Оптические исследования высокотемпературных сверхпроволдников и сопутствующих им фаз тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОТДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И АСТРОНОМИИ

ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

На правах рукогглс™

ПАУКОВ Игорь Влащмировкч

УДК 538.953;537«6

ОПТИЧЕСКИЕ ИСЛЕДОВА1БШ БЫСОКОТИШЕРАТУИШ: СВЕР2ПР0В0ДНШШ8 И СОПУТСТВУЮЩИХ K-i ОАЭ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физино-математичесих наук

Троицк - 1994

Работе ьнпохнй'на в Института спектроскопии Академии Наук РОССИИ.

Научный рукозодаюль: доктор фязжо-математичесих наук

й.Н.Попова

Официальные оппоненты: лектор физико-мптематичесих наук

профессор Р.3.Левитан

доктор фкзпко-матемэтичесих наук Ю.ПЛ'и/.офэев

Ведущая организация: йкеттут общей ф-лзикп РАН

Защита диссертации состоится " " 1994г.

в часов на заседании специализированного совета Д-002.28.01

по специальности ОЗ..04.05 (оптика) Института спектроскопии РАН по адресу: 142092 г. Троицк Московской области, Институт спектроскопии РАН. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института спектроскопии РАН,

Автореферат р?.зосл¡ш ~" 19Э4г.

Уч?зный секретарь специализированного совета доктор Физико-математичесих наук

профессор

У.И.Сафронова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАбОТЫ

Актуальность теми. После открытия в 1986 г. высокотемпературной сверхпроводимости, во вс5м мире начались интенсивно исследования высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и родствешшх им соединений. Несмотря на большое количество исследований, остабтся не до конца ясным влияние на сверхпроводимость кристаллических дислокаций, двойни,<ов, наличия в образцах сопутствующих ¡»сверхпроводящих фаз, вносящих вклад в свойства неоднофазшх сверхпроводников„

Одной из систем, относящихся к ВГСП, является натриевая система УВа2Си30^_х. Монокристаллические образцы этих соединений, имеющие, как правило, развитую двойниковую структуру, представляют большой исследовательский интерес. Потребность в работе с большим количеством такта образцов и эксперименты с образцами, качество которых нужно быстро и многократно или непрерывно проверять делают весьма актуальным нахождение и разработку экспрессного и простого метода, позволяющего осуществлять контроль и отбраковку большого количества образцов или непрерывного контроля одного образца.

Важным также является изучение сопутствующих фаз, возникающих в той же фазовой системе, что и сам сверхпроводник аЗа,Си,0.7_х„ Интерес к сопутствующим фазам вызван несколькими причинами» Во-первых, они являются стабильными соединениями, возникающими при синтезе вместе с ВТСП, и их свойства нужно знать чтобы отделить их от свойств ВТСП при исследовании последних. Во-вторых» исследование свойств соединений, хотя и но сверхпроводящих, но родственных сверхпроводникам важно, так как они имеют много общего с ВТСП в структуре, химическом составе и некоторых физических свойствах. Согласно многочисленным исследованиям, в новых ВТСП тесно связаны антиферромагнетизм и сверхпроводимость. Уже предлагались механизмы высокотемпературной сверхпроводимости, в которых магнитные взаимодействия играют определяющую роль. Однако, здесь имеются некоторые трудности и многое ещё остабтся неясным. В связи с этим, детально изучаются магнитные свойства как самих сверхпроводников, так и родственных им соединений. Сравнение свойств тех и других может помочь понять механизм сверхпроводимости в ВТСП и определить направление поисков новых сверхпроводников с более высокими температурами перехода. Кроме того, купрзты Я2Си205 и т^ВаСиСЦ, содержащие две магнитные подсистемы - медную и редкоземельную, как магнетики интересны и сами по себе.

Среди методов исследования свойств веществ оптические методI яьплггся весьма мощными, и, в ряде случаев, дают информация, не;»-

ступную другим методам. Данная работа посвящена оптическим исследованиям СВОЙСТВ ВГСП И сопутствующих ИМ С06ДШЮШ1Й.

Ц&5Ъ роботы состояла в исследовании свойств ВТСП к сопутствующих им фаз с помощью оптических методов, а такке в развитии самих этих методов« При этом решались следующие главные задачи:

1) а) изучение двойниковой структуры монокристаллов УВа2Си307_х методом поляризационно-оптической микроскопии; 0) расширение этого методе и разработка новой методики для. случая образцов с шириной двойниковых доменов меньше длины волны света Л; в) наблюдение с помощью этой новой методики с целью э8 апробации фазового перехода в монокрлсталлах из ромбической в тетрагональную фазу при нагреве.

