны с шириной того интервала энергий, который дает основной вклад в число состояний или электропроводность, соответственно. Эффективная ширина зоны "по электропроводности" существенно (в 2-3 раза) меньше, чем полная ширина зон- плотности состояний. Это может быть связано как с различным характером энергетических зависимостей функций плотности состояний и дифференциальной проводимости, особенно на краях зоны, так и с реализацией механизма андерсоновской локализащш состояний, вызванной разупорядочением системы. Полученные результаты позволяют сделать вывод об определяющем влиянии последнего.

4. Получение большого набора экспериментальных данных для образцов система Y-Ba-Cu-О различного состава (с варьируемым содержанием кислорода или легированных различными Зй-металлами) позволило проанализировать характер изменения параметров электронной систеш. Отклонения от стехиометрического состава УБа2Си307 по кислороду, а также легирование Зй-металлами приводят к росту значений F, расшрзкпю проводящей зоны и, одновременно, уменьшению относительной доли де локализованных (проводящих) состояний, которое происходит за счет локализации после два на краях зоны вследствие ■ роста степени разупорядочеьия систем;. Анализ получегашх результатов показывает, что разупсрядочение и вызываемая им локализация состояний, наряду с другими факторами (презде всего, изменением степени зглолнелия зоны электронам) оказывают определяющее влияние на значение ? .

5. Сравнительный анализ происходя;];!?, при- легит.овчкпи

различными ЗЗ-металлами или увеличении числа вакансий кислорода в 1Ва2Си30у изменений критической температуры , с одной стороны, и энергетических размеров зоны и степени ее заполнения - с другой,с привлечением данных микроскопических исследований позволяет заключить, что существенное воздействие на формирование энергетического спектра,а также сверхпроводящие и транспортныь свойства в этрм соединении оказывает состояние кислородной подсистемы,.прежде всего, рост дефицита и степени разупорядочения цепочечного кислорода. При этом роль меди в плоскостях Си02 оказывается менее вакной, по крайней мере, ее частичная замена на Мп или N1 не приводит к существенному изменению зонных и сверхпроводящих параметров УВа^Си^О^.

6. Показано, что, несмотря на ряд особенностей в поведении кинетических коэффициентов в сверхпроводниках системы, В1(РЬ)-Зг-Са- Ои-О, их температурные зависимости могут быть описаны в рамках модели узкой зоны с учетом незначительной асимметрии последней. При этом оказывается, что как для высокотемпературной, так и для низкотемпературной сверхпроводящих фаз этой системы при близких к стехиометрическим составах характерны значения Р<0.5 и смещение в зонном спектре полосы делокализованных состояний вниз по шкале энергий относительно середины зоны плотности состояний.

7. Оценки ширины зоны, взаимосвязь между ее увеличением и уменьшением значения критической температуры, а также характер изменения параметров электронной системы при отклонениях от стехиометрических составов и легировании свидетельствуют об общности основных особенностей зонного спектра в ВТСП иттриевой и висмутовой систем. Анализ литературных данных по транспортным свойствам других ВТСП-соединений показывает, что предлагаемая модель может успешно использоваться и для их описания. Тем самым наличие в структуре энергетического спектра узкой проводящей зоны может оказаться особенностью, свойственной всем классам оксидных ВТСП, и, возмокно, имеадей определяющее значение для реализации механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

8. Экспериментально показано, что температурные зависимости

кинетических коэффициентов (превдэ всего, коэффициента термоэдс) ВТСП-керамик в нормальной фазе отражают свойства материала в плоскости аЬ. Это делает использование данных, полученных на керамических образцах различного состава, вполне оправданным й корректным для исследования элентронных явлений переноса и выявления особенностей строения зонного спектра ВТСП-матвриалов.

9. Исследование большого набора керамических образцов система В1 (РЬ)-Зг-Са-Си-0 различного состава показало, что сущбс1?вувт четкая корреляция между температурными зависимостями удельного сопротивления, коэффициента термоэдс и магнитной восприимчивости^ с одной стороны, и типом гранулярной структуры образца - с другой. Совместный анализ зависимостей р(Г), БСГ) и позволяет не только фиксировать наличие различных сверхпроводящих фаз в исследуемом образце, но и определять характер их ггоостранственного распределения,' выявляя наиболее типичные особенности строения керамик.

10. Установлено однозначное соответствие между значейиём коэффициента термоэдс при комнатной температуре и величиной Тс в образцах УВа2Са)0^ с различным содержанием кислорода. Использование термоэлектрического метода локальной экспресс-диагностики позволяет не только оценить среднее значение Тс, а в большинстве случаев и содержание кислорода, в образце без его охлаждения, но и определить топологию их распределения. Метод может применяться для керазрушавдего контроля образцов любых размеров и формы, в том числе и готовых изделий на стадии выходного контроля. В случае висмутовой системы по той же методике может проводиться предварительная отбраковка образцов, заведомо не обладающих Т„>60-*80Х.

