Исследования сверхпроводников методами электронной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ч-

ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ имени И.В.КУРЧАТОВА

На правах рукописи УДК 538.915; 538.97

НАШ Валерий Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЯ СВЕРХГР0В0ЯКЖ03 (.'□ГОДАМИ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Специальность: 01.04.07. - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических нзук

Моема 1591

Работа выполнена в ордена Ленина и ордена Октябрьской револоции Институте атомной энергии ни. И.В.Курчатова

Кзучный руководитель:

кандидат физико-математических ыаук.

ведуний научный сотрудник и.Н.Шхеева

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.и.Кулаков

кандидат физико-математических наук Е.Е.Сеызненко

Ведупая организация: Институт физических проблем АН СССР

Запита состоится _ 199/г. на заседании

специализированного Совета при ИАЭ по ядерной физике и физихе твердого тела (Д 034.04.02) по адресу: Москва, 12312. пл. И.В.Курчатова.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ИАЭ им. И.В.Курчатова.

Автореферат разослан

-30- 199/г.

Справки по телефону: 196-95-21

Ученый секретарь Совета кандидат физико-математических Наук

.Скорохватов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время перспективы широкого фактического использования явления сверхпроводимости в различных кЗластях науки и техники связаны с открытием высокотемпературных :верхпроводников СВТСП) - мзталлооксидных соединений с критической гемпературой сверхпроводящего перехода Тк. превышающей 30 К СП. )то открытие вызызает также больной интерес ке только с технологи-1вскоП. но п с научной точки зрения, так как а процессе изучения 1ТСП улучиится понимание и самого явления сверхпроводимости. О пе->вых жо исследованиях ВТСП были обнаружены чрезвычайная сложность I необычность их физических свойств, в частности: результаты одно-»лектронных зонных расчетов электронной структуры для соединения Г8а2^и3®7-х [2] и др. не подтверждались экспериментальными иссле-юванилми [3]. попытки объяснить высокие Тк ЭТСЛ в рамках фононно-'о механизма сверхпроводимости не увенчались успехом. Различные шдвигаемые теории механизмов ВТСП Сфононныо и нефононнне) основа-1Ы на принципиально разных предположениях об электронной структуре 1тих соединений. Следовательно, для объяснения природы высокотем-юратурной сверхпроводимости необходимы точные Знания электронной структуры ВТСП. Оирокое и .(многоплановое изучение свойств этих ве-1еСтв будет способствовать и улучаени» технологических приемов пользования оксидных сверхпроводников в технике.

Неревенные проблемы остается до настоящего времени и в облас-и обычных сверхпроводников с малыми размерами, к которым относят-я тонкие пленки, мелкодисперсные системы металл-диэлектрик, ино-ослойные сэндвичи и т.п. Известно,что сверхпроводящие свойства аких систем часто отличается от свойств массивных образцов. Изме- . в нив электронных и фононных характеристик этих систем, которое южет быть обусловлено размерными эффектами, повышенным содержани-м структурных дефектов или образованием метастабильных аморфных и ристалличоских модификаций, в ряде случаев приводит к увеличениа ■ и других критических параметров сверхпроводников. Одним из вводов получения таких систем является конденсация паров металла на одложку, находящувся при температуре жидкого гелия [4]. Критнчес-ие температуры получающихся при этом холодноосажденных пленок ХОП) часто превышают Тк массивного металла. Наиболыаие увеличения к обнаружены у молибдена, галлия, бериллия и аллюминия. Причины начительного увеличения Тк в этих пленках недостаточно ясны. 06»-м пленок очень мал, чтобы можно было использовать обычные объем-ые методы исследований, такие как измерения теплоемкости, магнитол восприимчивости, нейтронные исследования и др. Кроме того, так

I

как ХОП обычно при нагреве до комнатной температуры отжигается и переходят в несверхпроводяцув модификации, то для получения необходимой информации какие-то дополнительные эксперименты и воздействия на пленки должны быть проведены в той ве установке, где эти ХОП приготовляются.

Больиув помочь в исследованиях ВТСП и сверхпроводящих ХОП могут оказать современные методы исследования физики поверхности, такие как фотоэлектронная спектроскопия СФЭС), охе-электронная спектроскопия СОЭС), спектроскопия характеристических потерь энергии электронов ССХПЭЭ). Все эти методы основаны на анализе энергетического спектра вторичных электронов, вылетающих из образца под воздействием направленного на него потока частиц - электронов или фотонов. Методом ФЭС определяется плотность заполненных состояний в валентной зоне и химический состав образца, методом ОЭС можно анализировать химический состав поверхности образца, методом СХПЭЭ - коллективные колебания плазмы электронов и межзонные переходы. Особенно моцным становится метод ФЭС с применением перестраиваемого по длине волны монохроматизованного синхротронного излучения ССИ). Использование этих методов помогает успешно ревать фундаментальные задачи физики твердого тела, физики поверхности, материаловедения, микроэлектроники и других отраслей, определявших науч-но-техничес- кий прогресс. Эти методы давт важную информацию об электронной подсистеме веяеств. особенно они удобны для исследования тонких пленок, так как глубина выхода вторичных электронов и фотоэлектронов не превышает нескольких десятков ангстрем.

