Микроконтактные исследования аморфных и тяжелофермионных соединений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

гп

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИИ ІНСТИТУТ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР „ ЇМ. Б.І.ВЄРКІНА

п / Г* Л *7

и і.'іо/

На правах рукопису

КВІТНИЦЬКА Оксана Євгенівна

МІКРОКОНТАКТНІ ДОСЛІДЖЕННЯ АМОРФНИХ І ВАЖОФЕРМІОННИХ СПОЛУК

01.04.07 - фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук

Харків - 1996

Дисертація є рукописом

Робота виконана у Фізико-технічному інституті низьких температур їм. Б. І.Веркіна Національної Академії наук України, м.Харків '

Наукові керівники: академік НАН України,

доктор ф1зико-математичних наук Янсон Ігор Кіндратович; кандидат фізико-математичних наук Найдак Ерій Георгійович

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

. Свістуиов Володимир Михайлович

доктор фізико-математичних наук Колесниченко Юрій Олексійович

Провідна організація: Харківський державний університет

Захист відбудеться " 14 " січня 1997р. о 15.годині на засіданні Спеціалізовано! вченої ради Д 02.35.02 при Фізико-технічному Інституті низьких температур ім.Б.І.Веркіна НАН України (ЗІ0І64, м.Харків, пр.Леніна 47).

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці ФТІНТ ім.Б.І.Веркіна НАН України.

Автореферат розіслайо " /3 " і199 6р.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук - ,>/ О.С.Ковальов

Актуальність роботи визначена необхідністю розвитку уявлень про нерівноважні процеси, що протікають в елементах мікроскопічних розмірів, які знаходяться у перехідному режимі протікання струму у мікроконтакті - від дифузійного до теплового, для яких відсутня розвинута теорія. Головна увага у роботі приділяється актуальній проблемі фізики твердого тіла - дослідженню нормального та надпровідного стану у сполуках з важкими ферміонамИ' (СВФ). Як свідчать численні експерименти, властивості цих сполук суттєво відрізняються від властивостей звичайних металів і вони мають при низьких температурах квазічастинки з ефективною масою у І00-1000 разів більшою за масу вільного електрона [1].

Метою роботи було вивчення транспортних властивостей СВФ методом мікроконтактної спектроскопії (МКС). Беручи до уваги неординарність таких сполук, спочатку було досліджено мікроконтакти з аморфного надпровідника гг2Ні, який мпг: характерні довжини пробігу електронів, а також доітшу когерентності того ж порядку, що 1 в СВФ, але ефективну масу електронів як в звичайних, металах. .

Наукова новизна роботи визначається розширенням експериментальних уявлень про провідність мікроскопічних об’єктів зі сполук з короткими довжинами вільного пробігу електронів. Таким чином, в результаті дослідженнь мікрокон-тактів з аморфного надпровідника ггііі було встановлено, що зміна співвідношення мін розміром контакту і глибиною проникнення магнітного поля в надпровідник є основною причиною трансформації виду ВАХ мікроконтакту. Показана можливість спектроскопії у мікроконтактах з СВФ, і вперше методом МКС була виявлена анізотропія енергетичної щілини, що існує в електронному спектрі СФВ Шиг5і2 у антиферо-магнітному стані. Вперше методом МКС досліджена антиферо-магнітна сполука иси<+хлів_2, і показано, що її мікро-контактні характеристики можна задовільно описати за допомогою теплової моделі.

Достовірність одержаних в роботі результатів

-4- ■

забеспечується використанням апробованої методики експериментальних досліджень та вимірювальної апаратури, відтворюваністю одержаних результатів, їх порівнянням з аналогічними даними Інших авторів. Обгрунтованість висновків базується на старанному критичному .аналізі одержаних результатів і порівнянні їх з теоретичними уявленнями.

Наукова і практична цінність. Одержані експериментальні результати демонструють можливість застосування МКС для дослідження транспортних властивостей провідників з короткими довжинами вільного пробігу електронів. Знайдені критерії для визначення режимів МКС у конкретних сполуках, що дають можливість одержувати спектроскопічну інформацію з досліджуваних характеристик. Виявлена анізотропія йУ/сіі(У)- характеристик мікроконтактів з Ши23іг, яка пов'язана з частковою діелектризацією поверхуі Фермі; це. відкриває можливість вивчення за допомогою МКС електронного спектра в СВФ.

