Исследования эффектов кристаллического поля в соединениях BBo2Cu3O7-y (R=Ho, Er) методом неупругого рассеяния нейтронов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

российская ак4деяи нот уральское отдшние ордн1а трудового красного знамени

институт «гаки йтгалюв.

на правая рукописи

подчшкк

Авдрзй ал8кс8ндр0вкч

исследования эффектов шжтАлличшюго элштичшшго

поля в соединениях г)ва2си307_у (н « ео„ ег) методом неупругсго рлссеявв1 нштрсяюв

01.01.07 - фтзпЕШ твердого тела

•ф.

автореферат дкссор1ащи иа ссяскашш ученой ответта кандидата ©ипш-штештнесгаз пат

ЕКАТЕРИНБУРГ 1991

Работа выполнена в лаборатории радиационной физики и нейтронной спектроскопии Ордена Трудового Красного Знамони Института физики металлов УрО РАН.

Научный руководитель; доктор физ.-ыат. наук, профессор Гощицкнй Б.Н.

Официальные оппоненты: доктор физ. -ыат. наук, Рушшцвв И.О.

доктор физ.-ьшт. наук, Садовский И.В.

Ведущей предприятие: Уральский государственный университет.

Защита диссертации состоится 1_"__1992г.

в_часов па заседании специализированного совета К 002.03.01

в Институте физики металлов УрО АН по адресу: г.Екатеринбург, ГСП-170, ул.С.Ковалевской, 18.

С диссертацией иовшо ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН.

- Ашорефзрат разослан "_" _1992г.

Ученый секретарь сиецаализироианного совета кандидат физ.-мат. наук

Галахов В.Р.

ОБЩАЯ ХЛРЖГЕРИСТГССА РАБОТЫ

-л!

'—' агстуалыюсть РАБОТУ по проблеме высокотемпературно?, сверхпроводимости (ВТСП) обусловлена широкой возиоотостьа научного п технического применения этих соединения с учетом та новых исключительных свойств. Высокая тешорзтура сверхпроводящего перехода тс (выше температуры гашения падкого азота) п высокий критический ток позволят создать доимо элементы для вычислительной техпикп, декепуо крпогзпнуп аппаратуру, высокочувствительное магпкто^етрц па основе СКВИДов, компактные двигатели, генератор« п трансформатора, сверлюзныо магниты н гшогоз другое. С открытие-.? ковше эффектов п иопых ВТСП соединений безусловно будут возникать новые п ковнэ области 1тр,пненепия этих материалов. ВТСП предстявляет огромный интерес да теоретической я экспериментальной науки. Теория "обычных" сверхпроводников ЕКЕ повлияла па развитие различных направления фззяяи твердого тела. Создание разлкчшас теоретячеекга поделай, работы по пефопоптд» »»взгаппомви сясрхкроЕодигюстя ?.гя?. иезшй толчок даучпому развития. Позгому очевидно будптее чгодоттркоа влияние рождениях при исследовании ВТСП па рззлячше

области науки и техники.

Для пок:;?!аш:л природа ВТСП рг; интс^зо

представляет всестороннзи ясслеловапко гзо-ггрокгих свойств зтпх соединения. В связи с тем, что ВТСП ясрвктерпэугогся «а.пгЛ длиной когерентности, наиболее полезши для получения пнфо}. ,зции об особенностях электронного строения окаэ»,г,г,::тс:з локально чувствительные методы. Сглтез ряда соединений ИВ^Си^О^, с редкоземельными конвмл (РЗИ) вместо иттрия ;; весьма близкими структурными п сверхпроводящими свойствами, открыл возможность исследования эффектов кристаллического электрического поля (КЗП) в ВТСП с помощью неупругого магнитного рассеяния нейтронов (НМРН). Этот иотод .дает наиболее надежную информацию о гамильтониане НЭП, так как положение пиков в спектрах соответствует разности энергия уровней, между которыми происходит переход, а интенсивность зависит от коэффициентов смешивания волновых функций

соответствующих уровней. Изучение эффектов НЭП позволяет анализировать характер локального распределения нарядов в элементарной ячейке. Это представляется особенно важным ввиду близости ВТСП соединений к переходу металл-диэлектрик, имеющему место как при понижении содержания кислорода, так и при радиационном разупорядочешш.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлось экспериментальное исследование эффектов КЭП методом неупругого магнитного рассеяния тепловых нейтронов на соединениях ВВа^СидС^ (И=Ег, Во; Х=6.9,6.5), ЕгВа2Си3Ох, (Х=6.95, 6.18) до и после облучения оыстртм нейтронами, а такие при введении примесей замещения в медную подрешетку (гп и N1). Конкретно ставились следующие задачи:

- Привести эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов (ИМШ) на соединениях КВа2Си30х, исходных ' и разупорядочешшх быстрыми нейтронами, в интервале температур 4 300 К, а таксе ЕгВа2(Си0-94К10 06)3аг и ЕгВа2(Си0>952п0>05)3аг.

