Транспортные свойства высокотемпературных сверхпроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ им. П.Л. КАПИЩ

На правах рукописи УДК 538.945

САМОЙЛОВ Аркадий Виленович

ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Специальность 01.04.09 - физика низких температур я криогенная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте физических проблем им. П.Л. Капицы РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Н.В. Заварицкий

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.И. Нижанковский

доктор физико-математических наук

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится О" ^-оКц/_ 1992 г.

в 10-00 часов на заседании Специализированного Совета Д 003.04.01 при Институте физических проблем им. П.Л. Капицы РАН по адресу: Москва, ул. Косыгина, д.2.

ч

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан "^Р" в^ЯЯлЦ 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д доктор физико-математических

наук Л.А. Прозорова

Актуальность теми и цель работы ... и-.;: Изучение транспортных свойств - информативный метод исследования сверхпроводников. Измерение теплопроводности, например, оказывается полезным для понимания различных процессов рассеяния фононов или электронов (в зависимости от того,, какой вклад в теплопроводность - фононный или электронный - преобладает). Если сверхпроводник находится в магнитном поле, то под действием электрического поля или градиента температуры структура магнитного потока, проникшего в образец, может приходить в движение, и изучение кинетических коэффициентов позволяет получать информацию об этом движении.

Одной из особенностей высокотемпературных сверхпроводников (БТСП) является то, что их свойства могут существенно изменяться путем допирования тем или иным химическим элементом. Так, например, в системе УВа2Си30х таким . элементом является кислород. Изменяя содержание кислорода, можно варьировать концентрацию носителей заряда и • дефектов и следить за тем, как сказывается изменение х на транспортных свойствах.

Другой особенностью ВТСП является малая длина когерентности £~0,5-30 А. ВТСП относятся к сверхпроводникам второго рода, и магнитный поток проникает в образец в виде вихрей. Хорошо известно, что из-за воздействия электрического тока или градиента температуры вихри могут - приходить в движение. Этому движению в низкотемпературных сверхпроводниках второго рода препятствует пиннинг вихрей. С малой длиной когерентности в ВТСП связан слабый пиннинг [1] по сравнению с пиннингом в "классических" сверхпроводниках: энергия активации вихрей Ьт0 имеет порядок величины 0,1 эВ, в то время как в обычных сверхпроводниках - порядка 1 эВ. Вместе с высокими температурами это приводит к тому, что отношение ио/кТ для ВТСП примерно на два порядка меньше, чем наблюдаемое для традиционных сверхпроводников [ 1 ]. Высокое значение критической температуры и малая длина когерентности обуславливают то, что жесткость вихревой решетки стремится к нулю при температурах, меньших ТС(Н) (2]. При этом подвижность вихрей высока, а отклик вихрей (скорость их

движения) .-на электрический ток и градиент температуры линейный [3,4].

ВТСП - сильно анизотропные сверхпроводники, причем анизотропия наиболее сильна для сверхпроводников на основе В1 и Т1. Параметр Г"С(аЬ/<с)2 имеет большую величину, и, соответственно, длина когерентности вдоль оси с мала. Это означает, • что параметр порядка в значительной степени модулирован вдоль оси с, и магнитное поле при определенных условиях проникает в сверхпроводник в виде дяюэефсоновских, а не абрикосовских вихрей. Взаимодействие джозефсоновских вихрей с электрическим током и потоком тепла может существенным образом отличаться от случая абрикосовских вихрей. Исследование монокристаллов ВТСП с различной етбпекьв анизотропии (таких, как В12Бг2СаСи20х и УВа2Си30?) при Н|аЬ представлялось интересным и актуальным.

Наличие ярких особенностей ВТСП и обусловило направленность данной работы. Ыы измеряли электросопротивление р и теплопроводность к керамических образцов УВа2Си30х при изменении содержания кислорода х, исследовали эффекты Холла и Нернста, термоэдс Б, сопротивление и теплопроводность монокристаллов В125г2СвСи20х при НхаЬ, Э и р монокристаллов В125г2СаСи20х и УВа2Си307 при Н|аЬ при промежуточных температурах (10-200 К) и магнитных полях 4-5 Тл.