Основні положення, що підлягають захисту.

І. Експериментально вивчені та пояснені особливості вольт-амперних характеристик (ВАХ) мікроконтактів та їх трансформація в залежності від опору для аморфного надпровідника гг2Ш., яка пов'язується зі зміною співвідношення розміру контакту і глибини проникнення магнітного поля.

2. Вперше за допомогою методу МКС була виявлена анізотропія енергетичної щілини спінової густини, у важкофермІонному надпровідникові Ши28і2 при переході до антиферомагнітного стану. Оцінена величина цієї щілини 1 одержана її температурна залежність.

3. Виявлена і вивчена асиметрія диференційного опору Бїі(у)=іу/сіі(у) гетероконтактів на основі Ши2Бі2 1 иСи4+хА1в_х- Показано, що для цих сполук асиметрія йУ/сЛ(V) має різне походження.

4. У мікроконтактах між важкоферм іонним надпровідником ивеи і звичайними надпровідниками виявлена відсутність джозефсонівського спарювання, що пов'язується з наявністю прошарку на поверхні иве^, який має пароруйнівні властивості.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались на:

- Pirst International Conference on Point-Contaot Speotro-soopy, September 4-Ю, 1991, Kharkov, Ukraine;

- 13th General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society, March 29-Apr.2, 1993, Regensburg, Germany;

- Second International Symposium on High-Temperature Superconductivity and Tunneling Phenomena, September 1994, Donetsk, Ukraine; "

- Tagungen Deutscher Physikalischen Gesellschaft, March

1995, Berlin, Geiraany;

- Seoond International Conference on Point-Contact Spectroscopy, June 7-Ю, 1995, Nijmegen, the Netherlands;

- Tagungen Deutscher Physikalischen Gesellschaft, April

1996, Regensburg, Germany;

- XXI International Conference on Low Temperature Physics, August 8-14, 1996, Prague, Czech Republio.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, семи глав, висновку t- списку цитованої літератури, що включає 101 найменування. Загальний обсяг дисертації - 158 сторінок, до складу яких входять 42 малюнки 1 З таблиці.

Зміст роботи

У вступі обговорюється актуальність обраної теми. Формулюються основні положення, що підлягають захисту, основні відомості про апробацію роботи.

У першій главі подається стислий опис методу мікроконтактної спектроскопії, викладаються йідомості про її режими (балістичний, дифузійний і тепловий) та особливості, МКС надпровідників.

Друга глава присвячена відомостям про основні властивості СВФ і їх особливості у нормальному та надпровідному станах.

-6- -

У третій главі описується метод 1 схема вимірювання нелінійностей ВАХ. Тут приводяться основні математичні співвідношення модуляційного методу вимірювання похідних ВАХ. Докладно викладається методика приготування зразків.

На експериментальній установці автоматично реєструвалися ВАХ контактів, а також, використовуючи модуляційну методику, і перша гармоніка модуляційного сигналу, яка є пропорційною першій похідній ВАХ - ¿У/сії.

Мікроконтакти утворювалися за способом "голка-ковадло". Спеціальний пристрій дозволяв здійснювати зближення двох електродів безпосередньо у рідкому гелії до утворення металічного контакту.

. \

У четвертій главі досліджуються ВАХ гетероконтактів між аморфним надпровідником гг2М і нормальними металами.

Якщо розглянути контакти з різним опором при одинаковій

температурі, то по мірі зменшення опору контакту зростає нелінійність ВАХ у надпровідному стані (мал.І). До того ж для низькоомних контактів на ВАХ завжди спостерігається зрив по напрузі, який для б і льш високоомних контакт і в трансформується у перегин. У надпровідному стані лінійна частина ВАХ зміщувалася відносно характеристики в нормальному стані на величину надлишкового струму, який збільшувався зі зниженням температури, і при фіксованій температурі та вище деякої критичної напруги залишався незмінним.