- По экспериментапьшш данным рассчитать характеристики гамильтониана КЭП на соединениях ГШа^Са^О^, исходных н облученных быстрыми нейтронами, а ташке допировании! цинком п никелем и провести анализ характера распределения электронного заряда и его изменение при разупорядочешш и изменении концентрации носителей.

- Разработать и реализовать в виде комплекса программ для ПЭВМ методику расчета характеристик КЭП для соединений 1-2-3 окта- и тетроздрической симметрии из экспериментально наблюдаемых спектров НМРН на основе эффективного гамильтониана Стивенса.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертации методом неупругого магнитного рассеяния тепловых нейтронов ироводено систематическое, комплексное исследование эффектов кристаллического электрического поля

ьисокотемпературпых сверхпроводников НВа2Си30х №=Ег, Но) в зависимости от кислородной стехиометрии (Х-6.9, 6.5), примесей, замещения в медной подрешетке (2п. N1) и радиационного (««упорядочения различными флюенсами быстрых нейтронов.

Впервые:

- изморены спектры ПМРП на системах НВа2Си30х и Но),

в зависимости от кислородной стехиометрии (Х=6.9,6.5), ЕтВарСИдО^, (Х=6.95, 6,18) до и после облучения быстрыми* нейтронами, а также с примесями замещения в медной подрешетке

N1).

- обнаружено существование одновременно малого и необычно большого масштабов спектров расцепления нижнего мультиплета 4Г-оболочки РЗ иона в исслед>„мых системах, связанного с особенностями распределения заряда в элементарной ячейке.

- установлено, что уменьяепио концентрации кислорода в системе ИМ^Си^О,,, а такяо введение ци^ка к никеля в качестве примесей замещения в медную подрешетку, ведет к изменению спектра НМРН.

- установлено существование спектров КЭП для радиационно-рвзупорядоченных систем 1-2-3 с высоким (6.95) н низким (6.10) содерпнием кислорода. В обоих случаях спектры рассояпия практически не меняются при облучении.

- па основе модехн точечных зорядоз проведай' расчет пространственного распределения отрицательного заряда о элементарной ячейко ВТСП.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦйЗЮСТЬ. Получешшо в диссертации результаты спосаЗствупт поктг-'Г'гигл электронной структура нормального л сверхпроводящего состояний. ВТСП, что необходимо для создсетя кознх соадппэЕпа зтого классо. Содержащиеся и диссертации сведения о псрэизтрах ттльтопизпа п волновых функциях ^(^ультпплотсп РО&^СидСЬ, (П=ЕГ. ПО), ИСХОДНЫ* П раЗУПОрЯДОЧеШШХ РЗЗДЛЧНЕМЯ ®Я2еНСЗМЯ

бкстгчх нейтронов, когут быть кссользовяни для построения различных готкроскоштчсскнх тоделей ВТСП. Развитая в диссертации методика количественной обработки спектров НМГО позволили с высокой степенью надекностп определять параметра гагяшьтопяапа КЭП тетра- и орторонбичоской (жиметрап. Она ионег быть использована для анализа результатов НКРН других соединений.

ОСНОВНЫЕ ГОЛОШВД, ШНООШВ /ШТОРОЙ НА ЗА^ШЧ - новые экспериментальные данные о физических свойствах ВТСП соединений ИВ^СидСЦ, (И-Ег, Но; Х«б.9. 6.5), до н после

облучения различными {иленсами быстрых нейтронов, а такие допированых Zn и N1.

- обнаруженные изменения спектров ИМРН при допировании системы и изменении содержания кислорода.

- неизменность спектров НМРН при радиационном разупорядочении ErBa^-CUgOjj (Х-6.95. 6.18; Ф=3, 5 х1016см~2).

- анализ поведения спектров НМРН при вве/чнии примесей замещения в подрешетку меди, изменении концентрации кислорода и радиационном разупорядочении.

ПОСТРОЕНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти тушв, содержащих основные результаты, выводов и списка литературы. Работа изложена па 120 страницах машинописного текста, включая 33 рисунка, 10 таблиц, 67 библиографических ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении кратко сформулированы проблемы, обосновывается актуальность темы исследовашш, сформулированы основные результаты, выносимые автором на защиту.

В первой главе проводится обзор основных свойств ВТСП. Рассмотрены полученные разными авторами экспериментальные п теоретические результаты, которые показывают . существ°нные отличия этих соединений от нормальных металлов и традиционных сверхпроводчиков. Линейная температурная зависимость сопротивления р в нормальной фазе, частотная зависимость проводимости, высокие значения сШ^/йТ, йр/<)Т и малые значения длины когерентности е. квазидвумерный характер электронной структуры. малость изотоп-эффекта, экспоненцииль: м зависимость n-сопротивления от концентрации вводимых дефектов, корреляция Тс с анизотропными изменениями кристаллической решетки и другие экспериментальные факты свидетельствуют о большой роли сильнокореллированной электронной системы в явлении ВТСП. Анализ литературных данных показывает, что несмотря па значительные усилия, в настоящее время нет объяснения многим экспериментальным фактам нормального и сверхпроводящего состояния ВТСП. Самым большим вопросом