Следует отметить, что область технических применений сверхпроводников неуклонно смекается в область предельно тонких пленок с толцинами порядка 100 Я. У таких образцов большой вклад в их свойства вносит поверхность. Поэтому изучение свойств тонкопленочных систем представляет несомненный интерес для понимания физических механизмов сверхпроводимости в поверхностных слоях вещества. Представляет интерес также и такой метод изучения свойств ХОП, как нанесение на сверхпроводяжие пленки покрытий с известными свойствами. В этом случае при изучении свойств такой системы пленок можно надеяться получить информацию и о свойствах ХОП.

ЦЕЛЫ) РАБОТЫ является исследование методами электронной спектроскопии холодноосажденных сверхпроводящих пленок оериллия и образцов сверхпроводящей керамики *ля 0ПРеАеления осо~

бенностей их электронной структуры и выяснения корреляции этих особенностей со сверхпроводящими свойствами. 2

ВЫБОР ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Среди всех однокомпонентных свер- . хпроводников наивысшая критическая температура Тк= 10 К достигнута в холодноосаяденных пленках берилия. в то хе время массивный бериллий имеет Тк= 0.02В К. Поэтому представляется чрезвычайно интересным понять природу сверхпроводимости в пленках бериллия. Соединение УВз2СизО^_х является сверхпроводником с 93 К и с достаточно несловной технологией приготовления керамических образцов. Это соединение аироко исследовалось при покоци различных методов исследований и накоплено иного информации о его физических Свойствах. Соединение ЧЪъ^и^Т-* лзляэтея типичным представителем ВТСП.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1. Сконструировать, собрать и отладить зкеперимеитальнуо установку. позволявшую исследовать тонкие пленки катодами электронной спектроскопии.

2. Выяснить возможности и проверить правильность работы установки.

3. Исследовать влияние реяимэ напыления на сверхпроводящие свойства холодноосаяденных пленок бериллия с толщинами до 200 ангстрай..

4. Измерить спектры характеристических потерь энергий электронов для холодноосааденных пленок бериллия разной толщнш.

5. Провести исследование влияния покрытий цоэил и германия на свойства холодноосаяденных пленок бериллия.

6. Измерить фотоэлектронные спектры и спектры характеристических' потерь энергий электронов для высокотемпературной сверхпроводящей керамики Определить условия, при которых полученная информация отравает объемные свойства этого соединения.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертационной работе впервые получены сдедувциа результаты:

- сконструирована и собрана станция ФЭС с использованием в качестве возбуадаацего излучения ионохроштизованное синхротроннов излучение в ВУФ области.

- прослояена связь мэвду тестературой подловни и свойстваш! холод-коосагдённых пленок бериллия,

- изнарены спектры характеристических потерь энергий электронов 5ля пленок бериллия.

- исследовано влияние цезиевых и германиевых покрытия на Тк и Пц (олодноосахденных пленок бериллия.

- обнарувено влияние на Тк двуслойной планки процесса' "иэталлиза-дии" слоя покрытия при толщине покрытия около половины конослоя.

- измерены ФЭС спектры соединения УЕ^Си-зО^ при возбуядении фо-

тоэлектронной эмиссии фотонами с энергиями 10 - 18 эВ,

- при температуре жидкого азота обнаружено изменение во времени вида спектров ХПЭЭ и ФЭС керамических образцов YE^CugO^ в течение первых нескольких минут после очистки поверхности.

- для керамических образцов Yf^CugO^ при температуре жидкого •эота обнаружено уменьвение со временем амплитуды сигнала (CLL оже-пика кислорода в течение первых нескольких минут после очистки поверхности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Опыт разработки, изготовленйя и эксплуатации станции фотоэлектронной спектроскопии находит применение в разработке нового поколения приборов для исследования твердых тел с помощью синхротронного излучения.

Результаты исследования холоДноосажденных пленок бериллия добавили ясности к вопросу о природе сверхпроводимости этих пленок.