С/

Основные результата диссертации опубликованы в следующих работах:

1.В.Э.Гасумянц. С.А.Казьмин, В.И.Кайданов, В.И.Смирнов, В.А.Цели-щев, А.И.Чурсинов. Кинетические явления в высокотемпературных сверхпроводящих керамиках при Тезисы докл. XXV Всесокззн.

совещ. по физике низких температур, Ленинград, 1983, ч. 1,

с. 96-97.

2.Ю.М.Байков, В.Э.Гасумянц, С.А.Казьмин, В.И.Кайданов, В.И.Смирнов, В.А.Целищев. Коэффициент термоэдс в образцах YBagCu^O,^ с различным содержанием кислорода.- СФХТ. 3(1990), Je 2, с.254-257.

3.В.Э.Гасумянц, С.¿.Казьмин, В.И.Кайданов. Электронные явления переноса и зонная структура высокотемпературных сверхпроводников в нормальной фазе.- Тезисы докл. I конф. МИФИ по высокотемпературной сверхпроводимости, Москва. 1990, с.83. ¿.В.Э.Гасумянц, С.А.Казьмин. В.И.Кайданов, С.Э.Хабаров. Влияние легирования железом на электрофизические свойства и электронный спектр УВа^Си^дТОрО^.- Гам же, с. 107-108.

5.0.И.Ольшевский, Ю.А.Полонский, Е.Л.Сейсян, А.Ф.Тихомиров, В.Э.Гасумянц. Композиционный материал на основе органического диэлектрика и высокотемпературного сверхпроводника.- Тезисы докл. Всесоюзн. конф. по электронике органических материалов, Домбай, 1990, с.132-133^

6.Yu.M.Ballcov, F.A.CtiudnovSivli, S.K.Filatov, V.A.Berstoln, Y.M.Egorov, V.E.Gasun'yanz, tt.G.Gorska^, S.A.Kazmin, E.K.Shalko-va, S.b.Sh.oMior, Yu.P.Stepanov. The possibility of conservation ol YBa2Cu30y 90K~superconductlvlty under oxygen extraction by hydrogen.- Proc. of the third German-Soviet bllaterlal seminar on high-temperature superconductivity, Karlsruhe, 1990, p.641-647.

7.В.Э.Гасумянц. С.А.Казьмин, В.И.Кайданов, С.Н.Лыков, В.А.Поляков, С.Э.Хабаров. О возможности определения особенностей гранулярной структуры висмутовых ВТСП-керамик по их электрическим и магнитным свойствам.- СФХТ, 3(1991), с.566-593.

8.Н.В.Агеев, В.Э.Гасумянц, С.А.Казьмин, В.И.Кайданов, С.Э.Хабаров. О зонной структуре однофазных ВТСП-керамик на основе висмута. Тезисы докл. III Всесоюзн. сочещ. по высокотемпературной сверхпроводимости, Харьков, 1991, Г.1, с. 12!-.122.

9.О.И.Ольшевский, Ю. А. Полонский, Е.Л.Сейсян, А.Ф.Тихомиров, В.Э.Гасумянц. Исследование композиционных материалов на основе фторсодержащих полимеров со сверхпроводящим наполнителем.- СФХТ, 4(1991), с.806-808.

10.В.Э.Гасумянц, С.А.Казьмин, В.И.Кайданов, В.И.Смирнов, Ю.М.Бай-

ков, Ю.П.Степанов. Влияние дефицита кислорода на электрические свойства нормальной фазы, параметры решетки и критическую температуру YBagClbjCy- ОФХГ, 4(1991), C.1280-1299. 11 .Н.В.Агеев, В.Э.Гасумянц, С.Д.Казьмкн, В.И.Найданов, С.Э.Хабаров. О зонной структуре однофазных ВТСП-кврамж на основе висмута.- <ЙГГ, 17(1991), с.1434-1435.

12.В.З.Гасумянц, С.А.Казьмин, В.й.кайданов, Е.В.Владимирская. Влияние замещения Си н электрофизические свойства и зонную структуру "ffiagCu^^Fe^ (M=Fe,Ifa).- СФХТ. 5(1992), М. 13.,г,1.М.Ва1коу, F.A.Chudnovslry V.Yu.Davydov, B.Sh.Elkln, V.E.Ga-sumyanta, V.I.Kaidanov, S.A.Kazmlri, M.V.Belousov. Anisotropy pro-rertles оt YBagCu^O^ epitaxy illms <y=6.3-6.9). Raman scattering. Transport phenomena. Proc. of the fourth German-Soviet bllaterial seminar on high-temperature superconductivity, St.Petersburg, 1991, p.522-525.

' .В.Э.Гэсумяиц, С.А.Казьмин, В.И.Кайданов. Способ сценки критической температуря сверхпроводящего перехода керамик YBa2Cu3Q7_Q. Заявка на изобр. J6 4756339/25. Положит, реш. от 25.09.90.

РТП ПИ®,зак.430,гир.100,уч.-изд.л,0,9; 27/У-1992г. Бесплатно