остается шханнзм спаривания прл сверхпроводящем переходе. В связи с этим актуальными оказывается методики позволяющие исследовать особенности локальной электронной структуры ВТСП. Одним из таких экспериментальных г.зтодов является !.:етод изучения эффектов КЗП с по'ющыэ Г'.'РН. В обзора приведены приюри применения этоП методики для изучения особенностей состояния J-мультгшлета FSH. В связи с большая! слоаностпш проведения экспериментов по ИЗ.ГРН, работ по стучешэ эффектов ¡СП п ВТСП !'рзГ'1'а глз.-о. Двигай по оетяшпэ радиационного разуиорлдоченна и дошфовашш 1-2-3 гастеш цинком и шпселем, па природу 1СП до настоящего времени но било. Иъ-вшо поэте: цель:) рзботц Сищ систематическое, ксшшексноа изучение .г^ектов кристаллического поля котодои 1Г.1РН в соедннешшх • RBagCOjO^ Ш=Ег, Но;)» влияния па ш разупорядочешш, ппэвашюго облучением бистрлш ) иТтрона'ш пр:г различии Олоонсох, з такта скодэтго Zn л ili в качестве примесей 3av,ei'\oroih d подрешетку г.одл. Наряду с этга.5 проводились пейтрозографичоские структурино исследования из даниих систе^аи, измерение 2 «¡екта Холла, а таягз игкорашю магаятиоЯ части удельно!) тошюоксости (вклада Потткп). На основэ подучетшх экспериментальных данных сделана попытка проследить га ¡СП з ВТСП и связать зи с особенностям!

."¡скального электронного распределения п переноса заряда в Элементарной лче.Тке.

£•") пторсЗ глтг.э описана техшшэ изготоплепил п аттестата образцов, иотодиж! облучения п эксперимента но !L'TH. В этой г.э глнпо дано описание псЛтролографяческнх установок и гелиевого кр'юстатп, испольновйпгая в пвстояцей работа.

П трать«;-') глава рассмотрено влаппло потенциала кристалтшческого юля на родкоэе»олыща элемент, который частично сшнлает (2J+1 )-:гратпоо внрозденив уровней мультнплета 4f-ободочки свободного FSH. Число шзнгасплх уровней п эиорготический масглпб расщепления завпеит от особенностей ICH, а значит от особенностей распределения заряда.

В это!) га главе подробно описаны прздетаавэшю ¡Ш о использованием тессералышх гармоник и метод эквивалоцтшга операторов Стивенса 11]. рассмотрена модель точечных зарядов,

а также описана методика учете влияния возбувденнш мультшыетов в случае промежуточной связи. Показано, как параметры гамильтониана КЭП, подлежащие определению из спектров. НМРН, связаны . с дваады дай-еренциальншл сеченнеы рассеяния на переходах ыеаду уровнями расщепленного в НЭП шиш его мультиплета иона КЗ элемента.

D четвертой глава приведены экспериментальные результаты исследования эффектов КЭП с помощью К/ЛРН соединений RBa^CUgO^ (R=Er, Но; Х-6.9, 6.5), до и поело облучения раа)и£чшаш флюенсама быстрых нейтронов, а тагаш допированизс Zn и . Приведены структурные параметра п коэффициента гшильтоннооа КЭП всех ^accimTp¡msí¡;.rjK систем.

Слнтез ряда 1-2-3 систем с эаызной Т па различные ШИ открыл возможность измерения эффектов КЗП с 1 целыа изучашш характера распределения заряда в элементарной ячейке этих соединений. Первоначально на:,ш бшш исследованы температурные зависимости теплоемкости С(Т) систем RBOgCUgO^, (R=Y, Ег, По) в интервале температур 3-300 К (1 А]. В ■•■ соединениях (Kr.HoJBagCUgG^ при низких температурах в теплоемкости наблвдаются особенности, которые могут бить связаш с расщеплением 4Г-уроваей РЗИ кристаллическим полем (так называемый эффект Шоттки). При Т>200 К теплоемкости всех трех соединений совпадает с точностью с<1%, что говорит о близости их фононных спектров при достаточно высоких частотах. Для оценки величины в.-ладов Шотткн ыагао использовать тот факт, что именно они вызывает различив в экспериментальных

тешгашлкостях С,, „о- Следовательно, разности С„___ и

соответствующих вкладов Шотткн, рассчитанных для соединений с Но и Ег, должны совпадать и при Т<100 К пе очень сильно отличаться от i ¿плоемкости УВс^Си^. В рамках ¡.¡одел;; ьффектишога точечных зарядов в приближении блинайших соседей нами Сил выполнен расчет расщепления основного состояния ионов и Ho,iv кристаллическим полегл. Если считать, что наряды ионов меди 2Сц--2», а ионов кислорода Z0=2-, то, согласно расчету, соответствуюцие уровни должны бол о или ме.шш ptU'.iiOMíipsK; заполнять область от и1 ыэВ до .¿о мэВ. Однако, это качественно противоречит эксперименту,

