Исследование ВТСП монокристаллов Y-Ba-Cu-O эмиссионными методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

УРАЛЬСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТгаШЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ -УРАЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РГ6 ол

г 2 "М В05

Не правах рукописи УДК .533

ИВАНОВ СТЕПАН НЕСТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВТСП Ш1ШРЙСТШ03 У-Ва-Си О ЭМИССИОННЫМИ МЕТОДАМИ

01.04.04 - физическая элвктрояяка, в том чнслэ кввнтоввя

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискания ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 1995

ЬыОота выполнена в отделе физической электроники Института электрофизики УрО РАН

Научные руководители: академик РАН, профессор Г.А. Месяц кандидат физ.-мат. наук, ствраиЛ научный сотрудник С.И. Вкуратов

Официальные оппоненты:

дрктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник И. В. Медведев кандидат физ.-мат. наук, стерший научный сотрудник В.Н. Скоков Ьедущчя организация: Институт физики металлов УрО РАН,

г. Екатеринбург

Защита состоятся 1995 г. в часов в

аудитории II на заседании диссертационного совета Д063.14.06 по защите докторских диссертаций ори Уральской государственном■ технической университете - Уральском политехнической институте по адресу: (¿0002 Екатеринбург, К-2, УГТУ-УПИ.

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

Ааторофв{1ат разослан № 1995

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, канд. физ.-иат. наук

Г.И. Пнлиценко

\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Актуальность работы. Важность работ по изучению электржного строения и эмиссионных свойств высокотемпературных оксидам монокрисгалляческих сверхпроводников (ВТСП) методами по лево Л электронной эмиссионной микроскопии и спектроскопии обусловлена следующими причинами:

Во-первых, изучение ВТСП материалов полэвыми эмиссионными методами позволит составить более полное представление об электронном строении новых матерлалоо, внесет вклад в общую физическую картину высокотемпературной сверхпроводимости. ВТСП - достаточно слодашй объект исследования для методов, в которых состояние поверхности является определяющим. Это свнзопо с относительной нестойкостью новых материалов, приводящей к быстрой потере кислорода в приповерхностном слое в условиях вакуума, и, следовательно, и изменению физических свойств. Кроме того, такие' традлниеппо применяемые методы получения чистой поверхности, как высокотемпературный прогрев в вакууме, ионная или электронная бомбардировка и другие в случав ВТСП ведут к необратимым изменениям материала и потере сверхпроводящих свойств. Сложность получения чистой, отражающей свойства объема, поверхности при проведении экспериментов с новыми материалами привели к разногласиям мевду различными группами исследователей. Одним ип способов получения чистой поверхности ВТСП материалов является очистка полевым испарением в сверхвысоком вакууме. Применение методов полевой конной микроскопия (НИМ), полевой электронной эмиссионной микроскопии (ПЭЭМ) и полевой электронной эмиссионной спектроскопии (ПЭЭО) позволит изучить электронное строение и

-3-

эмиссионные свойства ВТСП материалов с этомногладкой и чистой поверхностью в непосредственной взаимосвязи с их реальной кристаллической структурой без какого - либо термического, радиационного юм химического воздействия на материал. Во-вторых, возможное применение ВТСП материалов в технике требует знания их эмиссионных характеристик.

Цель работы. Исследование электронного строения и эмиссионных свойств ВТСП монокристаллов УВа2Си3Ог_х с различной стехиометрией по кислороду в широком температурном диапазоне полевыми эмиссионными методами.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем :

1. Разработаны оригинальная установка и методика эксперимента, позволяющие методами палевой электронной эмиссионной микроскопии и спектроскопии исследовать материалы с атомногладкой, очищенной полевым испарением поверхность» в непосредственной взаимосвязи с их реальной атомной структурой, исключая термическое, радиационное или химическое воздействие на образец-эмиттер.

2. Предложен метод приготовления образцов-эмиттеров с радиусами закругления вершины 10 - 100 нм из монокристаллов системы ВВа2Си301?_х (где И - редкоземельный элемент) для исследования методами долевой эмиссионной микроскопии и полевой электронной эмиссионной спектроскопии.

3. Исследованы методами полевой электронной эмиссионной микроскошпга и спектроскопии УВарСи30у_к монокристаллы с различной стехиометрией по кислороду при разных температурах. Показано, что

—4-

полевая'электронная эмиссия сверхпроводящих YBa2Cu30fi 9 материалов имеет схожие черты с полевой электронной эмиссией металлов. Несверхпроводящие УВа2Си3061 монокристаллы обладает полупроводниковыми свойствами.

4. Впервые показано, что с повышением высокого напряжения Си. соответственно, напряженности электрического поля на поверхности образца-острия) • электронные спектры YBa2Ci'3ar_x шнокристаллических эмиттеров сдвигаются по шкале энергий. Предложен метод определения концентрации электронов проводимости в объема ВТСП материалов по смещению положения уровня 0.67 Ферми края электроппого спектра' на вашле энергий под действием электрического поля. Отделена копцеятра»тя электронов проводимости в объеме YBagCiijOg g монокристаллов при температуре выше Тс : п а (2 + 4) 102' см""3. Показано, что концентрация электронов проводимости не меняется в диапазоне температур 115 - 300 К.