Розмір досліджуваних контактів був у Інтервалі 0,01-10 мкм. Розрахована по розміру контактів густина критичного струму є набагато меншою за густину струму розпарювання, а постійне значення надмірного струму свідчить про нетешіове походження стрибка напруги на ВАХ. Він пов’язується з

<

2

Мал.І

У.мВ

досягненням магнітним полем, яке генерується струмом, величини першого критичного поля і переходом області контакта у резистивний стан. Перехід від зриву до перегину ВАХ і навпаки має місце при співвідношенні розміру контакту і і глибини проникнення магнітного поля у надпровідник к: сЬ2Х. При й<2Х рух вихорів, яким обумовлюється резистивний стан, буде утруднено, і зрив ВАХ переходить в перегин. Така ж трансформація спостерігається в низькоомних контактах з підвищенням температури внаслідок температурної залежності X.

Таким чином нами була запропонована модель пояснення різких нелінійностей ВАХ, яку треба приймати до уваги при розгляді мікроконтактів з надпровідників з короткими мікроскопічними довжинами.

П'ята глава присвячена дослідженню диференційного опору ^(У) гетероконтактів на основі сполуки иси4+^і (х=0;

0,5 і 1,5). Сполука відома як речовина, в якій

заміна Аі на Си при низьких температурах приводить до переходу від антиферомагнітного до важкоферміонного стану внаслідок зменшення відстані між іонами и і гібридізації г-електронів з електронами провідності.

На залежностях ^(У) гетероконтактів спостерігається мінімум при малих зміщеннях, глибина і ширина якого зменшується зі збільшенням х. Температура, при якій зникав цей мінімум, корелює з температурою, при якій спостерігається особливість на питомому опорі иси4+хА1в_х. Це є однією з ознак того, що досліджувані мікроконтакти знаходяться у тепловому режимі. У цьому режимі температура у контакті зростає з напругою за правилом Кольрауша (т^-т^), де

ь - число Лоренца, тш - температура у центрі контакту, то-температура ванни). Лінійна температурна залежність положення особливостей диференційного опору для всіх х, яке виходить з цього правила (при Т0 « Т^), є ще одним доказом теплового режиму протікання струму у мікроконтактах.

У тепловій моделі вид ВАХ (і відповідно диференційного опору) обумовлюється температурною залежністю питомого опору

р(Т) за формулою: і(У)

У4

20 40

V, мВ

очевидно обумовлена припускається у тепловому режимі

х-відотань від центру контакту в умовних одиницях. На підставі температурних залежностей питомого опору були розраховані теоретичні залежності контактів іїСи4+хАіа_х з різною концентрацією міді. Як видно з мал.2, отримані результати дають непогану кореляцію між експериментом (лінії) і теорією (символи) для контактів з концентрацією х=0; 0,5, на

відміну від х=І,5. Така невідповідність пов'язується з тим,

. що тиск, який створюється у мікроконтакті, може приводити до зміни властивостей важко-ферміонної сполуки.

- Всі досліджені характеристики є асиметричними. Поведінка асиметричної частини термоелектричними ефектами, як

У шостій главі обговорюються експериментальні дані дослідження ШигБі2 у нормальному та надпровідному стані. У цьому СВФ при температурі Тн=І7,5К реалізується перехід до антиферомагнітного стану, що супроводиться збудженнями хвиль спінової густини у локалізованій £-системі, які приводять до виникнення анізотропної щілини на частині поверхні Фермі у нормальному стані иш2Біг. При Т=І,2К сполука переходить у надпровідний стан, який співіснує з антиферомагнетизмом.

Нами були вивчені гомо- і гетероконтакти на основі ГОи2Бі2. У цих контактах реалізується нетепловий режим протікання струму в області малих енергій. Про це свідчить різна поведінка в області малих енергій Нв(V) і температурної залежності опору контакту при у=о. Основна увага приділялася дослідженню гомоконтактів, утворених увздовж двох

кристалографічних напрямків ігои25і2 - паралельно осі "с" і перпендикулярно їй. Перші похідні ВАХ в обох випадках мали якісно схожий вигляд, а саме, при малих зміщеннях на 1^00 спостерігався асиметричний максимум, інтенсивність якого зменшувалася з зростанням температури, і він зникав при Тн. Проте на симетричній частині ^(У), яка визначалася за фор-для контактів з віссю, лінія, мал.З), цей максимум, як

-10 0 10 V, мВ

Мал.З

мулою: и^СУЬО.Яіу-УНіу+У)]; паралельною ”с" (тонка правило, був відсутнім на відміну від контактів, вісь яких лежала в площині "аЬ" монокристала (жирна лінія, мал.З).