Научная новизна диссертации определяется результатами, впервые полученными в данной работе, и заключается в основных положениях, выносимых на защиту:

1. Впервые измерена теплопроводность к керамических образцов УВа2Си30х при изменении содержания кислорода 6<х<?. Местополояение и величина аномалии в *(Т) коррелирует со значением Тс(х) и концентрацией электронов. Оценка времени фонон-электронной релаксации дает ге~10"12с для. х*7 при Т=100 К, что сравнимо со значением т0 для обычных сверхпроводников при той же температуре.

2. При температурах ТкЮО К теплопроводность УВа2Си30х уменьшается с уменьшением х до 6,2, что связано с ростом числа кислородных вакансий. Однако для х»б в этой области'

температур к значительно выше, чем у всех других образцов, что вызвано практически полным отсутствием электронов как рассеивающих центров фононов и однородным распределением атомов кислорода.

3. В смешанном состоянии монокристаллов Bi2Sr2CaCu20x впервые определена транспортная энтропия на единицу длина вихря Обнаружено аномальное поведение холловского сопротивления монокристаллов Bi2Sr2CaCu20x в смешанном состоянии. В режиме термоактивированного движения вихрей тангенс холловского угла стремится к нулю при понижении температуры.

4. Предложена модель для объяснения термоэдс з смешанном состоянии. Показано, что наличие N-S границы .кора вихря существенно сказывается на термоэлектрическом эффекте.

5. Измерения анизотропии магнето-термоэдс монокристаллов Bi2Sr2CaCu20x и YBa2Cu307 свидетельствуют о . том, что градиент температуры качественно различным образом влияет на джозефсоновские и абрикосовские вихри. Это явление связывается с отсутствием нормального кора у джозефсоновских вихрей и слуиит подтверждением нашей модели.

Практическое значение работы.

Данные по транспортным свойствам могут оказаться существенными при создании устройств на основе ВТСП.

Апробация работ.

Материалы диссертации докладывались на семинарах ИФП, XXV и XXVI Всесоюзных совещаниях по физике низких температур (Ленинград, 1988 г.; Донецк, 1990 г.), Иеждународкой конференции по макроскопическим квантовым явлениям (ICMQP, Смоленице, Чехо-Словакия, 1989 г.), X и XI конференциях Отделения физики конденсированного состояния Европейского физического общества (Лиссабон, Португалия, 1990 г.; Екзетер, Великобритания, 1991 г.), II и III Международных конференциях по материалам и механизмам сверхпроводимости (M2HTSC, Стэнфорд, США, 1989 г.; Каназава, Япония,. 1991 г.).

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано 6 работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 98 страниц, включая список литературы из 103 -наименований, 30 рисунков, одну таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, формулируется цель работы и содержится краткий обзор диссертации.

Глава 1 посвящена экспериментальным вопросам. Сначала приводится методика приготовления и характеристика образцов, используемых для исследований. Контакты к образцу осуществлялись при помощи серебряной пасты, вжигавшейся в образцы У123 в атмосфере кислорода в течение 1 ч. при изЭ0°С и в монокристаллы В12212 при и550°С в течение 5 ч., с медленным охлаждением до комнатной температуры. Сопротивление контактов не превышало 2 Ом.

Далее описана методика измерений кинетических коэффициентов при температурах 10-200 К и магнитных полях 4-5 Тл. Измерялись теплопроводность, сопротивление, константы Холла и Нернста, термоэдс. Для уменьшения тепловых потерь нами использовались тонкие (30 мкм) подводящие манганиновые и константановые провода и тепловые экраны. Для измерений теплопроводности ыонокристаллических образцов малых размеров были сделаны миниатюрные пленочные нагреватели. При исследовании эффекта Холла мы применили метод переключения пар контактов. При' изучении термомагнитных явлений ' нам приходилось проводить измерения для двух направлений магнитного поля. При исследовании кинетических коэффициентов при НЦаЬ важна тосность выставления магнитного поля, которая составляла в наших опытах 0,5°.