5. Определена работа выхода кристаллографического направления (1001 Ф^ Q0 и 30НЫ 100,1 ¿etf ГОа2Си306 д монокристаллов методом полевой электронной эмиссионной микроскопии: = 5.5 6.1 эВ и

6. Впервые методом полевой электронной эмиссионной спектроскопии зарегистрирована сверхпроводящая энергетическая щпль и определена ширина энергетической сверщюводялей щели кристаллографического направления И 00! YU^Ciyjg^ монокристаллов с атомночистой поверхностью, измеренная при Т5 К: гл (75 К) = 46 ♦ 52 мэв. ■

7. Предложена методика определения уровня Ферми полевого электронного эмиссионного спектрометра.

-5-

8. Определена величина квазистационарной предельной плотности эмиссионного тока, приводящего к ' необратимой •трансформации электронной структуры УВг^СидО^ монокристаллов субмикронных размеров: 3 а (2 + 6) х 104 А/см2

Положения, выносимые на защиту:

1. Разрзботана и создана ■ оригинальная ' установка, а такие методика эксперимента, позволяющие методами полевой электронной эмиссионной микроскопии и спектроскопии исследовать а томно гладкую очищенную полевнм испарением поверхность материалов.

2. Методом полевой электронной эмиссионной спектроскопии зарегистрирована энергетическая сверхпроводящая щель кристаллографического" направления [1003 УВа2Сид06 д монокристаллов и определена ее ширина, измеренная при 75К.

3. Показано, что полевая электронная эмиссия УВа^Си^О^ 9 монокристаллов имеет схожие черты с ползвой электронной эмиссией металлов.

4. Определена методом полевой электронной эмиссионной спектроскопии концентрация электронов проводимости в объеме УВа^Си^ д монокристаллов.

-5. Определена работа выхода кристаллографического

направления [1001 и зоны 10011 УВа^ЦдО^д монокристаллов.

6. Определена величина предельной плотности эмиссионного тока УВа2Си306 д монокристаллических острийннх катодов, измеренная в квазистационарном режиме.

Практическое значение.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные

-б-

результат« являются вашими данными для формирования представлений об элеетрсппюм строении ir эмиссионных свойствах ВТСП материалом.

Экспериментально установленные значения предельных плотностей тока ВТСП острнйных катодов и работы выхода могут быть важны дпя практических приложений, в ' чвствости, в микроэлектрознтег!. Определенные в работе предельные плотности тока, нриполяитп к необратимому изменению электронцрй структуры YHa^Ou^O.^, более чпм в 1Ю раз вижз предельных плотностей тока металлических мгасроостриЛ.

Следует подчеркнуть, что использование экспериментальной установки и методики эксперимента, предложенных к липсертдцноячой работе, позволяет изучать полевыми эмиссионными методами пе только ВТСП материалы, но и тугоплавкие и легкоплавкие металлн, сплавы и сложные химичесюю соединения без термического, радиационного или химического воздействия на материал. Применение прибора может дать ценную информацию об электронных и эмиссионных свойствах новых классов материалов, мало изученных метод aim ПЭЭМ и ПЭЭС.

Апробация работи: Основные результаты работы докладывались на семинарах ИЭФ УрО PAíf, VIII Всес. ' спмп. по сильноточной электропике (Свердловск, 1990), на 37 мстзд. 'спил. по полевой эмиссии (Albuquerque, New Mexico, USA, 199Ü), на 14 мвад. сими, по изоляции и разряду в вакууме (Santa Fe. USA, 1990), яя 30 mi>кд. симп. по полевой эмиссии (Vienna, Austrio, 1991), па IX Симп. по сильноточной электронике (Россия, 199?), на 16 мажд. спмшюре по физике поверхности (Kudowa. Poland. 1992), па 40 меад. итмн. по полетай эмиссии (Ыакоуа, Japan, 1995). на 41 мевд. сини, по полевой эмиссии (Rou^ri, Ггапго, 1994), на ХХГГ к'жфлр^ннич по

-7-

эмиссионной электронике (Москва, Россия, 1994), на 16 меасд. сиып. по изоляции и разряду в вакууме (Hoscow - St. Petersburg, Russia, 1994).

Публикации: Основные результаты диссертационной работы изложены в 10-и статьях и 13-и тезисах докладов.

Структура и объем диссертационной работы: Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Основных выводов и Примечания. Работа содержит 190 страниц текста, включает 59 рисунков и список литературы из 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во "ВВЕДШИМ" обсуждается актуальность темы, формулируются задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, дается краткоо содержание диссертации.