2) а) исследование свойств сопутствующих несверхпроводящих фаз Е2Си205 и Г^ВаСиО^ методом редкоземельного зонда Й3* с применением оптической Фурье-спектроскопии высокого разрешения; 0) исследование магнитного упорядочения и спин-переориентащюнных фазовых переходов в них при низких температурах; в) изучение низкоразмерного магнетизма в этих соединениях; г) разработка и апробация на куггра-тах Яз&^О^ и Р^ВаСиО^ меч-ода спектроскопического зонда для изучения магнитной структуры медной подсистемы.

Научная новизна и результаты. штосшпв на защиту.

1) В диссертации предложен и апробирован новый поляризациошю-оптический метод определения ромбической фазы в монокристаллах УВа2Сц30т_х„ имеющий ряд преимуществ перед общепринятым методом и позволяющий наблюдать двойники с шириной < X. Для монокристаллов ромбической фазы в скрещенных поляроидах при ориентации осей поляроидов в направлении осей а,Ъ кристалла, наблюдается картша "кон-трастшх фигур", обусловленная поляризумцим действием системы узких двойниковых, доменов и междшйниковых границ.

2) Впервые исследованы оптические спектры редкоземельных <РЗ) ионов в ряду соединений й2Си205 и Я^ВаСиО^. По ним впервые зарегистрированы фазовые перехода: стан-переориентация в {^ВаСиО^ с И - Ьи,УЬ,Ег„ магнитное упорядочение в Ис^ВаСиО^. Показано, что особенности в температурных зависимостях теплоёмкости и магнитной восприимчивости для Ег2ВаСи05, УЬ2ВаСи05 ошибочно приписывались фановым переходам, и объяснено их происхождение.

3} Показано, что вид спектра Ег3+ зонда в магнитоупорядоченном состоянии Н^ЦдО^ зависит от магнитной структуры меди. На основе этого разработан и апробирован метод спектроскопического зонда для идентификации и изучения магнитной структуры в ряду изострук-турннх соединений. Метод применЗн к серии соединений ИрВаСиО,-.,

4) Обнаружено, что в ряду купратов RgCUgO^ с одинаковой магнитной структурой меди в упорядоченном состоянии (ферромагнитные СиО плоскости, связанные антиферромэгнитно) расщепления спектральных линий Ег3+ зонда отличны от нуля выше одной и той же температуры около 90 К (что много больше Т ). Показано, что эта температура соответствует установлению двумерных корреляций в СиО плоскостях.

5) При исследовании спектра Ег3+ зонда в двух существенно неэквивалентных позициях структуры RgBaCuO^ удалось наблюдать поэтапное установление магнитных корреляций при понижении температуры в соединениях с íi=Ei\Ho„Dy,Gd: сначала в цепочках, затем трехмерных.

Практическая ценность. Предложенный в работе простой,, экспрессный поляризационно-оптический метод определения ромбической фазы в монокристаллах ВТСГ1 может широко применяться па практике для, контроля качества образцов с ширшюй двойниковых доменов меньше Я.

Работа показала что спектральные дашше можно эффективно использовать при выборе мезду несколькими магштвнш структурами» равновероятны?«! с точки зрения неЯтроных дашшх.

Найденные в работе положения нижайших атарковских подуровней основных ионов R-'+ в RgCu^O^ и R2BaCu05 могут быть использованы для расчёта магнитных, тепловых и других свойств этих 'соединений-

Полученный в работе опыт в исследовании низкоразмеркого магнетизма RgCUg05 и I^BaCuO^ может быть полезен при исследовании низкоразмерных свойств других магнетккоз.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на II Международной Школе по Возбужденным Состояниям Переходных Элементов (ESTE, Польша, 1991); на 8-ой международной конференции по фурье-спектроскогпш (FTSa Германия, 1991); на конферен-мн, посвященной 25-летию ЙСАН с участием учбинх из других, стран (Троицк, 1993); на семинарах и конкурсных конференциях ИСАИ* Работы по теме диссертации были премированы на тр§х конкурсах научных работ среди молодых учёных ИСАИ.

Публикации. Основные'результаты диссертации опубликованы в девяти работах, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Полный объ5м диссертации 157 страниц, рисунков 54. Список литературы содержит 105 ниамянеэатЗ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЗСАНИЕ РАБОТЫ

Во вседении обосновывается актуальность тем? фор-

мулируются цель и задачи исследования, пзжззгчгаз результата а пи-

- б -

ложения, выносимые на защиту.

В первой главе описываются экспериментальные метода и оборудовать использованные в работе. В параграфе I.I приводится схема поляризационно-оптического микроскопа, использованного при исследованиях монокристаллов ВТСП YBa2Ca307_x. В параграфе 1.2 описывается оборудование, использованное при спектральных исследованиях сопутствующих фаз R2Cu205 и RgBaCuO^ методом спектроскопического РЗ зонда и излагается суть этого метода.

