СТМ - исследования высокотемпературных сверхпроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

РГб од

/ 3 МАИ 1333 РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ имени П.Л.КАПИЦЫ

на правах рукописи

АЛЬТФЕДЕР Игорь Борисович

УДК 538.945

СТМ-ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Специальность 01.04.09 - Физика низких температур и криогенная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1993

Работа выполнена в Институте Физических Проблем РАН имени П.Л.Капицы

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент АН СССР

М.С.Хайкин

доктор физико-математических наук В.С.Эдельман

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Б.С.Цой кандидат физико-математических наук А.А.Юргенс

Ведущая организация:

Институт Радиотехники и Электроники РАН

Защита состоится /УГ (ЛЮКЛ 1993 г. в 10 часов на заседании . Специализированного Ученого Совета Д 003.04.01 при Институте Физических Проблем РАН им. П.Л.Капицы 117334, Москва, ул. Косыгина 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Физических Проблем РАН.

Автореферат разослан Япр-еиЛ

Ученый секретарь Совета,

доктор физико-математических наук

1993 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Сканирующий туннельный микроскоп (С.ТМ), изобретенный Биннигом и Рорером в 1986 г. [1] Является мощным инструментом исследования поверхностей проводящих веществ. Высокое разрешение, достигаемое с помощью СТМ, позволяет определять особенности рельефа' и распределение спектроскопических характеристик на микроуровне ! 2 ]. Чрезвычайно важным применением СТМ является туннельная спектроскопия сверхпроводящих материалов, позволяющая определять локальные туннельные спектры (далее по тексту.- ТС) и распределение энергетической щели по поверхности образцов.

В связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости [31 встал вопрос о причинах и механизмах ее возникновения. Следует отметить, что в этом вопросе до сих пор нет полной ясности. Имеется значительное количество экспериментальных данных, говорящих как за, так и против применимости к ВТСП теории БКШ. С этой точки зрения, эксперименты по туннельной спектроскопии ВТСП приобретают особую важность.

Как известно из литературы, физические свойства соединения УВа2Си30х сильно зависят от параметра х - содержания кислорода [4]. Изменяя параметр х, можно производить измерение зависимости энергетической щели в спектре электронов от критической температуры образца, что может дать полезную информацию о природе ВТСП.

В настоящей диссертации приведены результаты измерений ТС на

монокристаллических образцах УВа2Си30х. Аналогичные измерения производились и другими группами экспериментаторов [ 5). К особенностям туннельной спектроскопии ВТСП, отмечаемым в большинстве опубликованных работ, можно отнести:

1. Наличие на поверхности (даже монокристаллических образцов) непроводящего слоя, затрудняющего постановку экспериментов по измерениям ТС в режиме вакуумного туннелирования.

2. Наличие на ТС более или менее симметрично расположенных особенностей. В области малых напряжений туннельная проводимость понижена, что может соответствовать пониженной плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми. Таким образом, существует область напряжений, в которой вид ТС качественно согласуется с теорией БКШ.

3. Линей-^й рост туннельной проводимости при более высоких напряжениях, т.е. при еУ » Л.

Безусловно, представляет огромный интерес проведение сканирующей туннельной микроскопии поверхности высокотемпературного сверхпроводника. Однако, наличие непроводящего слоя на поверхности образцов УВа2Си30х затрудняет постановку эксперимента при температуре жидкого гелия. С этой точки зрения представляется более перспективным проведение СТМ-эксперимента на поверхности монокристалла В12Бг2СаСи20х. Значительно большая анизотропия В125г2СаСи20х по сравнению с УВа2Си30х приводит к возможности расщепления образца по плоскости В10 и получения доступной для .СТЫ-исследований чистой поверхности, аналогично тому, как это проделы-вается на образцах графита. В данной работе приведен результат СТМ-наблюдения сверхструктуры на поверхности образца В12Зг2СаСи20х

при температуре жидкого гелия.

Научная новизна работы

Проведены исследования зависимости энергетической щели от концентрации кислорода в монокристаллических образцах УВа2Си30х при двух различных ориентациях образцов относительно■иглы СТМ. В одной из ориентации (игла перпендикулярна плоскости аЬ) зарегистрированы два различных значения щели. Построена зависимость энергетической щели от критической температуры.