показывающему существование очень низких (и 0.5 мэВ) и очень янсоких (>50 мэВ) расщеплений. Существование высокоэнергетического окна в спектре расщепления НоВа2Си307 с энергиями а 60-70 мэВ было • непосредственно установление в экспериментах по ШРН, выполненных Л.Фуррером (21. Т.о. первые яе эксперименты показали существование необычного • масштаба расщепления 4Г-уровпей РЗИ кристаллическим полем, отражающего пеметаллический характер электронпой структуры этих соедгспеш П. Большой интерес вызывал та того вопрос о характере изменений КЭП при разлитых воздействиях, приводящих к деградации Тс, в частности, при уменьшении концентрации кислорода X в КВа2Си30х. Решение этих задач требовало применения методики НМРН.

Первые эксперименты по пеупругому рассеянию нейтронов на

соедипниях ШЗа2Си3Ох с различным содержанием кислорода были

проведены на трехосевом спектрометре "Нейтрон-3" (лаборатория

радиационной физики и нейтронной спектроскопии п.Заречный).

На Рис.1 показаны полученные нами низкоэнергетические части

спектров ЕоВа2Сид06 д при различных температурах [2А1. На

основании экспериментальных данных мы ' получили схему

расщепления и соответствующие коэффициенты кристаллического

поля В™. Ллализ коэффициентов КЭП в рамках модели точечных

зарядов показал, что отношение В°/В° находится в хорошем

I» п ?п о _

согласии с отношением геометрических факторов тгпЛп если

последние расчитапы с учетом лишь блияайиего кислородного

окруяепия. Это означает, что расщепление Л-мультиплета 1-2-3

систсш формируется в основном зарядами плоскостных ионов

кислорода 0(2) и 0(3).

В области пизких энергий спектр НМРН соединения ЕгВа2Сид06 в отличие от ПоВа2Сид06 д. имеет достаточно простую структуру во всем температурном интервале. Он характеризуется двумя пиками с энергиями «9.2 и <»10.8 мэВ. Коэффициенты КЭП для наблюдаемого спектра ШРН в первом приближении оказалось возможным получить из соответствующих. коэффициентов В^ для иона По3*, что . подтверздает утверздение об отсутствии взаимодействия РЗИ с лигавдвмя.

Низкоэнергетическая честь спектра НМРН соединения

Рис.1. Низкоэнергетичёская часть спектров ШРН для ЦоЬа^и^ д при различных температурах (с вычтенный квазиупругим пикой). Сплошная линия проведена от руки. Длина волны х=2.984 А, вектор рассеяния 0=1.16 А~Ч

Е11!а2Си306 5 характеризуется двумя пиками с энергиями «8.2 и "10.8 ыэВ [ЗА]. Подобное изменение спектра по сравнению со спектром для ВП^СЫдО^ д можно объяснить увеличением расщенленкя меэду соответствуицими уровнями. При этом, как показывает расчет, должны существенно измениться вероятности иашитодинольных переходов, что и наблюдается на спектре НМРН. Поскольку уменьшение концентрации кислорода связано с уменьшением заселенности позиций кислорода в цепях 0(4), а схема расщепления, как мы уже отмечали, формируется зарядами 0[г) и 0(3) в плоскостях, то наблюдаемые изменения уровней очевидно доллшы определяться изменением заряда, связанного с СиО^ плоскостями. Эти изменения оказывается возможным описать коэффициентами высокого порядка В™ и В®, что (учитывая зависимость Ь|г и 1/гп+1) является еще одним, остшйшим.

доказательством изменения заряда тленно в плоскостях.

Однако невысокое разрешение используемого спектрометра и малый поток нейтронов не позволяли определить точное положение уровней вблизи 10 мэВ, а также высокозпергетическую часть спектра расщепления, что было важным для анализа изменений КЭП при различных воздействиях па ВТСП. Дальнейшие исследования были выполнены с использованием спектрометров с высоким разрешением и большим потоком нейтронов. В качестве РЗИ был выбран ион что связано с более простой для анализа

схемой расщепления и ярко Еыраггошшмл изменениями спектра с уменьшением содержания кислорода.

Эксперименты, проведепные на трехосевом спектрометре "Ware" в Лаборатории нейтронного рассеяния Технологического института (г.ЦкрйО и времянролетном .спектрометре IN4. института Лауэ - Ланиевена (г.Гренобль) 15AJ, дали возможность с высокой точностью определить положение и интенсивности всех пизкоэнергетических переходов (Рис 2а). Но даже эти экспериментальные установки не позволяли точно определить положение верхних уровней спектра, и только фантастическое разрешение времяпролетного спектрометра НЕТ, расположенного на "нейтронной фабрике" в Резерфордовской лаборатории (Англия) позволило провести измерение высокоэнергетической части спектра расщепления (рис.26). На основании этих данных была восстановлена полная схема расщепления ErBagCUgOg g (рис.3), ее изменение с уменьшением содержания кислорода и рассчитаны соответствующие коэффициенты кристаллического поля В® (Табл.1). Высокоэнергетическая часть спектра оказалась особенно чувствительной к коэффициенту в|, благодаря чему он определяется с высокой точностью. Отметитим, что корректное описание соотношения интенсивностей переходов между различными уровнями потребовало учета промежуточной связи 13], т.е. учета влияния возбужденных мультиплетов на основной. В рамках этой модели удается лучше описать интенсивности всех переходов, включая высокозпергетическую ч^сть.