Спектры ионов П3* (основных или введенных в количестве 1% в качестве зонда) исследовались в области f-f переходов. Низкосимметричное кристаллическое поле в &тих купратах снимает веб вырождение уровней П3+ кроме крамерсова. Крамерсово вырождение снимается при магнитном упорядочении. Спектры высокого разрешения регистрировались на фурье-сиектрометре B0MEM-DA3.0(j2 (Канада). Для получения слабых спектров диффузного пропускания порошковых образцов при низких температурах применялась специальная методика: образцы наносились на подложку и помещались непосредственно перед фотоприбм-ником в оптическом гелиевом криостате с регулируемой температурой.

Вторая глава посвящена поляризационно-оптическим и электронно-микроскогшческим исследованиям монокристаллов ВТСП YBa2Cu^O^_x.

В параграфах 2Л-2.3 на основе литературшх данных описываются структура.кристалла YBa^Cu^O^ _х в ромбической (в которой возникает высокотемпературная сверхпроводимость) и тетрагональной (несверх-проводящай) Фазах, оптическая анизотропия кристалла в ромбической (Р) фазе, свойство монокристаллов YBa2Cu307_x двойниковэться в Р-фазе (т.е. делиться на домены с чередующейся ориентацией осей а, Ь), а такие преимущества и ограничения традиционного поляризацион-но-оптического метода определения Р-фазы в этих монокристаллах.

В параграфе 2.4, на примере исследованных в работе двойникован-ных монокристаллических образцов УВа2Сиэ07_х, показаны типичные, известные также из литературы, картины, возникающие при наблюдении таких образцов в электронный микроскоп и в оптический микроскоп в скрещенных поляроидах. Производится сопоставление этих картин.

При. наблюдении монокристаллов в оптический микроскоп в скрещенных поляроидах при ориентации осей поляроидов под 45° к кристаллическим осям a.b. наблюдается характерная картина "контрастных по-лас1", соответствующих• отдельным или нескольким двойниковым домо-U34, обусловленная просветлением поля зрения из-за оптической ани-ззгрРЕии o-oefi кристалла а,Ь. Ка наблюдении этой картины основан •^дазяжгай кетод определения Р-фазы в ВТСП. Этот метод не рабо-

тает в случае» когда в образце все двойниковые домены уже к.

В параграфе 2.5 предлагается новый метод определения Р-фазы, основанный, на наблюдении карткш "контрастшх фигур", возникающей при ориентации осей поляроидов вдоль осой кристалла а„Ь и обусловленной поляризующим свойством системы узких двойниковых домолов и междвойяиковых границ. Этот метод работает также е том случае, когда ширина всех двойниковых доменов в образце меньше Л.

В параграфе 2.6 показывается„ что наличие "картины контрастных фигур" подтверждает существующую гипотезу о сложном строении мехс-двойникових границ» имеющих структуру, близкую к тетрагональной.

В параграфе 2.7 предлагается способ повышения эффективности нового метода в случае, когда контраст "фигур" проявляется слабо.

В параграфе 2.8 предложенный новый метод апробируется на регистрации с помощью него известного ранее структурного переходе в монокристаллах 'Yba2Cu^07_x из Р-фазы в Т-фазу при нагреве. Показано, что этот переход» происходящий, по наикм данным, при TrT=6S5°0t сс-прововдается исчезнове!шем картины "контрастш.х фигур"t Картина "контрастшх полос" исчезает при температуре около 630°С в результате эффекта термостимударованного вторичного двойни* оватгя. Температура Тп перехода, получешгая наш, находится .в хорошем согласии с данными, получешшми другими, более сложными методами.

Третья глава посвящена спектральным исследованиям, "синих фаз" R2Cu205 (R = Y,Tb-Iu), сопутствующих ВТСП типа 123» Синие фазы хорошо изучены другими метода?™ и в данной работе использовались также для разработки и апробации наших спектральных методик *

В параграфе З.Т даётся литературный обзор по структуре, магнитным и тепловым свойствам RgCn^O^. В структуре этих купратов можно выделить медь-кислородные плоскости Cu-O-Cu ¡ abo Расстояния между ионами меди в плоскостях в два раза меньше» чем расстояния между плоскостями. В структуре имеются две неэквивалентные четырёхкратные позиции для редкой земли - R(1) и R(2)„ которые расположены между плоскостями, причем так„ что каздай ион Я?* находится бдюке к одной из плоскостей. Исследования теплоёмкости и магнитной восприимчивости обнаружили спонтанные магнитные и метамагнитные фазовые переходы в R^Cu^O^ при низких температурах. Для всех синих Фаз проводились нейтронографические исследования магнитной структуры.

В параграф 3.2 описывается синтез исследовашшх в работе образцов.