В первой главе - "ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ" представлен краткий обзор опубликованных работ, выполненных методами полевой эмиссионной микроскопии и спектроскопии, по исследованию атомной структуры, «электронного строения и эмиссионных свойств высокотемпературных оксидных сверхпроводников системы RBagCu^ü^ (где R -редкоземельный элемент) и опубликованных до 1988 года, т.е. до начала исследований, представленных в настоящей диссертации. Отмечается, что объектами исследований в этих работах являются ÜTCI1 поликристаллы (керамики). В связи с тем, что для прикладных 4 научных целей наиболее перспективными считаются

1сонокристадлмческие BTCU, делается вывод о необходимости

-а-

исследования электронной структур« и эмиссионных свойств В'ГСП монокристаллов нолевыми эмиссионными методами. Работы, выполненные параллельно с представленной диссертацией и опубликованные после 1988 года рассматриваются во второй - пятой главах и их результаты сравниваются с полученными в настоящей работе.

В первой главе -также изложены совремещше представления о " строении кристаллической решетки ЙВг^СидО^.^ с различным содержанием кислорода.

В разделе "ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ" на основании обзора литературы формулируются задачи диссертационной работы.

Вторая глава - "МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА" - посвящена описанию экспериментальной техники и методики проведения экспериментов. Применение полевого испарения для получения чистой поверхности со свойствами, отражающими свойства объема материала, потребовало создания новой экспериментальной базы и методики проведения эксперимента для изучения ВТСП полевыми эмиссионными методами.

В настоящей диссертационной работе представлена специально сконструированная и изготовленная экспериментальная установка; представляющая собой комбинацию полевого электронного эмиссионного спектрометра с полевым ионным и полевым электррнннм эмиссионным микроскопами и позволяющая методами ПЭЭМ и .ПЭЭС ивучать электронное строение и эмиссионные свойства ВТСП материалов с атомпогладкой, очищенной полевым испарением поверхностью в диапазоне температур от- 75 К до 300 К в непосредственной взаимосвязи с их реальной кристаллической структурой, получаемой с атомным разрешением. Атомногладкая поверхность острий-эмиттера

_9_

готовитch in situ полевого ионного микроскопа путам контролируемого полевого испарения атомов материала с наиболее выступающих мест на вершине. Атомаочистая поверхность- эмиттера получается за счет очистки нолевым испарением в условиях сверхвысокого вакуума непосредственно перед каздым измерением методами ПЭЭЫ и ПЭЭС. Это исключает термическое, радиационное или химическое воздействие на материал образца. Комбинация 1Ш-11ЭЭ1И1ЭЭС в рамках одной экспериментальной установки осуществлена впервые. В установке применен спектрометр дисперсионного типа. Подавая на образец-эмиттер напряжение смещения, моэкно плавно изменять энергии настройки дисперсионного элемента и на выходе анализатора без дополнительной обработки получить кривую распределения автоэлектронов по полным энергиям. Разрешение анализатора по эпергии составляет 30 мэВ. Разрешение по напряжению смещения - 2.5 мэВ. Два установки образца : сшрхшсоковакуумную камеру (рабочий вакуум порядка 10"^ Topp] использовано шлюзовое устройство, что позволяет проводить замен} d.*i[ä'ii;ob без развакууыирования основной камера и последующей прогрева установки. Эксперимент автоматизирован с подать; персонального компьютера.

bo второй главе также описывается методика эксперимента га лзучеллго iiTCfl материалов полевыми эмиссионными методами. Методик. э;ишериыент& к установка, продложешше в диссертационной работе первоначально были ашробованы па вольфраме, как наиболее : настоящее время исследованном нолевыми эмиссионными методам металле, что позволяло аттестовать их и провести сравнителыш ыилиз наученных результатов с литературными данными.

В представленной работе изучались совершенные монокристалл

1U-

металлоксидных сверхпроводников УВа^СиуО.^ с различной стехиометрией по кислороду (сверхпроводящий состав с х = 0.1 и температурой сверхпроводящего перехода Тс = 92 * 0.1 К и лесверхироЕзодящий - с х = 0.9). Монокристаллы изготавливались методом раствор в расплаве и арестовывались в лаборатории магнитных полупроводников ИФМ УрО РАН. Исследование ВТСП монокристаллов УВ'^Сц-}07_х полевыми эмиссионными методами связано с. приготовлением образцов-эмиттеров с радиусом закругления вершины порядка 10-100 нм и углом раствора конуса острийной части не более 2-5 градусов. В данной диссертационной работе был разработан аовий метод приготовления эмиттеров из ВТСП монокристаллов - метод срипаивания (в двух модификациях), обеспечивающий низкоомвый мэлошумящнй контакт ВТСП-подложка. Применение предложенного метода препарации острийшх образцов позволило получить стабильные, и воспроизводимые полевые электронные спектры с очищенной 'полевым испарением поверхности В'ГСП монокристаллоя.