Обговорюваний максимум на йп(У) мікроконтактів пов'язується з проявом щілини на поверхні Фермі. Отримані результати

свідчать про те, що енергетична щілина у густині електронних станів ини25і2 анізотропна і існує у напрямках,

перпендикулярних осі "с" Ши2Бі2, тобто де спостерігається максимум на симетричній частині

Для одержання інформації про величину енергетичної щілини була використана підгонка під симетричну частину ^(У)-Це дало можливість виділити частину диференційного опору, яка на нашу думку відповідає щілині. Набір таких залежностей при різних температурах для одного з гомоконтактів показано на мал.4. Середнє значення ширини максимума для всіх контактів було ~І0 мВ, що добре збігається зі значенням величини щілини 10—II меВ, визначеним іншими методами

го оі І ^ і •

2

О

•о

"Ы

§

Мал. 4

-10- •

За теорією усередненого поля термодинаміка переходу до стану з хвилями спінової густини 1 до надпровідного стану співпадає.. Температурна залежність щілини у наших дослідженнях (показана для деяких гомоконтактів символами на мал.5) корелює краще з аналогічною залежністю, розрахованою для сильно анізотропних систем з хвилями зарядової густини (пунктирна лінія), аніж з залежністю щілини за БКШ-теорією (суцільна лінія).

Характеристики гетероконтактів мають ту ж саму 'якісну поведінку, що і гомоконтакти, але є більш асиметричними, до того ж асиметрія максимума й/У) для гомоконтактів мала випадковий характер на відміну від асиметрії для гетероконтактів. Асиметрія диференційного опору при малих зміщеннях (до ІОмВ) не може бути поясненою у рамках теплового режиму, що є ще однією ознакою можливості спектроскопії у цьому енергетичному інтервалі.

При дослідженні контактів з Ши2Біг у надпровідному стані, була виявлена наявність нормальнопровідного прошарку на поверхні СВФ.

У сьомій главі обговорюються результати спроби реалізувати джозефсонівський контакт між важкоферміонним надпровідником иве1Э і традиційними надпровідниками. Окрім того були досліджені гомо- і гетероконтакти иве^ з нормальними металами.

Основним, хоч і негативним результатом, є відсутність джозефсонівського струму у контактах між ивеи і традиційними надпровідниками, що пов'язується із впливом поверхні иве^. В усіх випадках на диференційному опорі контактів при у=0 спостерігався мінімум, інтенсивність якого зменшувалася з підвищенням температури, і він зникав поблизу критичної температури ивеи а 0,9 К. Але, як і у випадку з Ши2Бі2, ця

Мал. 5

надпровідна особливість на і^ОЛ імовірніше має резистивну природу. На відміну від контактів ивеіз з нормальними металами для контактів з традиційними надпровідниками у магнітному полі спостерігається розширення мінімуму (V) при Т<ТС. Така незвичайна поведінка може бути пояснена покращенням тепловідводу з області контакту, коли один з контрелектродів переходить у нормальний стан.

Основні результати і висновки роботи сформульовані у заключній частині дисертації.

1. Виявлені особливості на ВАХ Б-с^ контактів на основі аморфного надпровідника . гг2М, які пояснюються досягненням величини магнітного поля, яке генерується струмом, ідо тече через контакт, величини нижнього критичного поля і рухом абрикос івських вихорів. Трансформація виду ВАХ при зміні опору або температури пов'язується зі зміною співвідношення між розміром мікроконтакту і глибиною проникнення магнітного поля у надпровідник, що впливає на вихрову кінетику.

2. Доказаний нетепловий режим протікання струму в мікрокон-тактах з Тои23і2 і таким чином можливість спектроскопії щілини, що існує на частині поверхні Фермі в антиферомаг-нітному станів наслідок утворення хвиль спінової густини. Вперше методом МКС виявлена анізотропія цієї щілини, а також визначено її значення і температурна залежність.

3. Показано, що мікроконтактні характеристики сполук иси4+3Аів_х (х=0; 0,5 і 1,5) можна задовільно описати у рамках теплового режиму. Це підтверджує і поведінка асиметрії іу/сіі(V)- залежностей гетероконтактів.