В параграфе 3.3 приводятся результаты спектральных :гссла-дс-^нгй BgCu^Og, полученные в данной работе. Дда «Етсяа тт/--:-

троскопического зонда били получены спектри одного и того же зон-дового иона Ет3"1' для перехода 4Т15/2 " 411Э/2 Е0 всех синих Фазах. По температурным зависимостям расщеплений (для крамерсовских ионов), сдвигов и полуширин спектральных линий основных и зондовых ионов во всех синих фазах зарегистрированы переходы в магштоупо-рядоченное состояние при температурах от 14К (для У^и^О,,) до 28 К (для Ег^Си^) „ соответствующие одновременному упорядочению медной и РЗ подсистем. Для У^Си^, в котором имеются два фазовых переходе (при 15 К и 6,8 К), установлена природа низкотемпературного перехода.. В области 7-6 К линю? основного иона УЪ3+ и зондового иона Ег3г резко сужаются, что, видимо,, связано с упорядочением РЗ подсистемы. При этом в узком интервала температур (■=< 0,5 К) выше и пике перехода спектр представляет собой суперпозицию двух субспектров с уменьшающейся к. соответственно, увеличивающейся интеисив-ностями. Такую картину мы сопоставляем с сосуществованием доменов двух фаз в окрестности спин-переориентационного перехода (СИЛ) первого рода. Разные виды субспектров, очевидно, связаны с разными величинами расщеплений крамерсовских дублетов ионов УЬ3+ и Ег3+ вследствие разной ориентации магнитных моментов меди в фазах, реализующихся при температурах выше и, соответственно, ниже СПП. Таким образом, из спектральных данных видно, что при 15 К упорядочивается медная подсистема, вызывая поляризацию иттербиевой подсистемы. При 6,8 К анизотропныз УЬ-УЬ взаимодействия приводят к упорядочению РЗ подсистемы в некотором другом направлении„ сопровождающемуся спин-переоринтацкэй в медной подсистеме.

С помощью температурных серий спектров в парамагнитной фазе были определены положения нижайших штарковских подуровней основных мультиплетов И3+. Идентификация компонент спектральных линий основных. и зондовых ионов в магнитоупорядочешюм состоянии купратов также проводилась на основе спектров при разных температурах.

Параграф 3.4 посвящен обсуждению результатов исследования купратов Я^Си^« При изучении спектров Ег3+ зонда во всех этих куп-ратах оказалось, что расщепления уровней Ег3* близки в Г^С^О^ для К = \,ТЬ,Ег,Ьи, а такие в изученном нами соединений ЕгЖи^О^. Эти купраты имеют разные'ионы Я3+ (У3+ и 1др+ - немагнитные ионы, ТЬ3+ и Кг31" имеют большие магнитные моменты, упорядочивающиеся, согласно данным по нейтронной дифракции, по-разному) но одинаковую магнитную структуру меди (ферромагнитно унорядочешше медные плоскости аЪ с Ц Ь, связанные антифзрромагнитно). В Тгг^Си.^, где маг-гшЕаая структура меди аналогичная, но Ц а, расщепление основ-

ного дублета Er3f на порядок меньше, «ем в прэдцдущем случав. Для 'ibgCUgO^ и HOgCUgO^ в литературе тлеются противоречивые данные. а для Dy^i^O^ дашше отсутствуют. Спектр и расщеплепня дублетов Ег3+ зонда в YbgCUgO^ близки к таковым для TmgGUgO^. На основе этого ми считаем, что из предлагаемых структур для Yb2COj05 правильной является структура с ¡jCu || а. В IlOgCitjO^ и Dy^Ci^O^ Ег3' имеет спектр третьего типа, отличающийся от спектра как типа ETgCUgO^ (где uCu!l b), так и типа ТпцСи^О^ (где ¡íCu¡i a). Мы считаем, что как в HOgCUgCI^, так и в DygCu^ | с (для Ik^CUgO^ такой вариант предлагался в одной из нейтронографических работ)»

В спектре Ег3+ зонда в I^CUgO^ с R = Yb,HosDy в магнитоутюрядо-ченнсм состоянии число компонент линий в два раза больше,, чем для случае одной позиции для П(1) и R(2). Это связано с удвоением этих позиций вследствие мандатного упорядочения меди»

На основе наших результатов ми делаем следующие выводы: растепления уровней зондового иона Ег3+ и» как следствие„ вид его спектра в магнитоупорядоченном состоянии RgCu^O^ определяются сильно анизотропными взаимодействиями Er-Cu, а взаимодействия Ег-Н слаоы.

Расщепления уровней крамерсовского иона Н-'1" определяются» в основном, взаимодействиями с ближайшими к нему ионами меда, то есть отражают ближний порядок в системе и зависят от функций корреляции Г (Т) низкого порядка г. Так как ближний порядок сохраняется при Т > TQ> функции ГГ(Т) с г ¿ со Ир следовательно, расщепления линий не обращаются в нуль при 1 > Т0„ имея при Т = Т точку перегиба. Величина Г (Т = Г ) пропорциональна магнитной энергии, остающейся в системе при Т = Т . и она тем больше,-чем ниже размерность системы. Hair* спектральные исследования показали, что температуры переходов в магнитоупорядоченное состояние надёжно определяются по точке перегиба в зависимости расщепления спектральных линий Av(T).