Третья глава - "НОЛЕВАЯ ЭМИССИОННАЯ. МИКРОСКОПИЯ И СПЕКТРОСКОПИЯ МЬТАЛЛОКСИДНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ УВагСиз06 д" -содержит результаты исследований электронной структуры и эмиссионных свойств сверхпроводящих В'ГСП монокристаллов УВа£;Си306>д, в!шолнетшх-комбинированным методом ПИМ-ГОоМ-ПЭЭС. Эксперименты проводились при температурах 75 К, Г. 5 К и 300 К.

Первым этапом эксперимента является получение атомно-гладкой

поверхности эмигтера и ее визуализация с атомным разрешением и

режиме полевого хонпс-го микроскопа. ПИМ позволяет точно

откалибровать напряженность электрического поля у поверхности

образца но напряжению наилучшего изображения ионной шшрокартики

о

1Поле наилучшего изображении ыолекулярасго азота 2.26 В/А).

-11-

После фоторегистрации полевой ионной микрокартины изображающий газ откачивается до давления 10~'° Topp и производится очистка поверхности эмиттера полевым испарением. Делается это следующим образом: к образцу кратковременно прикладывается' напряжение на' песколько процентов превышающее напряжение испарения атомов материала, определенного в ГШ, в результате получается атоыногладкая и атомно-чистая поверхность. Проводить очистку поверхности полевым испарением можно в диапазоне температур от криогенных до компатной.

Следующим этапом исследований являлась полевая электронная

эмиссионная микроскопия В1Ш образца. Поверхность эмиттера

очищалась полевым испарением непосредственно перед каждым

измерением. О результате было исследовано распределение

эмиссионного тока с атомногладкой, очищенной полевым испарением

о

вершины образца с пространственным разрешением порядка 20 + 3U А.

В случае характерного полосчатого ионного контраста, демонстрирующего слоистую структуру. ВТС11 (зона (001)), нолевая электронная эмиссионная микрокартпна была практически однородна. То ест;., работа выхода однородпо распределена по поверхности. Как и в случае металлов, вольт-амперные характеристики эмиссионного тока (ВАХ) в координатах Фаулера-Нордгейма (ФИ) представляли собой прямые линии. Работа выхода дони (001), рпределенная из ВАХ в координатах ФИ, равняется 4>ßfi = 6.6 + 7.4 эВ.

На некоторых нолевых ионных изображениях проявляется цепочка граней главной зонной линии i 1001. Сопоставление полевых ионных и шлзшх зле ктрошшх эмиссионных микрокэртин поверхности |(окаьываот, что грани главной полной линии являются цептрами повышенной эмиссии. Работа иихода зоны повышенной эмиссии

-12-

равняется = 5.5 ♦ 6.1 эВ.

Эксперименты, проведенные при температурах 300 К и 115 К, цоказали, что охлаждение образцов практически не изменяет формы и площади ПЭЭМ изображения при одинаковах значениях высокого напряжения, приложенного к образцу. Величина эмиссионного тока также не изменяется при охлаждении. Это характерно металлическое поведение материала.

Следующим этапом эксперимента была полевая электронная эмиссионная спектроскопия YBa^Cu^Og 9 образцов. При измерении полевых электронных спектров зондирующее отверстие спектрометра настраивалось в центр области повышенной электронной эмиссии и вырезало поток электронов, эмиттируицих с участка диаметром 2-3 пм на поверхности образца-эмиттера. Люминофор, нанесенный на апод спсктрометра(, позволял контролировать полевое электропное эмиссионное изображение ВТСП образца во время спектроскопических измерений. Эмиссионный ток с острия при измерении электронных спектров составлял Ю-11 + А.

Полевой электронный спектр отражает плотность заполненных состояний и для обычных металлов он имеет резкий обрыв при. энергии, отвечающей тупнелировашш электронов а уровня Ферми Ер (Ферми край спектра). Электронные спектры YBa-jCOjO^ g монокристалла отогретого от 115 Ii до 30U К показали отсутствие сигнала на развертке по энергиям в районе 1 эВ от уровня Ферми Ер, что обусловлено, очевидно, уходом кислорода из поверхностпого слоя, приведшим к трансфо^ации материала поверхностного слоя в полупроводник или диэлектрик. Нолвион испарение нескольких десятков атомных слоев материала в г.акууме 10~1t) Topp при температуре 300 К привело к появлнниш четко выраженного Форми края

-13-

электронных спектров. Как показывают эксперименты, уже через три минуты после очистки происходит некоторое уменьшение амплитуды и затягивание Ферми края спектра, а дальнейшая выдержка образца в вакууме ведет к полному его исчезновению. Это говорит о том, что очистку поверхности СТОП эмиттеров., полевым испарением во время эксперимента нужно проводить периодически и пе реже чем раз в две минуты;

Бали измерены электронные спектры YBa2Cu30g_g при температурах: 3U0 К к 115 К при одинаковом уровне приложенного к образцу папряжеыш. При изменении температуры образца механическая юстировка системы эмиттер-спектрометр оставалась

неизменной. Таким образом па поверхности образца-острия

! \

зондировалась одна и та же область. ' Для каждого исследуемого образца термоциклированив (115 К и 300 К) проводилось по 2-3 раза. При этом результаты полевых эмиссионных измаропий были стабильны и воспроизводимы. Эксперименты показывают, что охлаждение образца ведет к росту интенсивности подъема Ферми края электронного спектра. Это типично металлическое поведение маториала. Оценки, сделанные на основе модели свободных электронов, дают изменение температуры острия но изменении интенсивности подъема Форми края спектра пркмерпо 120 -'100 К. В то же время необходимо отмстить, чч о интенсивность подъема Фарш крап спектра YBa^Cu^ g шпьвю, чем в случае вольфрамового образца при тех же температурах.