Получено • СТь!-изображение поверхности • монокристалла В12Бг2СаСи20х при температуре 4.2 К. Показано, что на поверхности монокристалла существует сверхструктура, период и амплитуда которой совпадают с аналогичными измерениями, проделанными при комнатной температуре.

Апробация работы

Результаты изложенные в диссертации докладывались на:

26 Всесоюзном совещании по физике низких температур (Донецк 1990 г.)

Результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

И.Б.Альтфедер, А.П.Володин, М.С.Хайкин.

Малогабаритный низкотемпературный сканирующий туннельный микроскоп.

ПТЭ 5, 1989 г., стр. 188-190.

И.Б.Альтфедер, А.П.Володин, И.Н.Макаренко, С.М.Стишов. Энергетическая щель в YBa2Cu30x по данным туннельных исследований монокристаллов.

Письма в ЖЭТФ,- том 50, вып. 11, стр. 458-461 (1989)

И.Б. Альтфедер, А.П.Володин, В.А.Граяулйс, A.M.Ионов, С.Г.Карабашев.

Наблюдение сверхструктуры на поверхности монокристалла Bi2Sr2CaCu20x.

Пись 1 в ЯЭТФ, том 50, вып. 4, стр. 182-184 (1989). I.B.Altfeder, A.P.Volodin.

Lo»t-temperature STM with a reliable piezoelectrical coarse approach mechanism.

Review oi Scientific Instruments, (to be published). Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 104 страницы и включает в себя основной текст, список литературы из 63 наименований и 26 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дается обзор основных публикаций, связанных с темой диссертации. Рассматриваются различные методы измерения туннельных^ спектров, преимущества и недостатки, присущие каждому из методов.

В первой главе рассматриваются особенности туннельной спектроскопии ВТСП. Существование на поверхности образцов ВТСП непроводящего слоя обусловливает ряд методических проблем, связанных с необходимостью измерений ТС в режиме вакуумного туннелирования. Анализируется форма туннельной ВАХ для образцов УВа2Си30х., Линейный рост туннельной проводимости с напряжением при еУ » Д качественно не согласуется с модельной зависимостью теории БКШ. Объяснение этого факта требует привлечения других модельных зависимостей. Однако, до сих пор не существует надежной физической модели, удовлетворительно объясняющей все особенности туннельных спектров ВТСП, в связи с чем, измерения энергетической щели в ВТСП часто сопровождаются определенной систематической ошибкой.

Во второй главе описываются две конструкции низкотемпературных СТМ. Первая из приведенных конструкций предназначена для проведения экспрессных измерений с охлаждением до температуры 4.2 К в транспортном гелиевом сосуде Дьюара. Предварительное подведение иглы СТМ к поверхности образца производится с помощью механического трансформатора перемещений (дифференциальной пружины). Вторая из описываемых автором конструкций СТМ предназначена для работы в криостате с минимальной рабочей температурой 0.4 К. Автору удалось

избежать трудностей, связанных с введением внутрь криостата механического привода, необходимого для работы механического трансформатора перемещений. С этой целью в конструкции прибора содержится шаговый пьезоэлектрический движитель для предварительного подведения иглы СТМ к поверхности образца, надежно работающий при низких температурах. Для демонстрации работоспособности описываемых приборов, а также их высокого пространственного разрешения приведены калибровочные изображения поверхности пиролитического графита.