На рисунке I показаны зависимости Av(T) для спектральных лиштй Ег3"1" зонда в пяти кунратах RpCu^O^, имеющих одинаковую магнитную структуру, описанную выше. Видно„ что в то время как точки перегиба в зависимостях (соответствующие Т ) для разных купратсв лежат при разных температурах (от I4K для YgCUgOg до 28 К для Ег^Си^), хвосты зависимостей при Т > Т , обусловленные ближним порядком» тянутся до одинаковой температуры S0K для всех пяти купратов. Зонд Ег3+ в структуре R^UgO^ чувствует преимущественно магнитная корреляции в медных плоскостях ай. По-видимому, именно при 90 3 к rst-ж> становятся заметны двумерные корреляции б этих пзоскзстаж,, та-горые не зависят от R. .Взаимодействие as гжвясявяяяг, --«от-'-

- 1С -

ду

сш 10

2 -

с Е п ® 0 «ее -

_ а

з %

Ч Еи \

^ О \

с Е ^

» В °

, % » '

О

4в С

4® В -н а

в 4 аЙ

а ЕгУСи205

® 1и0Си0Сг I I ь

а Т^С^О^ « У2Си205

Р ?

о

20

40

60

ВО

т. к

Рисунок I. Температурные зависимости расщепления Лт спектральной лишга Ег3"*" зонда в области перехода —1 411Э/2 в Р20н205 (К =■ Ег, Ьи, 'ТЬ, У) и ЕгУСи^ ,

рое приводит к установлению дальнего трехмерного порядка, сильно зависит от Н. что и приводит к различию в Т . Из наших спектральных данных следует, что наименьшее взаимодействие мезду плоскостями и, следовательно, наименьшая эффективная размерность, наблюдается для УоС1ц05„ При этом длина хвоста в Ла>(Т) относительно То <рис. 1) для -этого купрата наибольшая. Самая высокая эффективная размерность имеет место для й^С^О^. Таким образом, из спектральных дашшх видно, что магнетизм в купратах Я^Си^О^ квазидвумерный. 1£и также показали, что эффективная размерность магнетизма Р^Си^О^ зависит от ионного радиуса и магнитного момента

Четвертая глава посвящона спектральным исследованиям "зелбных фаз" ^ВаСиО^ (Р.=У,5т-Сй,Бу-Ьи), сопутствующих ВТСП. ЗелЭные фазы изучены не так хорошо как синие фазы и в их свойствах имеется много неясного. Мы применили к изучению Г^ВаСиО^ спектральный метод, разработанный и апробированный нами на синих фазах Г^С^О^.

В параграфе 4.1 дан литературный обзор по структуре, магнитным и тепловым свойствам Т^ВаСиО^. В структуре зеленых фаз ионы меди не имеют связей друг с другом через один кислород, есть только свази Си-О-О-Сч. Дпя И имеются две существенно неэквивалентные позиция В(1>, Р.(2). Зависимости теплоёмкости от температуры сСТ) бьг-т изучена для всех. зелЗных фаз. Для всех из них (кроме У2ВаСиО^ и

6

4

0

Гд^ВаСиО^) наблюдались пики, приписываемые упорядочению медч. Для купратов с Я = Бгл.Бу.Но.Ег.УЪ наблюдались также особешюсти в о(Т) при Солее низких температурах, приписываемые упорядочению РЗ подсистемы. Магнитные свойства изучались, в основном, для У^ВаСиО^. В зависимости магнитной восприимчивости Для этого соединения наблюдался широкий максимум около 30 К. Острые максимумы в %(?) наблюдались для И = Ег,Ву,Но,Сй при более низких температурах (6-II К). По магнитной структуре У^ВаСиО^ данные противоречивые. Гдя большинства осталышх зелбных фаз эти данные либо ненадежные, либо отсутствуют.

В параграфе 4.2 приводятся сведения о синтезе образцов, использованных в работе и результаты наших спектральных иследсвашй. В параграфе 4.3 проводится обсуэдение наших результатов.

По температурным зависимостям расщоплегагй (для крамерсовских ионов), сдвигов и полуширин спектральных линий основных и зондовнх ионов во всех зелбных фазах зарегистрированы перехода в магнитоу-порядоченное состояние при температурах от- II „8 К (для Сй^ВаСиО^) до 23,5К (для БггцВаСиС^), соответствующие упорядочению модной подсистемы. На рисунке 2 показаны температурные зависимости спектра Егэ+ зонда в УЬ2ВаСиСЦ, а также расщепления линии около 6532 его-1 и полуширины ев компонент. Спектральные яшм зокда для каждой из позиций И(1),Н(2) в зел&ных фаза;, при магнитном упорядочении расщепляются, кок правило, на две кошоненты (рис; 2а).