Электронные спектры ВТСП монокристалла при различных значениях высокого напряжения, приложенного к образцу, а, следовательно, и различной напряженности электрического поля на поверхности образца сдвигаются но шкале энергий относительно уровни С«рью вольфрамового образца. Это явление обнаружено

14-

впервые и пе ивОлвдаотся а случае вольфрамового эмиттера. Сдвиг спектров может бить объяснен проникновением электрического поля в приповерхностную область образца вследствие низкой концентрации носителей заряда. Поскольку полевые эмиссионные эксперименты показали, что эмиссия из МШ монокристаллов, обладающих свойством сверхпроводимости, имеет схожие черты с полевой эмиссией металлов, но в тове время наблюдается нехарактерное для вольфрама смещение электронных спектров по шкале энергий, возникает вопрос - могут ли электронные спектри YBagCUgOg g описываться в рамках модели свободных электронов?

Расчеты, сделанные па основе модели свободных электронов для металла, показали, что Бр находится ив високоэпвргетпчном 1фае электронного спектра в 33% от максимума и является точкой пересечения Ферми кроев спектров, изморенных при различной тсмпвратуро, Анализ экспериментальных результатов показывает, что точка пересечения Ферми краев электронных спетроо YBa2Cu30& g , полученных при температурах 300 1С и 115 !С, составляет 0.67 ± 0.14 от максимума спектра. Необходимо отметить, что как п случав металла, тек и в случав ВТСП соложение Ер относительно максимума спектра сохраняется при иэмапотш величины электрического поля. Таким образом, нв основании проведенных, измерений можно сделать вывод о том, что положение уровня Форми сглаженной и очищенпой иолйшш испарением плоскости (100) YBajCUßOg g монокристалла относительно максимума полевого электронного спектра находится в удовлетворительном согласии с расчетами m основе модели свободных электронов.

Прилокояное к образцу злектрическое поло вызывает изменение энергии электронов в приповерхностном слое. Если использовать

-15-

приближение Томаса-Ферми дла описания процесса экранировки электрического поля, то смещение электронного спектра по шкале энергий носит линейный характер. Экспериментально полученная зависимость смещения спектров от анодного напряжения также линейна. Это дает основание использовать модель свободных электронов с учетом проникновения электрического поля в приповерхностную область образца при анализе процессов эмиссии из ИТС11 материалов.

Концентрацию электронов проводимости в объеме материала п можно определить по формуле:

а?, AF6

п = _J>- , (1)

64 ÄR6

где ь¥ - изменение напряженности электрического поля у поверхности образца; ¿R - изменение энергии электронов проводимости в ирииоверхностноы слое материала, вызванное изменением напряженности электрического ноля у поверхности образца. Изменение энергии электронов в приповерхностном слое дй есть сдвиг уровня 0.67 Ферми края электронного спектра на шкале энергий при изменении электрического иоля па величину AF. Расчет дает значение концентрация электронов проводимости п * (2 + 4) х 1021 см"3.

Эксперименты показывают, что охлявдеййе ВТСП образцов ведет к росту интенсивности Ферми края спектра, но не изменяет положения электронных спектров на шкале энергий. Это позволяет сделать вывод о том, что концентрация электронов проводимости в объеме сверхпроводящих моиокристаллов не изменяется при охлаждении образца от 300 К до 115 К. Тот факт, что охлаадение не вызывает уменьшения размера полевых аяентроити эмиссионных изображений и

16-

величины эмиссионного тока, подтверждает этот вывод.

Проведенные исследования показывают, что положение ллвктрошюх спектров на шкало энергий зависит от средней работы выхода материалов катодного узла прибора. Это било обнаружено при анализе спектров вольфрама, полученных до и после изменения конструкции катодного узла. Для полного и правильного описания электронных спектров необходимо знать их положение на шкале энергий в отсутствии проникновения внешнего электрического поля в приповерхностную область образца (случай пулевого поля). Это положение определяется уровнем Ферми прибора. Для его определения били проведены модельные эксперименты. В качестве модельного материала был выбран 1г, как металл с работой выхода паиболее близкой к ВТСП.