Исследования высокотемпературного сверхпроводника YI^CujO^ позволили выяснить, что свежеочиценная поверхность этого соединения нестабильна в вакууме при азотных температурах, что объемная электронная структура близка к рассчитанной в рамках одноэлектрон-ного приближения и именно на этой основе, по-видимому* следует искать объяснение механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на ежегодных конференциях Отделения обцей и ядерной физики Института атомной энергии им. И.В. Курчатова в 1983, 1087, 1988 и 1989 гг.. на Всесоюзной конференции по физике низких температур СКижИнев, 1982 г.). на Международной конференции "Физика низких температур 87" (Будапевт. 1987). на II Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев. 1989).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертации опубликовано И печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения. пяти глав и заключения, содержит 136 страниц текста. 48 рисунков и списка литературы из 312 наименований.

11. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

80 ВВЕДЕНИИ излагается суть рассматриваемых проблем, сформулирована цель работы, обосновывается актуальность поставленных задач и выбор объектов исследования, приводятся выводы, выносимые на зациту. дается информация о структуре диссертации.

'"4 -

ПЕРВАЯ ГЛАВА содержит краткое изложение литературных данных по исследованиям холодноосажденных сверхпроводящих тонких пленок простых металлов, обсуждается влияние различных факторов на Тк и зависимость Тк от толщины этих пленок, влияние покрытий на Тк тонких пленок, приведены существующие литературные данные по исследованиям холодноосажденных пленок, бериллия. Кроме того, излагается основные существующие представления о кристаллической структура, электронной структуре и сверхпроводящих свойствах высокотемпературного сверхпроводника ¥832^30^. Представлен краткий обзор литературных данных по исследование соединения УВа2Сид07_я катодами фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии характеристических потерь энергии электронов. Обращено внимание на больвоэ различие экспериментальной и теоретически рассчитанной электронной структуры этого соединения.. Обосновываются цели исследований.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены методы электронной спектроскопии, применяемые в работе для исследования твердых тел. Дан краткий исторический обзор и краткое теоретическое описание физических процессов и возможностей метода фотоэлектронной спектроскопии для определения электронной зонной структуры твердых тел и метода спектроскопии характеристических потерь энергии электронов для изучения коллективных возбуждений и межзонных переходов в твердых телах. Рассмотрен вопрос о толщине поверхностного слоя вещества, анализируемого этими методами.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ подробно описана экспериментальная станция фотоэлектронной спектроскопии с продельным вакуумом 10~® Па, предназначенная для приготовления тонких пленок, измерения их проводимости и исследования тонких пленок и керамических образцов методами фотоэлектронной спектроскопии, оже-спектроскопии н спектроскопии характеристических потерь энергии электронов. Приводятся детальные описания конструкций и рабочие параметры элементов, входящих в состав станции:

1 - монохромзтора вакуумного ультрафиолетового СВУФ) излучения на спектральнуа облзсть 30 - 300 им с разрешением лучше 0.1 им. предназначенного для монохроматиэации синхротронного излучения спецна.-лизированного накопителя "Сибирь 1";

2 - основного рабочего объема установки с предельным вакуумом 10"® / Па, к которому стыкуются все функциональные элементы станции;

3 - сверхвысоковакуумного криостата-держателя образцов для регули- ; рования температуры исследуемых образцов" от 2 до 673 К и имееаего '■■ устройства для измерения проводимости образцов и пленок; _

4 - электростатического энергоанализатора электронов типа "цилиндриЧеское зеркало" с энергетическим разрешением 0,6 % и встроенной электронной пушкой на энергии от 5 до 2500 зВ;

5 - систем напыления тонких пленок бериллия, серебра, свинца, германия. серебра, цезия и измерения их толщин.

Подробно описаны процедура достижения сверхвысокого вакуума в установке, кэтодика и овибки измерений проводимости тонких сверхпроводящих пленок, тешгературы образцов, а также контрольные эксперименты. выполненные для проверки работоспособности спектрометра в режиме измерения фотоэлектронных спектров при малых кинетических энергиях фотоэлектронов и монокроматора в области вакуумного ультрафиолета.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приводятся результаты исследований холодно-осажденных пленок бериллия разной толщины. Пленки приготовлялись путем распыления монокристаллических навесок бериллия из прямона-кальных ячеек Кнудсена на стеклянные подложки, находящиеся в тепловом контакте с резервуаром, наполненным жидким гелием. Вакуум во время напыления пленок был не хуже 2 -10~8 Па. Показано, что Тк пленок зависит от температуры Тп перегрева подложки во время напыления пленок, причем наибольшие Тк получаются при более высоких Тп Св области 8 К < Тр < 14 Ю. Наибольшими Тк обладает одна из мета-стабильных кристаллических модификаций бериллия. При Тп~ 8 К пленки обладают заметной проводимостью при толщинах ~ 4.5 Я. при более,высоких Т^ порог появления заметной проводимости увеличивался,