Глава 2 посвящена исследованию теплопроводности керамических образцов У123 при содержании кислорода 6<х<7 и монокристаллов В12212. Эти исследования позволили оценить

время фонон-электронной релаксации, получить информацию о взаимодействии фонрков с вихрями в В12212.

Результаты измерений для образцов У123 при содержании кислорода 6<х<7 представлены на рис. 1, 2. Значения х указаны около кривых. Содержание кислорода изменялось путем отжига образцов в вакууме (или в кислороде, если требовалось увеличить х) и .измерялось путем вэвеЕиголия образца до и после отжига. Кроме того, после каждого отжига производилась съемка рентгенограммы. Определенное по постоянным решетки значение х находилось в соответствии со значением, вычисленным из взвешиваний. Данные, представленные на рис.1, 2 были получены на одном образце, подвергнутом многократным отжигам. Результаты, полученные с использованием других исходных образцов, подтвердили основные закономерности изменения к при изменении х.

Теплопроводность ВТСП преимущественно фонониая, при понижении температуры ниже Тс для свехпроводпцих образцов (рис.1) теплопроводность возрастает, что связано с уменьшением фоном-электронного рассеяния из-за образования электронами куперовских пар. При уменьшении х положение аномалии в *(Т) сдвигается в сторону более низких температур, в соответствии с уменьшением Т , а уменьшение величины максимума связано с уменьшением концентрации электронов при уменьшении х.

В нормальном состоянии теплопроводность как функция х уменьшается, что мы связываем с сильным рассеянием коротковолновых фононов на кислородных вакансиях. Теплопроводность образца с х=6 значительно превосходит теплопроводность всех остальных образцов, что может быть объясненр практически полным отсутствием электронов как рассеивающих центров фононов и однородны« распределением атомов кислорода. Из сравнения *(х=7) и *(х=6) мы получили оценку времени фонон-электронной релаксации в У123 геи10'12с при Т=100 К, х=7 - величина, характерная для традиционных сверхпроводников при той те температуре.

Исследования монокристаллов В12212 в магнитном поле показали, что к уменьшается с увеличением магнитного поля. Это связывается с рассеиванием фононов на вихревых нитях.

Магнето-теплосопротивление дЯ(Т) уменьшается при низких температурах, что, по-видимому, объясняется уменьшением эффективности взаимодействия длинноволновых фононов по сравнении с коротковолновыми.

Глава 3 посвящена исследованию сопротивления, эффектов Холла а Нернста и Термоэдс монокристаллов В12212 при Ш.аЬ. Была обнаружена аномальная, с двойным изменением знака, зависимость ^Н(Т) ' в режиме вязкого течения вихрей (см.рис.3). При обсуждении эффекта Холла предполагается зависимость вязкой силы от скорости движения вихрей в виде

(1)

по аналогии с силой, действующей на вихрь в сверхтекучем 4Ке, как это было сделано, в работах [5,6]. При этом оказывается, что тангенс холловского угла дается выражение«

" (2) где п„ - плотность сверхпроводящих электронов. Знак эффекта

о

Холла определяется числителем этой дроби и может быть отрицательным. Впервые обнаружено, что в режиме термоактивированного течения вихрей tgí(T) стремится к нулю при понижении температуры, где » - холловский угол. Это означает, что преимущественное направление термоактивированных. прыжков вихрей в точности совпадает с направлением силы Лоренца. Нами была „определена, транспортная энтропия на единицу длины вихря для В12212 (рис.4) и проведено сравнение величины и зависимостей от Т и Н с существующими теоретическими и экспериментальными данными. Зл имеет порядок вели "значением [7]