Подробный анализ трансформации спектра НМРН в зависимости от концентрации кислорода в системе ErBagCOjO^ б&л выполнен группой А.Фуррера [41. Наши экспериментальные данные для

1а

-» с^сик-о

1 ♦ / \ л 4 *

/ А4 1 Л* \

/ \1 Л ••

и

• 1 \ • ч,.

/, 1

^ л в 1 ■ С 'ч.

-7 -в -9 -ю

-60 -70. -80

епегду 1гап$1ег [теУ]

Рпс.2. Низкоэпергетичосквя (а) и високоэпергетическая (б) часть спектров НШ1 ЕгВа2Си307,. ЕгВа2(Си0 д^Шд об'з°7 п ЕгВаг(Си0_952п0>05)307.

Э _

г -4

9.8 теУ 9.2 теУ

Рис.3. Схема энергетических уровней Ег ' в ЕгВг^СиуО^ дд. Стрелками обозначены наблюдаемые перехода.

I

г

Е

I

л

у

Таблица 1.

Коэффициенты гамильтониана (в мэВ) для систем ErBagCUgOj (Х=6.9, 6.18), исходных и облученных быстрыми нейтронам, а такте допированных цинком и никелем.

EriSiCuiOi 0.36 0.22 -0.143 0.49 0.702 0.745 •0.06 0.2179 0.07

ErBajCujOi, D=3xl0l»s»-» 0.36 0.22 -0.UJ 0.49 0.702 0.745 -0.06 0.2170 0.07

ErSajCujO;, Mult1«:»-' 0.36 0.22 -0.14J 0.49 0.702 0.745 -0.06 0.2170 0.07

fre!!(Cui.x»ii)!0i,X:0.C6 0.3» 0.23 -0.144 0.46 0.693 0.747 -0.C6 0.216] 0.07

triaj(cui-»l(!x)j0i,x:0.05 0.36 0.2« 1 -0.143 0.55 0.700 0.743 -0.06 • 0.2168 0.07

iriliCujOi.ieC^xlO'"!»-1 0.1? 9 -0.147 0 0.695 0.729 0 0.2163 0

frEi!Cu]Ci.iiO:3xlO"!|-l 0.1) 0 •0.147 0 0.695 0.729 0 0.2163 0

[rCiiCuiOs.it 0.1) 0 -0.14) 0 0.695 0.729 0 0.2161 0

составов с Х=6.9, 6.5, с учетом инструментального разрешения, полностью согласуются с результатами этой группы.

Наряду с выяснением основных закономерностей зависимости ИБП от кояцентр^цзш кислорода X в RBa^CUgO^, представляло интерес изучить влияние других воздействий на кристаллическое поле в этих соединениях, а ш:еняо, влияние примесей замещения, вводимых в медную подрешетку и приводящих к деградации Тс, а такта радиационного разупорядочения.

Апалкз дифракционных нзиераний соединении

ErBagtCuQ q^HIq QglgO^ показал, что никель, вероятнее всего, замечает атош «еда в положении Си(1). Замещение части Си(1) атомами »1 ведет к изменению спектра НМРН подобно уменьшению содержания кислорода X в соединения ErBagCUgOjj. Спектр расщепления 4Г-оболочки РЗИ в допированной системе примерно соответствует Х-6.8 для бескислородного образца. При этом температуры сверхпроводящего перехода Тс для этих .систем оказываются примерно одинаковыми Т„«75 К 15А].

Лопирование цинком приводит к замещению атомов меди в положении Си(2). Экспериментальный спектр расщепления для ЕгВа2(Си0_957.пп_05)з07 показывает меньшее изменение

относительно негодного состава чем в случае с плкольы. В то Ев ь№ын, допирование цишюы нрлводкт к более быстрой деградации Т . кад вря допировании шшелеи, так и цлнкш, неблэдается у прение инков ШИ1. Еысокоэпсргетическаа часть спектра при этом остается практически неизданной (Рнс.2а,б).

Основные изменения, связзшше с раднацпогщщ воз,чоЛст£шеи зашючезяся в юга цэоуропяоа увзянчетш параметров ракетка, уваякчэшш статичерюи с^ецзшгЛ атомов кз додошниа раьпоьеспя н перераспределении гаслородо в базисной падкости ез позади! 04 в пзпачаиьш иустыз позиции 05. Сладствиеи этого шшштся дояькемие р-азиосгл иараштр>а Ь-а при обсо-котиои ЬоЗрнстая. -1 на сначеимП.