При исследовании ХОП бериллия методом СХПЭЭ на отражение при энергий первичного электронного пучка Ер* 300 эВ обнаружено, что пленки делятся на две группы по величине энергии объемного плазменного колебания ^ - максимума в спектре ХПЭЭ. На рис.1 показаны спектры характеристических потерь энергии электронов (ХПЭЭ) для ХОП, относящихся к разным группам (см. рис.1). Для одной группы пленок 18 - 18.5 эВ и практически не изменяется при переходе пленок в несверхпроводящее состояние при отжиге (спектры 1 и 2 на рис.1), а для второй группы «у» 16.5 - 17 эВ для ХОП (спектр 3 на рис. 1) и после отжига ^ -V 22,Ъ зВ (спектр 4 на рис. 1). Так как

п1'2 (п - плотность валентных электронов), то был сделан вывод о том. что пленки второй группы имеют плотность на 10 - 20 % ниже, чем пленки первой группы. Эти данные свидетельствуют о наличии по крайней мере двух сверхпроводящих модификаций в ХОП бериллия. Можно предполагать, что в первом случае пленки, по-видимому, имели кристаллическую структуру, а во втором - аморфную.

Рис.1. Спектры ХПЭЭ холодноосажденных пленок бериллия при Т»4.2 К и Еря300эВ: 1 - пленки толщикоп 21,5 Я. 2 - пленки толщиной 30 Я; пленки толщиной 63 Я: 3 - сразу посла напыления, 4 - после отжига.

30

20

Ю

Приводятся результаты по воздействию покрытия цезия и германия на Тк и сопротивление в нормальном состоянии для ХОП бериллия. Обнаружены значительные отклонения от предсказываемой классическим эффектом близости картины при нанесении простого щелочного металла цезия на ХОП бериллия. В области покрытий цезия 2,3 Я наблюдается резкое скачкообразное уменьшение Тк композитной пленки Сем. рис.2) на 0.5 - 0,б К для пленок Ве с толиинами 30 - 50 Я й Тк ~ 7,5 - 9 К. В данном случае проявляется процесс "металлизации" [5], то есть процесс превращения адсорбированных атомов цезия с увеличением толщины покрытия в металлический цезий, при этом вследствие эффекта близости образовавшегося металлического слоя цезия и пленки бериллия Тк уменьпается скачком, так как металлизованная пленка имеет сразу же конечную толщину. Процесс "металлизации" носит общий характер и должен наблюдаться при нанесении любых изтал-лических покрытий на сверхпроводяцие планки. Отражением этого процесса и является скачок Тк в области субмонослойного покрытия, что наблюдалось такге при нанесении покрытий свинца на ХОП бериллия.

Следует отметить, что в поверхностных слоях на границе двух металлов образуется двойной заряженный слой вследствие несовпадения работ выхода электрона, а взаимодействие электронов и ионов на

Тк.к К.

Л«.. V

\\

X

'X'

Рис.2. Зависимость Тк от толцины покрытия цезия для пленок бериллия с толщинами с! = 64 Й СП, й = 45 % (2). 6 = 33 Я <3).

ч

~а 2 * в б

границе приводит к изменению электронных и фононных спектров в поверхностных слоях двух металлов. Эти поверхностные слои вносят свой вклад в изменение Тк вследствие эффекта близости. В навям случае это приводит к добавочному уменьшению Тк.

Типичные зависимости Тк пленок бериллия от толщины ¡^покрытия германия изображены на рис.3. Наблюдается максимум на зависимости ТкС(1^в!> в области малых покрытий. Начальное увеличение Тк в области малых можно объяснить зарядовыми эффектами. Начиная с некоторой слой германия начинает себя вести как объемное веце-ство и. вследствие различия работ выхода, на границе бериллий-гер-

да

в

I: V'-—-.....дол,

ч

\

Рис.3. Типичные заисимости ТкС(1де) для пленок бериллия. Толцины пленок бериллия указаны на рисунке.

\ «НА

1ЛЛ ~ ............

ю

15 .А

Ое

маний возникает двойной заряженный слой. Заряженный слой в герма-г нии - это его поверхностные состояния, которые вследствие эффекта, близости уменьшают Тк композитной пленки. Видно, что формирование этого слоя заканчивается при <1г

"ко'

'ко'

Св ~ 10 - 15 Й. На рис.4 показаны где Т„„= ТцС<1де=0), ЛТ равна разности

в максимУмв и ^^Се"^ Видно, что экспериментальные

точки разделились на два семейства, каждое из которых можно аппро-

Рис.4. Зависимость ТК0/ЛТ от Тко для пленок бериллия с покрытиями германия. 1 и 2 -два семейства эксперимен- . тальных точек.