Спектральный метод позволил нам зарегистрировать спин-переори-ентационные переходы в У2ВаСи05 (Тп = 12'К), Ь^ВаСцС^ (Тр= 15 К), УЪ2ВаСи05 (Тн = 4 К), Ег2ВаСиО& (Тп = 12 К), не наблюдавшиеся .другими методам. Из рисунка 2Ь видно, ■ что спектр Ег3+ зонда в УЪ2ВаСи05 при 4,2 К представляет собой суперпозицию спектров, соответствующих двум фазам с различными магнитными структурамиг реализующимися при температурах выше и, соответственно, ниже аналогично случаю СИЛ в УЪ2Си^05» Фазы с разными структурами здесь сосуществуют в интервале температур =» I К. Особенность СПП з У2ВаСиОг> и 1и2ВаСиО- состоит в том, что фазы с разной магнитной структу]рой в них сосуществуют в широком инторзале температур, и высокотемпературная фаза сохраняется ниже 2К.

Мы полагаем, что факт сосуществования фаз в широком гемператур-ном„:штервале объясняется тем, что медь-кислородные комплексы в 1йгВаСи05 изолирован- друг от друга, а соединяющие их разные пути, приводящие к устаноьлению раз!шх магнитных структур, конкурируют вследствие близости магнитных энергий этих структур. Отсутствие

0,5

-о—от—о-

1 Г !

\

(Ы

"ио^0 *

\ О 01 О

"П

/ \

о

оП

о V

Л,

УЬ2ЗаСи05 + Ег1%

ДЧ '

-1 сгп!

1

0.5

6530 6536 ст

Рисунок 2. Температурные зависимости а) спектра Ег3* зонда в УЬ^ВаСиО^, Ь) раскэпдешя ¿V линии 6532 см""1 Ег3+ на рисунке а 1крукки\ полушфжш «V её правой ксетс-некты (ромбы), интегральных ногтей 1-, к 1Т1 двух суосгвктрси (крестики и точки).

заметных особенностей в с(Г) и %(Т) при TR, по-видимому также объясняется близостью величин магнитных моментов меди и магнитных энергий в фазах, доминирующих при температурах вытаэ и, соответственно, ниже TR. Особенности в с(Т> для Er2BaCuO^ (при 5 К) и YbgBaCu05 (при Г < 2 К), как следует из наших данных, объясняются температурным изменением засоленностей уровней основных дублетов 2г3+" и YlP+ и являются аномалиями типа Шоттки, а не связаны с фазовыми переходами. Этим же объясняется максимум в %(Т) при 6 К для Ег2ВаСиО^. Наличие максимума в %(Т) при температурах около 30 К для Y2BaCu0p и Lu2BaCuO^ (что намного выше температур магнитного упорядочения Ти> получешых нами по спектрам Ег3' зонде - 16,5 К и, соответственно, 19 К), типично для низкоразмершх систем и, видимо, объясняется наличием в этих купратах цепочек Cu-O-O-Cu.

При наблюдешь температурной трансформации линий загса

6532 и 6540 cm-1, относящихся к разним структурным позициям R(1} и R(2), мы обнаружили, что для Р^ВаСиО,- с К = Ei%Ho,D;y\G;l при охлак-дении линия 6540 cm начинает заметно расщепляться уже iron более высоких температурах, чем линия 6532 cnfМы считаем, что зто связано с наличием в зеленых фазах Cu-0-Q-Cu цепочек j¡ Ъ, в которых магнитные корреляции устанавливаются при более высоких температурах, чем корреляции между этими цепочками. Дело в том. что позиция R(1) находится блике всего к одно," такой цепочке к чувствует одномерные корреляции в ней. Позиция R(2> располокека' мезэду тремя такими цепочками и чувствует установление мекдуцепочечных, то есть трбхмерных корреляций.

Метод спектроскопического зонда позволил нам сделать некоторые выводы о магнитной структуре меди в магтштоупорядоченном состоянии зеленых фаз. На рисунке 3 показаны линии Ег3+ зокда 65^2 и 6540 cm-1 во всех зелЗных фазах при одной или двух температурах шкхе TN. Для Ег2ВаСиО^, Но?Ва0и05 и G^BaGuO^ при низких температурах линии расщеплены на четыре компоненты, не описываемые в рамках схемы одной позиции для 11(1 ) и R(2), что свидетельствует об удвоении магнитных позиций ионов, индуцируемом в магнитной структуре. На основе сходства вида спектров, которое есть следствие одинаковости расщеплений дублетов Ег3+ при одинаковых магнитных структурах, мы делаем вывод, что магнитная структура меди одинакова I) для,У2ВаСиОГ) и Lii^BaOuO.^; 2). для YgBaCuO^ и Li^BaCuO^ в области температур TR < ^' Тн и E^BaCuO^; 3) для YpBaCu05 и lUgBaCiiO^ при Т < TR, YP2BaCuü5 (TR < Т < TN), ТпцВаСиО^; 4) для Ho?BaCu05 (T < TN2) и Ei-2BaCu05 (T < TR); 5) для Dy2BaCÚ05 и Er23aCu05 в об-

R2BaCuOs + Er 1%

R=Eu

—j

, i u

R-Er

Л ñ

\

Im

Но

Л/J

Dy

/г

riK

Yb

l\ !