1г эмиттеры готовились по методу припаивапия, чтобы условия эксперимента были идентичны условиям эксперимента с, ВТСП монокристаллами. Был проведен полный цикл исследований 1г образца методами ПИМ-ПЭЭМ-ПЭЭС. По полученной зависимости смещения положения уровня 0.67 Ферми края спектра 1г от анодного напряжения был определен уровень Ферми спектрометра по формуле:

= 6К2 ~ 2п1/6 = 4-?83 зВ <2>

где Р^ = 0. В результате достигнуто хорошее совпадении экспериментальных и рассчитанных па основе модели свободных электронов с учетом проникновения электрического поля и приповерхностную область В'ГШ образца электронных снекгров.

Одним из главных результатов диссертационной работы являотол определение ширины сверхпроводящей энергетической щели УВа^СицО^ д

-17-

монокристалла методом колевой электронной эмиссионной спектроскопии. Небольшой размер цели в случае классических сверхпроводников и конечное разрешение по энергии существующих конструкций спектрометров до сих пор не позволяли наблюдать сверхпроводящую энергетическую щель на экспериментальных спектрах эмитгеров, находящихся в сверхпроводящем состоянии. В 1ф»)Дстаапаиной работе впервые методом полевой электронной эмиссионной спектроскопии зарегистрирована сверхпроводящая :iHepiетическая щель. 11а электронных спектрах с очищенной полевым испарением плоскости (100) YBagCu^Og у монокристаллического эмиттера,- измеренных при температуре 75 К, наблюдается щель. Щель нпгодт ся в окрестностях уровня 0.67 от максимума на Ферми крае спектров., т.е. на уровнз Ферми. Анализ полученных результатов дант иначение ширины сверхпроводящей энергетической щели для кристаллографического направления (100): 2д (75 К) = 46 ♦ 52 мэВ.'

Ь главе четыре - "ИССЛТДОВММЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ШШМП'ШАХ YftagCu^ft^ НА ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЫШШ'ОНШЮ СТРУКТУРУ" исследуется влияние кислородной (лсхисмегрии аа электронную структуру и эмиссионные свойства ВТСП MíiiepivaiOH. Понижение содержания кислорща (х > 0.7) ведет к христаялической решетки из ромбической в ititji.iiüiia^i-uy» и подавлению сверхпроводимости. Поэтому

--i .iíjii,u'tíjif,n^ BiidMi нолевых электронных эмиссионных микрокартие и :ыскт ришои спектров с очищенной полевым испарением в сверхвысокой налууие поверхности ИТСН монокристаллов с различной стехиометрией по киьло,>оду представляет, фундаментальный интерес. В

.ш.'юыюй диссертыьюннпй работе впервые были изучены uoTotau-i кишкой электронной эмиссионной микроскопии и

• Í 8 -

спектроскопии песверхпрсводящие ВТСП монокристаллы Yba^Cu^O^1

Л Полевые ионные никрокартшш поверхпости несверхороводящих монокристаллов ташка показали характерный полосчатый контраст. Полевые электронные - эмиссионные микрокартины поверхности, полученные при 115 1С. совладают по форме и размеру с клкрокартиняим, получешшми при комнатной температуре при уровнях приложенного к эмиттеру напряжения на 10 - 12 56 больших, чем при комнатной температуре. Эмиссионный ток при охлаждении уменьшается в 1.5 - 2 раза при неизменном значении напряжения, приложенного к образцу.'- • Подобный эффект стягивания полевой электронной эмиссионной шжрокартины и уменьшения величины эмиссионного тока вследствие понижения концентрации носителей заряда • насаждался ранее при охлаждении полупроводниковых образцов (51,Ge).

Следовательно, несверхпроводящие ВТСП материалы - полупроводники. »

Расчет электронного спектра в предположении о понижении концентрации электронов с понижением температуры показывает смещение спектра на шкале эпергий при неизиенном значении напряженности электрического поля на поверхности образца. Известно, что охлаждение полупроводникового образца приводит и понижению концентрации носителей заряда. Электронный сцокгр с очищенной полевым иопарепивм поверхности YBagCUgOg , монокристалла смещается по шкале энергий цри охлаждении образца гт 300 К до 115 [I на 100-130 мэВ в область больших по абсолютному значению энергий. Это еще раз подтверждает полупроводниковую природу состава с пониженным содержанием кислорода.

В пятой главе - "ИРВДЫЫЯД;' ПЛОТНОСТИ ТОКА YJií^Cu,!),- <} ШКЖРИСТА.ШЧКС1Ш ОБРАЗЦОВ ОУБМШРОИННХ РдаМКРОВ" - изложены результаты экспериментальных исследований продольных плотностей

-19-

тока ¥Ва2Си30^9 монокристаллических острийиых катодов. В главе представлены результаты ПИМ-ПЭЭМЧ1ЭЭС исследований УВа^^С^ 9 монокристаллов, полученные до и после кратковременного отбора (в течении 3-х секунд) эмиссионного тока высокой плотности.