• Шзкоэпергитлчесхиа чпети спектров КБН для ЕгВа^Си^О^ с 5=6.95 и 6.18 бмяа шедчуцц на- спвктр&::атро И1!агс°. Инструментальное роэрз^зЕло саоктроаетра па достаточно для однозначного восстееовлошш езшдл урочная вбллэи 10 иэВ. Однако, поскольку огг.бБ;ацка сник.'ров ЕтВа^Си^О^ (Х=6.95 н 6.1В) до я посла облучения бастр'лш ке1гграаыш практически соппадаэт, 1.;о::сю утг.орвдать, что сбдучинно приводит лишь к увдреиих» лшшк, увеллчивакцемуся- по ыерв облучения.

Откатим. что неизменность спектра 1К111, учитывал ир . высокую чу вс-п«т>лькость к соде|сшшю кислорода в образце, является доказательством постоянства коицентрацш последнего и иломептараой ячыво пра пизшгашоратураоа облучеаип 1-2-3 енотом.

Пла'ад гсаиз посшщеаэ анализу зкеиер^.ишта.цьяцз риоультатоа.

Уксиертшти ш изучена эЭДюктоп ИЗП иокозшшэг, чго намопоние концентрации гаслорода и Юз^Си^К,, либо шедиште И|.Й..Н1СИ и шдау». родриизтку иодот к кзгилшпи» заради, С1',. ншаош с СиО.> плоскосс!".^!. ;;ы и.лштшшсь оценить волшашу такого ч:шветш. Зашеек коз24зщш1ты №«1 и слюду ь'Чмя Сор^у, пппо р.-юдил/Ш структурой г» зарндокШ; «клади Ш:

П Г» М) ' 11 '

•'Лч >< ш»ричо1!кве фактики, А° - щпшедешадо тцщыитрц

КЭП, связанные лишь с зарядовым распределение*!,

А^ - о|е|2(1+б)хп<гл> , (2)

где <г°> - гнгпй момент радиального распределения 4Г-электронов, хп - приведенный матричный элемент, Ъ - заряд кислородных лигандов в единицах элоктронпого заряда |е|, б описывает относительный перепое заряда. Возьмем систему ЕгВа^СидО^ за исходною (т.е. 6=0), п экстраполируем порпмотри ГСП В® доштрованного либо бескислородного состава согласно уравнения (1), приъимая во внимание изменение структурных параметров. Отклонение персиетров КЭП от экстраполированных величин может быть иптерпретировапо в терликах относительного перепоса заряда б следующим обрэзоя:

в£ (X) т„ (X) -2- - (1-6) ■ ——5- , (3)

В'^ЕтВа^и-р^) т^ЕгВа^и^)7)

где X обозначает дотированную, лпбо бескислородную спсто:?у.

Найденная нами в рамках тагах представления Езяпчппа перепоса заряда (табл. 2) для ЕгБа^Си^ 5 чпелеага соппядзот с результатами работы (53 п согласуется с величиной перенося заряда, рассчитанной на основа валентных су1?! (61, получении;' из структурных параметров.

Расчет перепоса заряда при введении Zп п Н1 в качества примеси в медпуп подрепэтку показшает, что эта злекэпта выступают как электронные допоры по отпонзшта к С1Ю2 плоскостям. Несмотря па то, что оказывается з блг-нЯЕеа окружении Р3!1 п непосредственно входит в плоскости, заряд которых формирует спектр расщепления, па эксперименте по [СМ наблюдается меньший эффект переноса заряда, чел в случгз с Н1. В то ие время, допирование цинком приводит к более СнстроЭ деградации .Тс.

Ецппственным Фиксируемый результатом облучения является увирение лилий, растущее по кара увеличения беспорядка, т.о. флвенса быстрых нейтронов. Принимая во шшианно ланшгз структурных исследований могло прздпологпть, что щп сблучеппп

Таблица 2.

Относительный перенос заряда в ЕгВа2Си30х с различным содержанием кислорода, допированном и радиационно-разунорядоченном.

ErBagCUgOjj Tc, К . б, e/0

ErBagCUgOf ErBa2Cu307, Ф=ЗЮ1ВспГ2 ErBa2Cu3ttr, ф=5Ю18ст~2 93 0

76 0

54 0

ErBagCUgOg 8, 14) 78 -0.02

ЕгВа2СизОб;5 60 -0.06

ErBagCUgOg jg ErBa^Cu-jOg 18, Ф=ЗЮ era ErBagCUgOg"10 Ф=5•1O18cm~2 - -0.11

- -0.11

- -0.11

ErBa2(Cu0_g4NÍ0_06)3ar 77 -0.012

ErBa2^Cu0.94Zn0.05)3aT 57 -0.007

уширение линий виз: аио статическими смещениями атомов, ведущими к статическим флуктуациям расстояний мокду Ег и лигандами, создающими потенциал КЭП. Однако уширение линий имеет место также и для Zn и Ni-допировашшх систем, где, согласно структурным исследованиям I5A1, заметного роста статических смещений атомов в Си(2) и 0(2),0(3) узлах не наблюдается Т.о. следует считать, что в уширение линий дают вклад также флуктуации зарядов лигапдов, вызванные либо анизотропными флуктуациями длин связей в Со-0 плоскостях (в случае облучения), либо наличия примеси замещения в медной подрешетк;.