ксимировать прямой линией С1 и 2 на рис.4). Воздействие покрытия германия на пленку бериллия во всех случаях одинаково, поэтому отличие величин ТК0/йТ определяется только свойствами пленки бериллия. Следовательно, можно утверждать, что пленки бериллия -в рассматриваемом случае существует в двух различных модификациях. Пленки бериллия типа 1 имеют более высокие Тк при тех же толцинах. во время их напыления температура подложки была выае. чем для пленок типа 2. Обсуждаются полученные результаты и сделаны выводы о наличии по крайней мере двух сверхпроводящих фаз для пленок бериллия. Сделаны предположения о структуре этих фаз.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвяцена исследовани» электронной структуры соединения УВа2СидО^_х методами ФЭС и СХПЭЭ. Исследовались керамические образцы с Тк=92 К, содержание примесных фаз составляло менее 1 - 2 %. Было обнаружено, что даже при комнатной температуре в вакууме керамические образцы теряли кислород. Поэтому во время предварительного прогрева установки образцы охлаждались жидким азотом. 1еред измерениями непосредственно в вакууме поверхность образцов с размерами 5x10 мм очищалась при помощи резца из карбида вольфра-

ма. Продолжительность очистки составляла 20 -30 секунд, весь процесс контролировался визуально через смотровое стекло.

В первых хе экспериментах при температуре жидкого азота на образцах с очищенной поверхностью было обнаружено, что вид спектров ФЭС и СХПЭЭ значительно видоизменяется со временем, прошедшим после окончания очистки поверхности. Поэтому пришлось изменить процедуру измерения спектров и уменьвить время регистрации одного спектра до 30 - 50 секунд. На рис.5 представлены фотоэлектронные спектры керамического образца УВа2СизО^_х . измеренные при температуре жидкого азота, при энергиях возбуждающего излучения Ки = 12,2; 13,5; 16,2 и 19,4 эВ и в различные интервалы времени после окончания очистки поверхности. Спектры 1, 3, 5 и 7 записывались с момента времени tQ+ 20 сек до момента tQ+ 120 сек, а спектры 2. 4,

6 и 8 - с момента t0+ 150 сек до момента времени tQ+ (300 - 500) сек, где за tQ принималось время окончания чистки образца. Спектры 2, 4, 6 и 8 близки к спектрам, обычно наблюдаемым для керамик УВа2Сиз0т'_х [3]. для них характерна близкая к нулю плотность электронных состояний на уровне Ферми. В то же время спектры 1, 3, fi и

7 заметно отличаются от них. Спектры 1 и 3 имеют значительные величины Н(Ер) - до 25 % от максимального значения NCE). Изменения формы спектров со временем свидетельствуют о перестройке электрон-

Рис. 5. Фотоэлектронные спектры керамического образца УВа2Си307_х , измеренные при Т = 78 К и различных энергиях возбуждающего излучения *ги. Смотри объяснения б тексте.

ной структуры поверхностного слоя соединения YE^CugO^ в пределах глубины выхода фотоэлектронов, о нестабильности поверхностного слоя в вакууме даже при азотной температуре. Относительная интенсивность спектров, полученных сразу после очистки образца, в области Есв~ 0 - 2,5 эВ существенно увеличивается при уменыении &W Их форма все более приближается к форме теоретически рассчитанного 03 спектра при = 21,2 эВ [6] (спектр 9 на рис.5). Сделано предположение, что отличия в форме спектров, полученных в одинаковые временные интервалы при разных Ьг>, связаны, в основном, с увеличением глубины выхода фотоэлектронов при уменыении fcu. Возможно также, что причиной этого могут быть особенности в структуре конечных электронных состояний или изменение матричных элементов оптического поглощения при изменении энергии возбуждавшего излучения hu. Скорее всего все эти причины вносят свой вклад в наблюдаемое явление. По-видимому, спектр 1 наиболее близок к объемной плотности электронных состояний соединения Yl^CugO^. Быстрое изменение спектров за время 200 сек свидетельствует о существенной перестройке электронной структуры поверхности за эти времена. Уменьшение интенсивности сигнала со временем в области Есв от 0 до 2 эВ связано с уменьвением объема неперестроенного слоя поверхности в пределах области, толщина которой равна глубине выхода фотоэлектронов.

