Измерение оптических характеристик высокотемпературного сверхпроводящего купрата YBa2 Cu3 O7- δ в широкой области спектра тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЭГ8 ОД / В ШОП 1938

17-98-140

На правах рукописи УДК 538.945

СКЫНТЕЕ Николай Николаевич

ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО КУПРАТА УВа2Си307-8 В ШИРОКОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Специальность: 01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 1998

Работа выполнена в Лаборатории сверхвысоких энергий

Объединенного института ядерных исследований

Научные руководители: профессор., доктор физико-математи-

ческих наук Аксенов В.Л. кандидат физико-математических наук Тютюнников С,И. (ЛСВЭ, ОИЯИ)

Официальные оппоненты: . доктор физико-математических наук

Макснменко С.А. (ИЯП, г.Минск) кандидат физико-математических наук Савенко Б.Н. (ЛНФ, ОИЯИ)

Ведущая организация: Институт атомной энергии

им. И.В. Курчатова, г.Москва

Защита состоится " /С 1998 г. в " часов на зе седании диссертационного совета Д 047.01.05 при Лаборатории нейтронной физики и Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований, г.Дубна Московской области. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ. Автореферат разослан "_"_ 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Попеко А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

С появлением ВТСП материалов инфракрасная спектроскопия стала одним из основных методов исследований электронных и фононных свойств, так как из-за малой длины когерентности для ВТСП по сравнению с классическими металлами очень затруднена интерпретация методов туннельной спектроскопии. Необычные физико-химические свойства новых материалов приводили к противоречивым результатам в исследовании оптических свойств. Прежде всего это связано с большим поглощением ИК-излучения в металлооксидных купратах и влиянием поверхностных свойств на спектры отражения, что затрудняло получение спектров поглощения. Из-за этого полученные результаты по измерению величины энергетической щели колебались в широком пределе 2й/кТс - от 1,7 до 7. Прямые измерения спектров пропускания ВТСП пленок были затруднены тем, что ограничена яркость источника излучения в области длинноволнового инфракрасного диапазона. В связи с этим, большое значение имела разработка методик исследования в ИК области на импульсном источнике синхротронного излучения с большой яркостью.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлось:

— Физическое обоснование метода инфракрасной спектроскопии на пучке СИ импульсного накопителя электронов;

— Создание методики измерения оптических характеристик ВТСП пленок по временной эволюции спектра СИ в импульсном накопителе;

— Измерение величины энергетической щели и ее температурной зависимости для ВТСП пленки по схеме пропускания;

— Исследование оптических свойств ВТСП пленок.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

— Впервые создана экспериментальная установка для измерения спектров пропускания на импульсном пучке СИ в дальнем ИК диапазоне с рекордной яркостью, превосходящей все известные источники СИ на два порядка, и высоким (2мс) временным разрешением;

— Впервые были проведены измерения величины энергетической щели в сверхпроводящей пленке УВагСиз07-б по спектру пропусканию.

' Получены экспериментальные результаты по измерению зависимости величины щели от температуры;

— Проведена реконструкция лабораторного Фурье-спектрометра ЛАФС-1000, получено рекордное разрешение А\^0,05смл. Созданы программы для быстрого Фурье-преобразования полученных ин-терферограмм. С высоким разрешением измерена фононная структура ВТСП материалов разного состава;

— Впервые обнаружен в оксидных сверхпроводниках эффект фотоин-дуцированного поглощения, вызываемого падающим излучением видимого диапазона. Проведены измерения спектральных характеристик обнаруженного фотохромного эффекта. Получены результаты по связи фотохромного эффекта и сверхпроводящих свойств ВТСП материалов;

— Обнаружена полоса экситонного поглощения в ВТСП пленке УВСО и измерена ее зависимость от температуры.

НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

— Создана экспериментальная установка для инфракрасной спектроскопии на пучке СИ импульсного накопителя электронов с временным разрешением т=2мсек, которую можно использовать для получения спектров пропускания ВТСП материалов;

— Впервые получены значения величины энергетической щели для ВТСП пленки УВагСизС^-б, используя спектры пропускания. Такие исследования важны для выяснения механизмов высокотемпературной сверхпроводимости;

— Реконструирован лабораторный Фурье-спектрометр длинноволнового диапазона. Получено разрешение \г=0,05смл, что позволяет регистрировать фононную структуру в дальней инфракрасной области спектра;

— Впервые обнаружен фотохромный эффект в оксидных сверхпроводниках и установлена его связь со свойствами ВТСП пленки, что позволяет создать бесконтактный способ диагностики сверхпроводящих свойств;

— Большинство элементов установки может быть использовано при создании ИК-каналов и станций на пучках СИ накопителя "СИБИРЬ", РНЦ "Курчатовский институт" и планируемого накопителя в ОИЯИ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Полученные автором результаты докладывались на национальных и международных конференциях:

з

— международное совещание по синхротронному излучению, Польша, 1996 ;

— русско-французский семинар по нейтронным и синхротронным излучениям, 1996 г.;

— Международная конференция по оптическим эффектам, SPIE, 1996;

— Международное совещание по источникам излучения в инфракрасной области, США, Сан-Диего, 1997.

Основу диссертации составили следующие публикации по работам, вклад автора в которые является определяющим.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, трех глав, содержащих обзор работ и основные результаты, заключения, и списка литературы. Работа изложена на 110 страницах машинописного текста, включая 94 рисунков и 108 библиографические ссылки.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе описываются характеристики СИ импульсного накопителя электронов. Представлены результаты по использованию СИ в инфракрасном диапазоне для исследования конденсированных сред. Широкое применение источников СИ связано с тем, что их яркость зна-

в

_А иин

С » (¡7 II Щ (I | V Р Кб

рис.1 Спектр СИ в видимом и ближнем ИК диапазоне

чительно превосходит непрерывные источники типа глобар, ртутная лампа и т.д.

Приводятся результаты по исследованию спектрального распределения СИ в импульсном накопителе в видимом и ближнем ИК-диапазоне (рис.1).

Приводятся результаты по измерению мощности излучения в длинноволновом спектральном диапазоне с помощью криогенных детекторов. Результаты по измерению абсолютной мощности СИ хорошо согласуются с расчетными значениями.

Приводятся различные оптические системы для фокусировки инфракрасного излучения на образце в импульсном накопителе электронов. Представлены результаты по измерению эффективности фокусировки СИ этими системами.

Во второй главе представлены результаты по разработке метода импульсной ИК спектроскопии по эволюции во времени спектра СИ за счет сжатия электронного кольца в импульсном накопителе.

Приводятся описания различных характеристик высокотемпературных оксидных сверхпроводящих материалов, описаны различные теоретические подходы к формированию сверхпроводящего состояния в этих материалах.

Представлены результаты по формированию спектров СИ электронным кольцом с изменяемым во времени радиусом (рис.2). Приводит-5

>1 £ 02Л »_

10 к) У/А

Л ш

" Чцт) ™

рис.2 Мгновенные спектра СИ для разных моментов времени:

13- 1,7мс; 2- 1,9мс\ 2,1 мс\ 4- 2,3мс\ 5- 2,5мс

1 СИ ] Те

Тм

0.8-

0.6-

Т\ УвагСшОт-г

¡0Л- I К,

I 0.2- 4+

0 40 60 80 т'к

рис.3 Зависимость про-

пускания от температуры

ся интегральное уравнение, связывающее измеряемые параметры с детектора ИК излучения, регистрирующего прошедшее сквозь образец излучение и величину энергетической щели. Приводится описание экспериментальной установки, созданной на пучке СИ импульсного накопителя электронов. Приводится описание прокачного оптического криостата, созданного для измерения спектров пропускания в длинноволновом ИК диапазоне в интервале температур Т=(4,6+300)К.