Важно подчеркнуть, что нет качественной разшщы в поведении спектров КЭП радиационно-разупорядоче^яых образцов с различными X. В соединении ErBagCUgOg 18 дополнительные носители заряда (дырки) отсутствуют и нет причин ожидать перераспределения заряда мевду цепями и плоскостями в результате каких-либо дополнительных воздействий, например при облучении. Следовательно, сходство поведения спектров показывает, что при радиационном разупорядочешш

сверхпроводящего состава этих процессов топа нет: перенос заряда от цепей к плоскостям отсутствует. Остается, однако, открытии вопрос о переносе заряда мевду Си(2) н 0(2), 0(3) ионами внутри плоскостей.

Т.о. эксперименты показывают, что уменьшение концентрация кислорода, а такгге допирование Н1 приводит к переносу отрицательного заряда от базисной плоскости (Cul-04) к плоскостям (Си2-02/03) и уменьшении концентрации носителей, что, возможно, и является причиной деградация Тс. В то гз время перенос заряда по [юпгот рассматриваться в качество пр:тоши падения Тс в случае радкацкспно-разупорпдоченшх ВТСП. Изотропное расширение реиеткп и отсутствие птя-евзакЯ в спектрах fD.îPil при, облучешш свидетельствуют об отсутстшгл переноса заряда «езду плоскости? гл. Ннзкотеглшратурпоа облучешйз ведет к увеличению беспорядка в системе п, в конечном irroro, андерсоновсгхку переходу порядок-беспорядок, которой обусловлен статическими скещепкягл! атскш в возникновением хаоттеского потенциала в iqrucTaiLEFmcnofi решетке. Переноса заря/.i по оси Z при зтем, по-внде.:суу, ' во происходит. Zn, звкещоя Си2 в плоскостях, ппоелгг беспорядок, вызывая изменения подобно радиационному разуперадочзшаэ. Кроет того, являясь немагнитной. Ерпкесью, ципк ¡.хстг псру'.::ть взаимодействие ыапптшх нокептов с nccETai^rn заряда, разрушая условия, необходимо л"л суцзствованкя сверхпроводимости, что приводит к более резкой лэградсщш Тс, чем допирование Н1.

В этой ко главе проведен анализ получешшз параметров КЗП с точки зрения учета влияния . пространственного распределения заряда па кристаллический потенциал. Расчет, вшюлиенннй методом Монте-Карло, показывает пр.паципиальнуп воемоеность воспроизведения основной особенности спектра КШ в 1-2-3 системе (существование низко- и высокозпергетических частой), а такие выявляет тепденции к изменению заряда, связанного с СиО^ плоскостями при уменьшении концентрации носителей.

Диссертация закапчивается выводами, где сформулированы ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В диссергации методом неупругого магнитного рассеяния тшыошх

1Y

нейтронов проведено систематическое, комплексное исследование эффектов кристаллического электрического поля в высокотемпературных сверхпроводниках ВДа^а^ (11=Ег, Но) в зависимости от кислородной стехиометрии (Х=6.9, 6.5), примесей заме, зния в медной подрешетке (гп. N1) п радиационного разупорядочения различными флюенсами быстрых ны тронов системы ЕгВа^СидО^,, (Х=6.95, 6.18). На основе полученных экспериментальных данных рассчитаны характеристики гамильтониана КЭП и проведен анализ изменений спектров 1С,И! при перечисленных выше воздействиях на 1-2-3 систему.

Впервые:

- измерены спектры Ш1РН на системах ГШа2Си30х (Н=Ег, Но), до и после облучения быстрыми нейтронам, а такш с щлалесямл замещрчия в медной подрешетке (Zn.Hl,. •

- установлено существование одновременно малого п необычно большого масштабов спектров расщепления шганего мультиплета 41-оболочки РЗ иона в исследуекд. системах, связанного с особенностями распределения заряда в элементарной ячейке.

- установлено, что уменьшение етнцентращш кис орода в системе ЕгВа2Си30х ведет к изменению заряда, пвязспного с Си02 плоскостями.

- показано, что цинк и пикель, вводимые в качество примесей за зщения в медную подрешетку ЕгВа2СЫдО^ выступают как электронные доноры по отношению к СиСЬ, плоскостям.

- установлено существование спектров КЛ1 для радиационное разупорядоченных систем 1-2-3 с высоким (6.95) и низким (6.18) содеряганиьм кислорода. В обоих случаях спектры рассеяния практически не меняются при облучении, что доказывает неизменность локальной концентрации кислорода в масштабе элементарной ячейки и свидетельствует об отсутствии перераспределения зарядов между структурными блоками 1-2-3 системы.