В результате проведенных исследований определена величина предельной плотности тока, приводящая к необратимой трансформации электронной структуры гаа2Сид06_д монокристаллов субмикронных размеров: 3 а (2+6) »О4 А/см2. Показано, что отбор интенсивного эмиссионного тока с бездефектных УВа2Си306 д монокристаллических образцов, ориентированных перпендикулярно оси с не приводит к нарушению регулярного ионного контраста на полевых ионных микрокарпшах; не изменяет характер распределения электронной, эмиссии по поверхности эмиттера; ведет к превращению полевых электронных спектров в полупроводниковые, т. е. исходный материал трансформируется в полупроводник вследствие диффузии кислорода при нагреве вершины эмиттера эмиссионным током (эффект Ноттингама).

В разделе "ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ" сформулированы основные результаты, полученные в представленной диссертации. В "ПРИМЕЧАНИИ" представлен список работ, в которых •опубликованы основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ В диссертационной работе получены следующие основные методические результаты:•

1. Разработан прибор и методика эксперимента, позв_>ляющие методами полевой электронной эмиссионной микроскопии и спектроскопии исследовать электронное строение и эмиссионные свойства материалов Ь атомногладкой очищенной полевым испарением

-20-

поверхностью.

2. Предложен метод приготовления образцов-эмиттеров с радиусами закругления взришш 10 - 100 нм из монокристаллов системы RBa2Cu3a7_x (где R - редкоземельный элемент) для исследования методами полевой эмиссии.

В результата проведенных исследований впервые были получены следующие основные результаты:

1. Показано, что модель свободных электронов с учетом проникновения электрического воля в приповерхностную область образца может быть использована для анализа экспериментальных спектроскопических данных для ЬТСП материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами; Результаты экспериментов говорят о том, что несверхпроводявде шаокристаллы обладают полупроводниковыми свойствами.

2. Методом полевой электронной эмиссионной спектроскопии ^регистрирована энергетическая сверхпроводящая щель кристаллографического направления [.1001 • YBagCUgOg 9 монокристаллов с атомночистой поверхностью и определена ее величина, измеренная при 75 К :

2й (75 К) = 46 * 52 мэВ.

3. Методом полевой электронной эмиссионной спектроскопии

определена концентрация электронов проводимости в объеме

/

YBagCOjO^g монокристаллов при температуре выше Тс : п а (2 ♦ 4) х 1021 см'3. Показано, что концентрация электронов проводимости в объеме сверхпроводящих монокристаллов не измшьнтся в интервале температур от И5 К до 300 К.

4. Определена pacíora выхода кристаллографического

направления 1100J ф(00 = 5.5 6.1 эВ и зоны ШОП <»efI = 6.6 + 7.4 эВ сверхпроводящих монокристаллов.

5. Определена величина предельной плотности эмиссионного тока, приводящая к необратимой трансформации электронной структуры сверхпроводящих монокристаллических острийных катодов: • 5 а (2 + 6) х 104 А/см2

Основные результаты дисеергащюняой работы отражены в следующих публикациях :

1. Шкуратов С.И., Месяц В.Г.. Иванов С.Н., Чернышев Ю.В., Омзгузин Ю.М. Полевая электронная эмиссионная спектроскопия высокотемпературных оксидных сверхпроводников YBa-jCu^O.^ // СФХТ.- 1990.- Т.З, N.6., 4-2'.- 0.1214-1221.

2. Shkuratov S.l., MesyatsV.G., Ivanov S.N., Yuroaguzln У.М. I' Jeld Eniasion Properties ol the Hlgti-Tc Superconducting Oxide YBai,Cu3ar_x; // 14th ISDEIV: Proceedings.- Santa Fe. UXA.- 1990.-P. 127-131.

3. Иванов С.П., Шилимзнов С.Н., Шпак В.Г. Источник стабилизированного высокого напряжения для изучения ввтоалектронной эмиссии // ПТЭ.~ 1991.- М.4.- С.124-126.

4. SUKuratov S.I., Ivanov S.Kv, ShlliManov S.N. Field electron microscopy and spectroscopy of H'l'SG perfect monocrystals // Surface Sci.- 1992.-- Vol.266.- P.224-231.

5. Шилиманов C.H., Шкуратов С.П., Иванов О.Н. Острийные эмиттеры из монокристаллов ВТСП: приготовление и спектрометрические исследования // Письма в ЖТФ.- 1992,- Т.18, вып.9.- С.5Т-60.

6. Shkuratov S.l., Sliiilrcanov 5.N., Ivanov S.N. Preparation of lilRti-Tr superconducting single-crystal sharp pointrd spec torus ior

-22-

field electron emission microscopy and spectroscopy // Superior«!. Sci. Technol.- 1993.- Vol.6.- P.520-524.

7. Shkuratov S.I., Ivanov S.W., SMliraanov S.H. Field 'Electron Emission Microscopy and Spectroscopy of ÏBagCu^ 9 Single Crystals at Different Temperatures J/ Physlca C.- 1993.- Vol.¿13.-P.321-326.