4.

. / Ал

i 52Í

Sm

A

i \

! I

>. о

1 -1

о S4 j . С CM 1

u

Рисунок 3. Поглощение зондом Ег34" в И^ВаСиОг в области тто-

Л А

рехода Ч15/г *• 1,3/2 при Т < для Я = ЕиЛта.Зт; при Тк < Т < Тм и Т < Тн для И = У, 1и,' Го, Бу; при < Т < ТН1 и 'Г < ТН2 для Я = Но; при Т $ Ты и Т << Тк для'н ^ Кг,Ой.

ласти температур Тя < Г < Тм, Но,ВаСиО& (ТК2 < Г <- ТН1). Для Н = Оу, УЬ (при Т < Тй) и й = Зт, С<1 структура не имеет аналогов в других купратах. В случае Я = Er.Ho.Dy наши предатолокения согласуются с дашшми по нейтронному рассеянию.

В пятой главе, после описания кристаллической структура "коричневой фазы" Кб^ВаСиО^, приводятся результаты наших спектральных исследований этого соединения. Как и в случае зелёных фаз, в Ис^ВаСиО^ медь-кислородные комплексы изолирована друг от друга. Для Р. в структуре имеется одна четырехкратная позиция.

Не изученный ранее купрат Кй^ВаСиО,^ исследовался нами по спектрам основного иона Кй-Н и зонда Ег'^, По расщеплениям линий этих ионов мы впервые обнаружили магнитное упорядочение в этом соединении при То= 7,5 К. Как мы полагаем нэ основе спектральных данных, при этой температуре происходит упорядочение как медной, так и РЗ подсистем. Позже, измерения теплоемкости подтвердили наличие фазового перехода при этой температуре. Бри температурах выше Т в зависимости расщепления спектральных линий Т) наблюдается очень длинный хвост, тянущийся до ШТ, (рис. 4). Как мы считаем, это свидетельствует о низкой эффективной размерности магнитных взаимодействий в Ш2ВаСиО^ из-за наличия в структуре цепочек Си-О-М-О-Си. Одномерные корреляции в №с1?Ва0и05 при Т > Т.. также били под-тверадены позже нейтронными исследования?,«и.

В заключении подводится итог всей работы и приводятся основные результаты и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫБОДЬ!

В работе оптическими методами исследованы ВТСП УВа2СауД,_ „ и сопутствующие ВТСП ИВа0Си-,Сц „ фазы: "синие" ГцС1цОс., "зеленые"

С I ~~X и С- )

Р^ВаСиО^ и "коричневая" Мс^ВаСиО^. Основные результаты работы:

I) Предложен новый поляризациошю-оптический метод определения ромбической фазы в монокристаллах УЕа2Си307_х, основанный на эффекте двойниксвзния л на поляризующем действии системы двойниковых доменов и их границ. Новый метод, в отличие от общепринятого, работает, и в случае, когда в образце все двойники узкие Метод

б и

ду

л

СШ"

14

10

-Щ*

1

О г

ю

М^ВаСиОс

i_I

30

50

70 Т. К

в

Рисунок 4. Температурные зависимости расцепления Лу спектральной линии 1!с13+ в области перехода 419/2 " 4 М?ВаСиО^ (треугольники) к полуширины 6у ей (крастш-си;.

15/2

компонент

апробирован на наблюдении с помощью него структурного перехода в УВа2Си^07_х из ромбической фазы в тетрагональную при нагреве. Показано, что при нагреве монокристаллов ЯЗа2Си307_х в ромбической фазе, структурный переход из ромбической фазы в тетрагональную, происходящий, по нашим данным, при Тп = 665°С, сопровождается исчезновением картины "контрастных фигур" (картина "контрастных полос'", наблюдаемая при ориентации осей поляроидов под 45° к кристаллическим осям и обусловленная оптической анизотропией осей а,Ьь исчезает при температуре около 630°С ь результате зффзкта тэрмо-стимулкрованного вторичного двойниковаккя).