Приводятся результаты по измерению спектров пропускания - - сверхпроводящей пленкой УВагСизО?^

синхротронного излучения импульсного накопителя в инфракрасном диапазоне. На рис.3 представлена зависимость пропускания от температуры на длине волны Л=330мкм. Получены данные по обработке временной зависимости сигналов с ИК детекторов и получены значения величины энергетической щели 2й. Проведены измерения температурной зависимости этой величины от температуры (рис.4).

Приводятся результаты по сравнительному анализу полученных экспериментальных данных с различными теоретическими моделями возникновения сверхпроводимости.

рис.4 Зависимость энергетической щели от температуры для УВа2Сиз07.б

В третьей главе приводятся экспериментальные результаты по измерению оптических характеристик пленок УВСО в широкой области

спектра с использованием непрерывных источников излучения: глобар, ртутная лампа и т.д.

Проведен обзор экспериментальных результатов по измерению оптических характеристик ВТСП материалов в средне- и длинноволновом ПК диапазоне, приводятся основные теоретические модели формирования оптических характеристик ВТСП структур.

Приводится описание Фурье-спектрометра ЛАФС-1000 с источником излучения - ртутная лампа. Приводится алгоритм обработки экспериментальных результатов по измеренному коэффициенту отраже-

их зависимости от частоты (рис.5). Приводятся также результаты по

измерению частот фононных колебаний кристаллической решетки для

разных структур УВСО: тетрагональной и ромбической.

Приводятся результаты по измерению оптических свойств пленок

и матриц, содержащих УВСО, на монохроматоре ИК диапазона ИКС-31

с источником излучения - глобар. Были проведены измерения спек-

7

тров пропускания в интервале длин волн А=0,8+20мкм и интервале температур Т=77+300К.

Приводится описание экспериментальных методик по измерению оптических свойств ВТСП пленок разного состава в видимой области

50% РЬо(оти1ир11сг»10пв1 ( УВССО ■ »-к 100% 9» РПоЮШВМрНвг «|дп*| В5ССО )

» " ' « « «,.-», """к у ....................... 1

1 |

9 ■ 1 ', ■ ■ 1 ж - ишр 1 ' мкя»*-1

М « ее во м» »го

рис.6 Фотоиндуцированный эффект в УВСО

рис.7 Фотоиндуцированный эффект в ВБССО

спектра. Эти методики направлены на определение спектральных характеристик сверхпроводящих пленок. Приводятся результаты по измерению зависимостей спектров пропускания от мощности передающего излучения, от температуры в диапазоне Т=4,7+300К, и также от структуры сверхпроводящей пленки. Приводятся характеристики обнаруженного фотохромного эффекта и его зависимости от температуры Тс сверхпроводящего перехода (рис.6, рис.7).

В заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные в данной работе.

Также приведен список публикаций по теме диссертации и общий список литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

— Проведены экспериментальные исследования спектральных характеристик синхротронного излучения СИ импульсного накопителя электронов в широкой области спектра. Показано, что яркость источника СИ импульсного накопителя в длинноволновом диапазоне более, чем в 50 раз превосходит все известные источники СИ, на которых ведутся эксперименты по ИК спектроскопии.

— Создана установка для инфракрасной спектроскопии твердых тел на пучке СИ импульсного накопителя, которая включает конический световод, набор криогенных детекторов, прокачной оптический криостат для образцов.

— Разработан метод измерения спектров пропускания объекта с использованием временной эволюции спектра синхротронного излучения при сжатии электронного кольца в импульсном накопителе электронов. Получено спектральное разрешение на уровне Av~2+3cм~: при измерении спектров пропускания от 20смл до 1000см"1 за время г=2+3мсек.

— Проведены измерения спектров пропускания сверхпроводящей пленки УВа2Си307_5, определено значение величины энергетической щели при Т=20К и измерена ее зависимость от температуры. Обнаружено уменьшение пропускания по длине волны А=330мкм в зависимости от мощности СИ. Величина пороговой мощности Р=1Вт/см2 значительно меньше, чем требуется для разрушения сверхпроводимости при т=60К.