В третьей главе представлены результаты измерений ТС на монокристаллических образцах YBa^UgO^. Измерения проводились на образцах с различным содержанием кислорода при двух различных ориентациях монокристаллов относительно иглы СТМ. В одной из ориентаций игла СТМ была ориентирована перпендикулярно плоскости ab (далее по тексту - 1 ab), при этом непроводящий поверхностный слой перед измерениями ТС предварительно разрушался иглой СТМ. Измерения в другой ориентации (игла параллельна плоскости ab, далее по тексту - » ab) были проведены на полученных in situ сколах. При обеих ориентациях образцов наблюдалась зависимость положения особенностей туннельного спектра от расстояния между иглой СТМ и поверхностью монокристалла. Для у-шта указанной зависимости все измерения ТС проводились при одном и том ше (максимально возможном для .используемой измерительной схемы) сопротивлении туннельного перехода: R = 100 МОм. В ориентации i ab на ТС обнаружены две особенности, которые могут соответствовать двум различным значениям энергетической щели (обозначены автором как Дх и Д2 для,

соответственно, большего и меньшего значения). Для учета неоднородности распределения кислорода по глубине монокристалла, ТС в ориентации п'аЬ измерялись вблизи края скола. При этом щель, измеренная в ориентации и аЬ, коррелирует с Д1. С учетом опубликованной ранее зависимости Тс(х) построена зависимость А(ТС), а для ориентации х аЪ, соответственно, зависимости Л1(ТС) и Д2(ТС). Пропорциональный характер зависимостей А1(ТС), Рис" ^

указывает на то, что сверхпроводимость в УВа2Си3Ох может быть охарактеризована двумя различными значениями безразмерного параметра 2А/кТс, соответственно: 2А1АТС = 5.3 и 2Д2/кТс = 2.7. Гистограмма распределения Д1 по участку (размером 1x1 мкм) поверхности образца согласуется с предположением автора о том, что разброс значений щели в плоскости аЬ может быть обусловлен флуктуациями локальной концентрации кислорода в области образца, размером I а ^ - длина когеррентности в плоскости аЬ).

В четвертой главе описывается СТМ-эксперимент по наблюдению поверхности монокристаллического образца В12Зг2СаСи20х, выращенного методом бестигельной зонной плавки в комнатной атмосфере. Измерения туннельных спектров показали, что проводимость плоскости скола (ВЮ) имеет полупроводниковый характер даже после перехода образца в сверхпроводящее состояние. Полученное СТМ-изображение указывает на существование на поверхности образца сверхструктуры с периодом 3.0 нМ (см. рис. 2). Ввиду того, что для наблюдения картины поверхности напряжение между иглой СТО и образцом долгие-было составлять не менее 2В0 мВ, автор делает вь:вод о том, что периодическая структура не связана с неоднородность» сверхпровади-

щих свойств, а отражает рельеф поверхности. Данные по дифракции медленных электронов подтверждают это предположение.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

Таким образом в диссертации получены следующие основные результаты:

Разработаны конструкции СТМ для работы в диапазоне температур 300 + 0.4 К.

Исследована зависимость энергетической щели в монокристаллах YBa2Cu30x от критической температуры.

Получено СТМ-изображение сверхструктуры на поверхности монокристалла Bi2Sr2CaCu2Ox при температуре 4.2 К.

Литература

1. Binnig G., Rohrer Н. Scanning tunneling microscopy.

IBM J.Res.Develop., vol.30, No.4, pp.355-369 (1986).

2. Н.Г.Hess, R.В..Robinson, R.С.Dynes, J.M.Valles,Jr., J.V.Waszczak Scanning-Tunneling-Microscope Observation of the Abrikosov Flux Lattice and the Density of States near and inside a Fluxoid. Phys.Rev.Lett, vol.62, 2, pp.214-216 (1989).

3. Bednorz J.G., Muller K.A.

Possible high Tc superconductivity in the La-Ba-Cu-0 system. Z.Phys., B, vol.64, No.2, pg.189 (1986).

4. Александров И.В. и др.

Новые данные о зависимости критической температуры от содержания кислорода з сверхпроводящем соединении YBa„Cu30x. Письма в ЖЭТФ, т.48, вып.8, стр.449-452 (1988).

5. J.R.Kirtley

Tunneling measurements of the energy gap in high-Tc superconductors.

Int.J.Mod.Phys. B, vol.4. No.2, pp.201-237 (1990).

й.мэВ

рис.1 Зависимость энергетической щели в монокристаллах УВа2Си30х от критической температуры.

тс.2 СТМ-изображение сверхструктуры на поверхности монокристалла ii2Sr2CaCu20x. Размер изображаемого участка поверхности: 50 х 150 8.