2; Исследованы оптические спектры в области Г-Г переходов в основных В^ РЗ ионах к зендовом ионе Ег3* в соединениях Р^Си^О^ и Р>>Бн -иО^. Показано, что температура копгатного упорядочения Тс ыо-

х

»

жет быть надбнно определена по точке перегиба в зашотаос'и расщеплений спектральных линия от температуры Av(T). Впервые зарегистрированы фазовые переходы: магнитное упорядочение в fío^BaCuO^; спин-переориентация в RjBaCuC^ с К = Lu,Yb,Er. Объяснено происхождение особенностей в температурных зависимостях теплоемкости и магнитной восприимчивости для Ег2ВаСн205 и Yb^BaCuO^, ошибочно приписываемых фазозым переходам. Показано» что эта особенности обусловлены уменьшением населенности верхней компоненты расщеплЗн-ного нижайшего крамерсова дублета основного иона r'-®+.

3) Показано, что расщепления краморсовых дублетов гондового иона Егэ+, а следовательно, и вид спектра, определяются, з основном, взаимодействиями R-Cu и зависят от магнитной структура меди. На основе этого разработан и апробирован на примере серил синих, фаз RgCu.jO^ метод R-54 спектроскопического зонда для идентификации и изучения магнитной структуры меди в ряду изоструктурннх соединений. Метод применбн к серии соединений R?BaCu.Os.

4) По удвоению числа компонент з расщепленных спектральных линиях Er3f зонда в R^CUgO,- и R,BaCu05 наблюдалось удвоение спектроскопических позиций ионсв при магнитном упорядочении в системе.

5) Обнаружены спектральные проявления низкой эффективной размерности магнитных взаимодействуй:

а) В серии куттратов R2Ca,05 с одинаковой магнитной структурой меди в упорядоченном состоянии, но с различными гемйэратурами Т0 расщепления спектральных линий Ег3'н зонда отлк'пш от нуля выше одной и той же температуры 90 К (» Т ), что соответствует установлению двумерных корреляций в СиО плоскостях.

б) Различное температурное поведение расщеплений линий Ер+ зонда, соответствующих двум неэквивалентным позициям г структуре зелёных фаз P2BaCu05 с R=Tír,Ho,Dy,Gd, свидетельствует о поэтапном установлении магнитных корреляций в этих соединениях: сначала одномерных - в цепочках, затем трехмерных - между цепочками,

в) Длинный хвост в температурной зависимости расщепления линий Kd31" в Ш2ВаСи05, тянущийся до =* lOTQ, свидетельствует с низкой эффективной размерности магнетизма в этом купрате вследствие наличия одномерных корреляций в цепочках Cu-O-Nd-O-Cu, лодтверж-дбнного впоследствии нейтронографическими исследованиями.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. И.В.Пауков, У.Н.Попова, Е.В,Татьянин. Новый поляризационно-оптичеокхи метод определения ромбической и тетрагональной фаз в монокристалла* YBa2Cu,07.,y. СФХ'Г, 1331, т. 4, №3, стр. 575-530.

2. O.G.Chepurko, I.V'.Paukov, M.A'.Fopova, Ja.Zou'okova. Spectral studies oi magnetic cuprates fLOa^ (B =-- Tb, Er, Tm, lu, Y). Solid Slate Oomrnun,, 1991, v.79, II 7, p.569-572.

3* M.N.Popova, I.y.Paukov. Spectral studies of magnetic cuprates RgCügOp; (R - Yb, tic, Dy). Pays.Lett.A, 1991, v.159, p.187-192. 4. I.V'.Paukov, ri.N.Fopova, B.V.KUl. Magnetic Phase Transition and Short Range Order in Rd-,BaCu06. Pnys.leU.A, 1991, v. 157, No 4-5, pp. 306-303.

5„ C.G.Chepurko, l.V.Paukov. M.N.Popova. FTS Study of Magnetic Transitions in cuprates R2CtL,0& and P^BaCuO^. Proceedings of the 8-th International Conference on Fourier Transiorm Spectroscopy, Sept. 1991, Germany. SPiE, 1991, V. 1575, p.564-565. 6. M.N.Popova, I.V.Faukov. Spectroscopy of Magnetic Cuprates RgBaCuOjj. Proceedings ox the 2-nd International School on Excited States or Transition Elements (Wroclaw, Sept. 1991), World Scientific, 1992, pp. 211-220.

T. l.V.Paukov, M.N.Popova, S.V.Kill. Spectral Studies of Magnetic Ordering in the Cuprates R.,BaCu05 (R = Sm, Eu, Tm, Yb, lu). Phys.Lett.A, 1992, v. '6&,"no 4, pp.301-307.

8. M.H.IIonoEa. И.В.Пауков. Спектроскопические исследования магнитного упорядочения в купратах Оптика и спектроскопия, 1994, т. № 2, стр. 285-302.

9. l.V.P&ukov, M.N.Popova, J.Klamut. Low Dimensional Magnetism in RjCu^O^ compounds. Phj's.Lett.i, (1994) in press.