— Проведена реконструкция Фурье-спектрометра ЛАФС-1000, получено разрешение Лу~5-10'2см'\ Проведены измерения фононной структуры УВа2Сиз07.б в тетрагональной и ромбической фазе.

— Проведены исследования оптических свойств ВТСП структур в видимой области спектра в области температур Т=4,7+300К. Впервые обнаружен фотохромный эффект (ФХЭ) в измеряемых ВТСП пленках. Величина ФХЭ коррелирует со структурой оксидного сверхпроводника. Измерены спектральные, временные характеристики фо-тохромного эффекта. Обнаружено нелинейное поведение ФХЭ при больших интенсивностях падающего излучения. Обнаружена полоса экситонного поглощения при Т<150К.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1 Тютюнников С., Шаляпин В., Скынтее Н., Исследование ВТСП пленок в области инфракрасной спектроскопии на пучке синхротронного излучения, Сообщение ОИЯИ P14-95-21Î, Дубна, 1995.

2 Тютюнников С., Шаляпин В., Балалыкин Н., Бух Ю., Ергель М., Скынтее Н., Оптические свойства сверхпроводящих пленок YBCO, BSCCO, ТВССО в видимой и ближней инфракрасной части спектра, Сообщение ОИЯИ Р14-95-2110, Дубна, 1995.

3 Tiutiunnikov S., Shaliapin V., Scintee N., Measurement of infrared transition spectrum of synchrotron radiation through superconducting YBa2Cu307-6 film, Acta Physica Polonica A, vol91(1997), N5 p893-897.

4 Tiutiunnikov S., Shaliapin V., Balalykin N., Scintee N., Photochromatic and other optical effects in HTSC films, Proceeding SPIE vol2961, 1997, p.255-259; Optical Inorganic Dielectric Material and Devices, 26-29 August, 1996, Riga.

5 Скынтее H., Тютюнников С., Шаляпин В., Шашков С., Лабораторный инфракрасный Фурье-спектрометр для исследований в физике конденсированных сред, Сообщение ОИЯИ Р14-97-150, Дубна, 1997.

10

6 Тютюнников С., Шаляпин В., Шашков С., Скынтее Н.р Оптические постоянные высокотемпературного сверхпроводника УВа2Сиз07-5 в широком спектральном интервале, Сообщение ОИЯИ р-14-97-299, Дубна, 1997.

7 Tiutiunnikov S., Shaliapin V., Scintee N., Tunable source of high-power synchrotron radiation in infrared range, Proceeding SPIE 1997, vol.(3153), p.27-34 (International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation, 27 July-1 August 1997, San-Diego, USA).

8 Аксенов В.П., Иванов И.Н., Коваленко М.Н., Миронов В.Е., Скынтее Н., Тютюнников С., Шаляпин В., О создании спектроскопических станции ОИЯИ на пучке Курчатовского источника синхротронного излучения, Сообщение ОИЯИ, Р14-96-86, Дубна, 1996.

ЛИТЕРАТУРА

1. BednorzY., MullerK., Revs.Mod.Phys. 60.585(1988).

2. Bardeen J., Cooper L., Shrieffer J., Phys.Rev.108, p1175, 1957.

3. Tanner D., Romero D., Kamaras K. et al, High-Temperature Superconductivity; Physical Properties, Microscope Theory and Mechanismus, ed.G.C.Vezolli et al, Plenum, New York, pp159-176 (1992).

4. Kuzmin E., Scintei N., Tiutiunnikov S., Shalyapin V., Сообщение ОИЯИ, E14-91-542, Дубна, 1991.

5. Тютюнников С., Шаляпин В., Щеулин А., Швецов В., Экспериментальная проверка возможности использования синхротронного излучения для инфракрасной спектроскопии твердых тел, ЖТФ, т62, 3(146-152), 1992.

Рукопись поступила в издательский отдел 22 мая 1998 года.