Изменения электронной структуры поверхностного слоя ярко проявляется и в спектрах ХПЭЭ. На рис.6 показаны спектры ХПЭЭ, измеренные при температуре 60 К при энергии первичного пучка электронов 100 эВ и зарегистрированные в моменты времени tQ+ 120, tQ+280. tQ+ 800 и tQ+ 1500 секунд (кривые 1, 2, 3 и 4 соответственно), где за tQ принимался момент окончания очистки поверхности образца. Изменения в спектрах и форма спектра 1 ранее не наблюдались другими авторами. В области потерь энергии менее 12 эВ вид спектра ХПЭЭ определяется переходами электронов валентной зоны в свободные состояния. а в спектре 1 доминирующим является пик при энергии 8.7эВ. практически отсутствующий в спектре 4. Это подтверждает заключение, сделанное в соответствие с данными ФЭС, о перестройке электронной структуры поверхностного слоя.соединения Yl^CugO^. происходящей сразу же после очистки поверхности. Было высказано предположение. что после очистки поверхности происходит перестройка кристаллической структуры поверхностного слоя с соответствующим изменением плотностей свободных и заняты* электронных состояний. Эта перестройка поверхности, по-видимому, сопровождается выходом кислорода из кристаллической реиетки. В пользу этого свидетель-

11

Рис.6. Спектры ХПЭЭ керамического образца УВа2Сиз0р_х. измеренные при Ер= 100 эВ и Т = 60 К. Спектры 1, 2. 3 и 4 измерены через 120. 280. 800 и 1500 сек. соответственно. после окончания очистки поверхности образца.

ствовало обнаруженное методом охе-спектроскопии уменьшение сигнала - пика кислорода со временем 6 %), измеренное в тех же условиях.

Обнаруженные изменение вида полученных спектров СХПЭЭ и ОЭС в течении нескольких минут после окончания чистки поверхности образца, свидетельствуют о нестабильности в вакууме поверхностной структуры соединения УВа2СизО^_х. Эту точку зрения подтверждают и результаты, полученные (одновременно с нашими результатами) при исследовании электронной структуры свежерасколотых при Т = 20 К монокристаллических образцов УЕ^СидОд д [7] в области температур 20 -100 К. Эти результаты свидетельствуют о том, что поверхность этих соединений нестабильна при нагреве вьше 50 К - ФЭ.спектры при этом имеют вид, совершенно отличный от наблюдаемых в [3]; во-первых, наблюдается четкий Ферми-порог, плотность состояний на уровне Ферми составляет 22 *, а во-вторых, форма спектра валентной зоны при 20 К и Ьо = 22 эВ для УЕ^С^О^ д достаточно близка к теоретически рассчитанному в [6] спектру объемных электронных состояний этого соединения. При нагреве кристалла до температур выше 50 К. происходит необратимое изменение ФЭ спектров к обычно наблюдаемым ФЭ спектрам, как. в работах [3]. В наших экспериментах наблюдается процесс полной перестройки поверхности, но в первые моменты после очистки ФЭ спектры при малых Ьи достаточно хорошо согласуются с данным»! [7], В некотором смысле наши данные и данные [7] дополняют друг друга. Можно предполагать, что последовательные расчеты еще не учтенных взаимодействий электронов с другими кваэичастицами

приведут к более верным зонным картинам, однако результаты одно-частичных зонных расчетов [2] является неплохим приближением к реальной электронной структуре YB^Ci^O^. Ножно с уверенность» утверждать, что при азотной и более высоких температурах равновесная структура поверхности значительно отличается от объемной структуры сверхпроводника W^Ci^O^. Поэтому огромное больвинство работ по исследование электронной структуры ВТСП соединений методами фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии характеристических потерь энергии электронов, обратной фотоэмиссии и другими поверхностно-чувствительными методами является неверными по сути -все эти работы на самом деле были посвящены исследования перестроенного слоя поверхности этого соединения. И хотя эти исследования тоже чрезвычайно важны, они все-таки не имевт отношения к объемной электронной структуре высокотемпературного сверхпроводника.

Анализ последних литературных данных позволяет сделать вывод о применимости одноэлектронного приближения для описания электронной структуры данного соединения.

111. ВЫВОДЫ

1. Для работы со специализированным источникЬм синхротронного излучения "Сибирь 1" создана станция фотоэлектронной спектроскопии в области вакуумного ультрафиолета, позволявшая проводить исследования керамических образцов, а также напыление и исследование тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков в широком диапазоне температур методами электронной спектроскопии. Для этой установки разработаны системы напыления пленок и измерения их толщины, гелиевый криостат для охлаждения исследуемых образцов и пленок до температур 2 К. система измерения проводимости исследуемых образцов и пленок, свсрхвысоковакуумный монохроматор ВУФ-иэлучения. спектрометр вторичных электронов со встроенной электронной пушкой, а также системы питания функциональных частей и система управления и автоматизации измерений.