- На основе анализа экспериментальных данных показано, что наблюдаемый масштаб расщепления и одновременное существование низкоэнергетической и высокоэнергетической частей спгчтра можно объяснить пространственным распределением-

отрицательного заряда.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуадались на Всесоюзной рабочем совещании по проблемам ВТСП (Заречный, 1987), на Всесоюзных совещаниях по использованию рассеяния нейтронов в исследованиях по физике твердого тела (Свердловск - Заречный, 1969, Ленинград, 1991), на XXV-оы (Ленинград, 1988) и XXVI-om (Донецк, 1990) Всесоюзных совещаниях, по физике низких температур, на I-оЯ (Интерлакен, 1988) и Ш-ей (Каназава, 1991) Международных конференциях . ' U2S-HTSC', на 15-ом Всесоюзном совещании по координации научно-исследовательских работ па ИЯР (Обнинск, 1988), на III-ем Всесоюзном совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1991).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1 А. Блияовсков Я.11., Бобровский В.И., Гощицкий Б.Н., Давыдов С.А., Карышн А.Е., Ковавников В.Л., Леонидов И.А., Мирмельштейп A.B., Подлесняк A.A., Чепницкий С.П.. Теплоемкость соединешт* RBagCUgO^y Er, Но). //В cJ.:

Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. Информационно материалы. -Свердловск. -4.1. -1987. -с.246-248.

2А. Ulrmelitein A.V., PodlesnyaX A.A., Bobrovskii V.l., Davyflov S.A., Karkln A.E., Kozhevnlkov V.L., Cheabnitskil S.U. and Go3tiltskii B.H. Electrical crystal Held elfect In hlgh-Tc superconductor HoBagCUgü^. // Physlca C. 1988. -V. 153-155. -P.176-177.

ЗА. Подлесняк A.A., Мирмельштейп A.B., Бобровский В.И., Гощицкий Б.Н. Эффекты электрического кристаллического поля (КЭП) в соединениях RBa2Cu307_Y (R=Er, Но). // XXV Всесоюзное совещание по физике низких температур. Тезисы докладов, 4.1. -Ленинград. -1988. -С.127-128.

4А. Мирмельштейн A.B., Бобровский В.И., Подлесняк A.A., Блинов- сков Я.н., Давыдов с.А., Карькин А.Е., Леонидов И.А., Гощицкий Б.Н. Эффекты электрического кристаллического поля в сверхпроводнике НоВа2Си3Ог. // ФММ. -1988. -Т.66.1 -N5. С. 1038-1039.

5А. Podlesnyak A.A.. Kozhevnlkov V.L., Hirnelatein A.V.,

Allenspach P., He30t J., Staub U., Furrer A., Osbom R., Bennington S.M. and Taylor A.D.. Neutron spectroscopic studies of crystalline electric fields In high-Tc ErBa^UgO- doped with Zn and N1. // Physlca C. -1991. -V.175. -P.507-594.

,, 6A. Podlesnyak A.A., Ulrmelsteln A.V..BobrovsKll V.I., Zhdahln I.L., Bllnovskov Y.L., Kozhevnikov V т,., Goshitskli B.N. Oxygen content and crystal field effects In RBagCUgC^. // International Journal of Modern Physics B. -1991. -V.5. -Ко.8. -P.1233-1242.

7A. Мирмельштейп A.B., Подлесняк A.A., Бобровский В.И., В^ахин И.Л., Кояевников В.Л., Чевшицкий С.М., Фуррер А., Аллеишнах П. Нейтронная спектроскопия кристаллических нолей в RBa^UgO^y (R=Er, Но) // ШТ. -1991. -Т. 17. -11.10. -С.1285-1268.

ЛИТЕРАТУРА.

1. 4utchlngs Ы.Т. Point-charge calculations of energy levels of magnetic ijns In Crystalline electric field. // Sol.St. Phys. -1964. -V.16. -P.22T.

2. Furrer A., Bruesch P., Untemahrer P. Crystalline electric field in HoBagCUgO^ determined by Inelastic neutron scattering. // Sol.St.Сока .988. -V.67. -Г.69.

3. Furrer A., Teller' -h U. J-admlxture effects In rare earth syst ms. // Helve .cu Physlca Acta -1975. -V.48. -P.451.

4. Furrer A,, Allenspach P., Rupp В., Blank H. Oxygen-vacancy induced changes of the crystal-field interaction in ErBagCUgO^ (6.1<X<7.0) determined by Inelastic neutron Scattering. // Physlca C. -1989 -V.161. -P.671.

5. Hesot J., Allenspach P., r>taub U., Furrer A., Osborn R.. Bennington S., Taylor A.D. The crystalline electric field as a local probe for charge distriburion3 in the copper-oxido planes of the high-Tc superconductors ErBagCUgOjj. // to be published In Physlca C.

6. Cava R.J., Hewat A.W., Herat E.A., Batlogg В.. Marezlo U., Rabe К.И.. Krajewskl J.J., Peck W.F., Rupp b.W. Structural anomalies, oxygen ordering, and superconductivity In oxygen deficien+ Ba2YCu30x. // Physlca C. -1990. -V.160. -P.351.

Отпечатано на ротапринте НФМ РАН тирак 100 заказ 12 г.Екатеринбург ул.С.Ковалевской, 18