8. Shkuratov S.I., Ivanov S.N.„ Shillmanov S.N. Limiting Current . Densities of YBagCi^Og g Single Crystal Sutxnlcron Specimens //

Physica С.- 1993.- Vol.211.- P.158-164.

9. Шкуратов С.И., Иванов С.Н., Шилимаиов С.Н. Автоэмиссионная лаборатория: полевой электронный эмиссионный спектрометр совмещенный с полевым ионным/электронным микроскопом // И'ГЭ. - в печати.

10. Ivanov S.M., Shillmanov S.N., Shkuratov S.I. Design of Field Electron Emission Spectrometer, îield Ion mcroscope and Field Electron Emission Microscope Combination // 16th ISDE1V: Proceedings.- Moscow-St. Petersburg, Russia, 1994.-.p.477-478.

11. Шкуратов С.И., Месяц В.Г.,■ Иванов O.K. Инициирование вакуумного пробоя в диодах' из высокотемпературных сверхпроводников // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тез. докл.- Свердловск.- 1990.- Т.1.- С.55-57.

12: Шкуратов С.И., Месяц В.Г., Иванов С.Н., Вмагузин Ю.М. Нолевая электронная эмиссионная спектроскогаи высокотемпературных оксидных сверхпроводников YBagCu-^O^ // VIII Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике: Тез. докл.- Свердловск.- 1990.- Т.1.-С.58-60.

13. Shkuratov S.I., llesyats V.G..'ivanov S.N., Yumaguzln Y.M. Flejd Electron Emission Spectroscopy of YBa2Cu3QT_t Single

-23-

Crystals // 37th IFES: Abstr.- Albuquerque, New Mexico, USA.-1990.- P.87.

14. Shkuratov S.I., Ivanov S.N., Shllimanov S.H., Patiniova O.G. Field Electron Emission Microscopy and Spectroscopy of Hlgh~Tc Oxide Supercoductor Perfect Single Crystals // 38th IFES: Abstr.- Vienna, Austria.- 1991P.3-3.

15. Шкуратов С.И., Иилимэнов С.П., Иванов С.H. ВТОП монокристаллы, тонкие пленки, керамика: электрическая изоляция в вакууме, состояние сверхпроводимости в сильных электрических полях л эмиссионные свойства // IX Симпозиум по сильноточной электронике: Тез. докл.- Россия.- 1992.- С.3б5-э6б.

16. Shkuratov 5.1., Ivanov S.N., Shllimanov S.H. Hlgh-Tc Superconducting Single Crystals: Field Election Microscopy-Spactroscopy and Electronic Structure // Ifith International Seminar on Surface Physics: Abstr.- Kudowa, Poland.-1992.- C-65.

17. Shkuratov S Л., Ivanov S.N.. Shilimanov S.N. Field Emission Lab: Field Electron Emission Spectrometer Combined with Field Ion and Field Electron Emission Microscopes // 40th IFES: Ab3tr.-Nagoya, Japan.- 1993.- P.87.

18. Ivanov S.N., Shkuratov S.I., Shilimanov S.N. Field Election Emission Spectroscopy of High-Tc Superconducting Single Crystals YBagCUgOg g // 41th IFES: Abstr.- Rouan, France.- 1994,- P.3-8. »9. Shkuratov S.I., Ivanov S.N. Field Election Emission Microscopy and Spectroscopy of YBa20u3Uf_x Single Crystals with Different Oxygen Content // 41th IFES: Abstr.- ftouen. Franco.-1994.- P.CA-4.

20. Шкуратов С.И., Иванов С.Н., Шилиманов С.Н. Предельные

-24-

плотности тока ШгСи3аГ х мовокристаллических острийпых катодов // XXII Конференция по эмиссионной электронике: Тез. докл.-Москва, Россия.- 1994.- с.3.3.4.

21. Икуратов С.И.. Иванов С.Н., Шилиманов С.Н. Полевая электронная эмиссионная микроскопия и спектроскопия монокристаллов УВа2Си3Су_1 при различных температурах // XXII Конференция по эмиссионной электронике: Тез., докл.- Москва, Россия.- 1994.-с.3.3.5.

22. Икуратов С.И., Шилиманов С.Н., Иванов С.Н. Метод изготовления ВТШ мопокристаллических острийных катодов // XXII Конференция по эмиссионной электронике: Тез. докл.- Москва, Россия.- 1994.- с.3.20с.

23. Икуратов С.И., Иванов С.Н., Шилиманов С.Н. Комплексная установка для изучения солевой эмиссионной спектроскопии и микроскопии ма1геряалов // XXII Конференция по эмиссионной электронике: Тез. докл.- Москва, Россия.- 1994,- с.3.21с.

Данная диссертационная работа выполнялась в рамках государственной программы N . 90179 Министерства Науки"России.

Отпечатай» на ротапринте ИФМ УрО РАН тирах 80 заказ 45

формат 60x8'» 1/15 обгон I пвч.л. 620219 г.Екатеринбург ГС11-170 ул.С.Ковалевской, 18