2. Исследованы критические температуры холодноосажденных пленок бериллия с толщинами 4.5 - 200 Я. Обнаружено, что Тк пленок определяется температурой подложки во время напыления. Наибольшие Тк при той же толщине имевт пленки с более высокой температурой

12 - 13 К) подложки во время напыления. Эти пленки имеют,по-ви-димому. кристаллическую структуру. Пленки, напыленные при самой низкой температурой подложки 8 - 9 К) обладают заметной проводимостью начиная с толщин ~ 4.5 8.

3. Впервые методом спектроскопии характеристических потерь

13

энергий электронов показано, что сверхпроводящие пленки бериллия имеют по крайней мере две сверхпроводяцие модификации.

4. Исследовано влияние покрытий цезия на Тк сверхпроводящих пленок бериллия. Впервые обнаружено проявление влияния процесса "металлизации" пленки цезия при субмонослойном 2.2 R) покрытии на Тк пленок Ве, выражающееся в резком уменьшении Тк композитной пленки на 0,3 - 0,8 К вследствие эффекта близости. Аналогичное резкое падение Тк было обнаружено при нанесении покрытий свинца на пленку Ве в области покрытий ~ 2,5 ангстрем.

5. Исследовано влияние покрытий германия на критическус температуру перехода холодноосажденных пленок бериллия. Обнаружено резко немонотонное поведение зависимости TR от толщины покрытия

При (1qq= 2 - 3 й наблюдается максимум (Тк увеличивается на 0,3 - 0,8 К по сравнение со случаем dQ0=O), а затем плавное падение Тк до величин менее исходной Тх и выход на насыщение при d^-» 10 - 15 Я. При дальнейвем увеличении толщины покрытия Тк практически не изменяется. На зависимостях Т_„/дТ от Т„. (где Т.. - это Т„

КО ' ки ко к

при d(je 0, £цТ равна разности в максимума и TK(djje~ 15

Й)>, видно, что экспериментальные точки разделяются на два семейства. каждое из которых можно аппроксимировать прямой линией. Это еще раз подтверждает, что пленки бериллия существуют в двух различных сверхпроводящих модификациях.

6. Методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронов исследованы керамические образцы высокотемпературного сверхпроводника YBajCujO^. Впервые обнаружено резкое изменение спектров ХПЭЭ в первые минуты после проведения чистки поверхности образца. Спектры, измеренные в первый момент времени, значительно отличаются от литературных данных, что свидетельствует о значительной перестройке поверхности образцов ВТСП в вакууме сразу после очистки поверхности.

7. Измерены фотоэлектронные спектры керамических образцов высокотемпературного сверхпроводника УВа2Сиз07_х. Впервые проведены измерения в области малых энергий возбуждающего излучения t>u от 10 до 18 эВ. Обнаружено изменение фотоэлектронных спектров со временем, прошедшим после окончания чистки поверхносности. Форма спектров, измеренных в первые минуты после очистки, близка к плотности электронных состояний этого соединения, полученной в одноэлект-рянных зонных расчетах. Сделан вывод о том, что одноэлектронные зонные расчеты могут быть хорошим приближением для описания свойств высокотемпературного сверхпроводника YBapCu^O^^.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Bednorz J.G., Huiler К.A.//Possible high Tc supercoductivity in the Ba-La-Cu-0 systea// Z.Phys.B, 1986, v.84, p. 189-183.

2. Hassida S., Yu J., Freeaan A.J., Кое ling D.D// Electronic Structure and properties of УВа2СизО^_8, a loe diflensional, low density of states superconductor// Phys.Lett.Aj 1987, v.122,

» 3. 4, p. 198-202.

3. Johnson P.D., Qiu S.L., Jiang L., Ruckaan M.tf. , Slroftgin H., Hulbert S.L., Garret R.F., Sinkovic В., Kaczahowicz E., Salooon R.E., Crow J.E.// Photoeeission study of the high Tc superconductor ВазУСизОд^// Phys.Rev.В, 1987, v.35, 9 16, p.8811-8313.

4. тальников А.И.// Сверхпроводящие свойства тонких металлических слоев// КЭТ», 1940, №6, с.630-640.

5. Больиов Л.А., Напартович А.П., Наумовец А.Г., Федорус А.Г.// Субмонослойные пленки на поверхности металлов// УФН, 1977,

т.122, № 1, с.125-158.