5. Установлено, що походження надпровідних особливостей на мікроконтактних характеристиках СВФ є переважно резистивним, а не обумовлено процесами андрєєвського відбиття. Проведено вивчення мікроконтактів на основі важкоферміонного надпровідника ивеи з різноманітними традиційними надпровідниками. Відсутність джозефсонівського струму у таких контактах пов’язується з сильною розпарювальною дією межі (і/або поверхні надпровідника). Пояснена аномальна поведінка мікроконтактів у магнітному полі.

Основні результати дисертації опубліковані у роботах:

1. Ю.Г.Найдюк, О.Е.Квитницкая. .Изучение ВАХ s-o-N контактов на основе аморфного сверхпроводника Zr2Ni // ФНТ, 1991, т. 17, N 7, с.841-851.

2. Ю.Г.Найдюк, О.Е.Квитницкая, И.К.Янсон, В.Суски, Л.Фоль-чик. Микроконтактные исследования соединений ucu<+rAla_x // ФНТ, 1993, Т. 19, N 3, с.289-295.

3. Ю.Г.Найдюк, О.Е.Квитницкая, А.Новак, И.К.Янсон, А.А.Ме-новский. Анизотропия микроконтактных спектров URu^s^ в нормальном состоянии // ФНТ, 1995, т. 21, N 3, с.310-315.

4. Yu.G.Naidyuk, O.E.Kvitnitskaya, A.Nowaok, I.K.Yanson, A.A.Menovsky. Anisotropy of the gapped Fermi surfaoe of URu2Si2 in the antiferromagnetio state studied by point oontaot spectroscopy // Physica B, 1996,v.218, p.157-160.

5. O.E.Kvitnitskaya, A.Nowaok, S.Wasser, Yu.G.Naidyuk, W.Sohlabitz, Z.Fisk. Point-contaots between the heavy-fermion superconductor UBei3 and conventional superoon-duotors // Czechoslovak Journal of Physios, 1996, V. 46,t Suppl. S2, p.799-800.

ЛІТЕРАТУРА

1. Z.Pisk, D.W.Hess, C.J.Pethick, D.Pines, J.L.Smith,

J.D.Thomson, J.O.Willis.// Soienoe, 1988, Vol.239, p. 33-41.

2. M.B.Maple, J.W.Chen, Y.Dalichaouch, Y.Kohara, C.Rossel,

M.S.Torikachvili, M.W.lloElfresh, J.D.Thompson.// Rev. Lett.,

1986, V. 56, N 2, p. 185-188.

3. P.G.Aliev, V.Kovaohik, Y.V.Moshchalkov, Y.Y.Pryadin,

N.E.Alekseevskii, A.V.Mitin, N.Agrait, S.Yiera, R.Yillar.//

J. .of Low, Temp. Phys., 1991, V. 85, N. 5-6, p. 359-376.

Kvitnitskaya О.В. Point-contact studies of amorphous and heavy-fermion compounds.

The thesis is for taking a Candidate's degree of science (physios and mathematics), speciality 01.04.07 - solid state physios, В.I.Verkin Institute for Low Temperature Physics & Engineering of NAS, Kharkiv, Ukraine, 1996.

5 soientifio works are presented, in which different compounds with short mean free pathes are investigated by the point-oontact speotroscopy. The main attention is given to the investigation of the main normal and superconducting state of heavy-fermion compounds. A possibility of the speotroscopy is shown in point-contaots based on a heavy-fermion oompound. The anisotropy of the energy gap, which opens at the part of the Permi-surface in the antiferromagnetic state of the heavy-fermion oompound URu2Si2 is found. Key words: point-contact, heavy-fermion compounds, superconductivity, antiferromagnetism.

Квитницкая О.Б. Микроконтактные исследования выорфных и тяжелоферыионных соединений.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07- физика твердого тела, Физико-технический институт низких температур им.Б.И.Веркина НАН Украины, Харьков, 1996.

Защищается 5 работ, в которых методом микроконтактной спектроскопии исследуются различные соединения с короткими длинами свободного пробега электронов. Основное внимание в работе уделяется изучению основного нормального и сверхпроводящего состояния соединений с тяжелыми фермионами. Показана возможность спектроскопии в микроконтактах из соединения с тяжелыми фермионами, и впервые методом микроконтактной спектроскопии обнаружена анизотропия энергетической щели, которая существует на части поверхности Ферми в антифер-ромагнитном состоянии тяжелофермионного соединения URu2Si2.

Ключові слова: мікроконтакт, сполуки з важкими ферміонами, надпровідність, антиферомагнетизм.