6. Redinger J., Freeaan A.J., Yu J., Hassida S.// Local density theory of X-ray and photoetission fro« YBa2Cu.jÛ7_5: the high Tc superconductor// Phys.Lett. A, 1987, v. 124,'№8, p.469-473.

7. Veal B.W., Liu J.Z., Paulikas A.P., Vandervoort K., Claus H., Caapuzano J.C., Olson C., Yang А.-В., Liu R., Gu C., List R.S., Arko A.J., Bartlett R.// Photoelectron spectroscopy study of УВа2Сиз0х with varied oxygenstoichioaetry: possible evidence for strong coupling superconductivity// Physica C, 1989, v.158, » 1/2, p.297-301.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Атенсио А.А., Гасс А.Н.. Капуста 0.И., Назин В.Г.. Омельянов-ская H.М.//Сверхвысоковакуумная установка для проведения поисковых работ по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости // Препринт № 19 Ин-та спектроскопии АН СССР, г.Троицк Моск. обл.. 1981.

2. Назин В.Г.//Влияние цеэиевых покрытий на сверхпроводимость хо-лодноосахденных пленок бериллия// Тезисы докладов XXII Всесовз-ного совещания по физике низких температур. Кишинев. 1982. ч.З, с.53-54.

3 Назин В.Г.. Капуста 0.И.//Сверх высоковакуумный криостат// ПТЭ, 1982, » 2, с.202-204.

4 Иванов С.Н., Михайлин В.В., Михеева М.Н., Моряков В.П., Назин В. Г., Наумов И. В., Тарасов D.».// Сверхвысоковакуумный ВУФ-мо-

15

нохроиатор//В кн.: Тез.док. У11 Всесоюзной конференции ВУФ-86. Рига, Изд-во Латв.ГУ, 198б,с.167-168.

5. Михеева U.U., Наэин В.Г., Свицев A.B., Стогов A.D.//Установка для низкотемпературных исследований тонких пленок иетодоы фотоэлектронной спектроскопии// В кн.¡Тезисы докладов Ыевдународной конференции "Физика низких температур 87", г.Будапевт, 1987, Дайдвест С F ), с.59.

6. Ыихеова H.H., Назин В.Г.// Влияние германиевых покрытий на сверхпроводимость пленок бериллия// В кн. Тезисы докладов Мовдуна-родиой конференции "Физика низких температур 87", г.Будапешт, 1887, Дайдвест С F ), с.25-26.

7. Иванов С.Н., Михайлин D.B., Михеева М.Н., Моряков В.П., Назин В.Г., Наумов И.В., Стогов A.D. , Тарасов D.i., Шпиньков И.Н.// Сверхвысоковакуумный монохроматор для синхротронного излучения // ПТЭ, 1988, I» 4, с.231.

8. Михеева H.H., назин В.Г., Киреев И.В., Свицев A.B., Серебряков А.М.'// Свойства поверхности иттриевой керамики //"Сверхпроводимость: физика, химия, техника", 1988, т.1, вып.4, с.54-56.

9. Михеева М.Н.. Моряков В.П.. Наэин В.Г., Наумов И.В.. Стогов A.D. , Тарасов D.i., Иванов С.Н., Михайлин В.В.// Сверхвысоко-вакуумный ВУФ-монохроматор //В сборнике ВАНТ. сер. Общая и ядерная физика, 1988, вып.2 (42), с.123.

10. Михеева М.Н., Назин В.Г., Свицев A.B., Стогов A.D., Хлевной Б.В.// Исследование пленок бериллия методом спектрометрии ХПЭЭ//В сборнике ВАНТ, сер. Общая и ядерная физика, 1988, вып. 2 (42). с.133.

11. Киреев И.В., Михеева H.H., Назин В.Г., Свищев A.B.// Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов сверхлро-водяцей керамики YBa^C^Oj^/ Письма в 1ЭТФ, 1988, т.48,

» Ii 11. с.633-834.

12. Киреев И.В., Михеева М.Н., Наэин 8.Г., Свищев A.B.// Электронная структура соединения YI^Ci^O7.$// 1ЭТФ, 1989, т.95,

вып.6, с.2060-2064.

13. Киреев И.В., Михеева М.Н., Назин В.Г., Свицев A.B.// Изменения во времени фотоэлектронных спектров соединения YBa2CugO^_e// "Сверхпроводимость: физика, химия, техника" 1988, т.2, вып.12, с.75-78.

14. Киреев И.В., Михеева М.Н., Назин В.Г., Свицев A.B.// ВремеЬные изменения электронной структуры соединения УВа2Сиз07_й//В кн. : Тезисы докладов 11 Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости, Киев. 1989, т.11. с.133.