порядок величины 10"10 эрг/Кем, в неплохом согласии со

в н „<Т)-Н • ° 0 4гТ 0д(2* -1)+1 0

Ы - равновесная намагниченность, р^ - численный коэффициент порядка единицы, равный 1,16 для треугольной вихревой решетки, ЬрСТ) - функция температуры, принимающая значения рорядка единица при Т*ТС. Действительно, полагая Нс2(Т)-Н=1 Тл, Т=70 К, *=30, 1^=1, получим 8^=0,86x10"10 эрг/(смК). Однако полевые зависимости не согласуются с тем, что

предсказывает теория.' Как видно из рис.4, а пределах точности эксперимента не зависит от И. Энтропия как функция температуры возрастает в смешанно» состоянии по мере удаления от Тс и проходит через максимум в районе 70 К. Зависимость такого рода от температуры возникает потому, что, с одной стороны, энтропия стремится к кула при Т—0 в склу третьего правила термодинамики, а с другой стороны, Бф-.0 при Т-Л0 из-за того, что сглаживается разница невду локальными плотностями энтропии в коре вихря и Еие его.

Нами была предложено объяснение термоэлектрического эффекта в смешанном состоянии. В работе [81 были.высказаны аргументы в пользу того, что для сверхпроводника с параметром Гинзбурга-Ландау кЛ на Н-Б границе . кора вихря нет контактной разности потенциалов. Это приводят, при наличии градиента температур!, к нормальному тису в норах вихрей, определяемому из условия (гдо и ■■

терноэде и сопротивление в нормальной • состоянии) и сверхпроводящим противотокам вне коров. Сила Магнуса, возникавшая из-за наличия сверхпроводящих токов,

и вызывает термоэлектрический эффект.

Глава 4 посвящена анизотропии магнето-термоэде монокристаллов В12212 и У123 в смеиагаюм состоянии. Для Ы2212 при температурах Тс-Т>0,4 К выполнено условие ?с<е/у7, где з - расстояние между плоскостями Си-0, и поэтому при этих температурах в поле Н|аЬ вихри джозефсоновские [91, и, следовательно, не имеют кора. Как видно из рис.5, для В12212 при Н|аЬ магнето-термоэде дБ<»0, в то время как сопротивление возрастает на 30% от значения в нормальном состоянии. В то же время для менее анизотропного У123 при Ш.аЬ и НЦаЪ, а также для В12212 при НхаЬ' 3 я » изменяются аналогичным образом. Мы заключаем, что обнаружена качественно различная реакция джозефсоювских и абрикосовских вихрей на градиент температуры. Мы связываем этот факт с отсутствием нормального кора у джоэефсоновских вихрей.

В заключении приводятся основные результаты

диссертации:

1. Создана экспериментальная установка и отработана методика, позволяющие измерять все независимые кинетические коэффициенты ВТСП в магнитном поле до 4-5 Тл, в том числе и у образцов малых размеров.

2. Впервые измерена теплопроводность к УВа2Си30х для

значений ■ содержаний кислорода 6<х<7. Местоположение и

величина аномалии в «(Т) коррелирует со значением Тс(х) и

концентрацией электронов. Оценка времени фонон-электронной 1 ?

релаксации дает ге~10 с для х»7 при Т=100 К, что сравниио со значением г для обычных сверхпроводников при той ко температуре:

3. При температурах Тк100 К теплопроводность УВа2Си30к уменьшается с уменьшением х до 6,2, что связано с ростои числа кислородных вакансий. Для х»6 б этой области температур к значительно выше, чем у всех других образцов, что вызвано практически полним, отсутствием электронов как рассеивающих центров фононов и однородным распределением атомов кислорода.

4. В смешанном ■ состоянии монокристаллов В12Зг2СаСи20х впервые определена транспортная энтропия на единицу длины вихря Обнаружено аномальное поведение холловского сопротивления монокристаллов В12Зг2СаСи20х в смешанном состоянии. В режиме термоакгивированного движения вихрей тангенс холловского угла стремится к нулю при понижении температуры.

5. Предложена простые сообраяения для объяснения термоэдс в смешанной состоянии, клвчевую роль в которых играет выполнение граничных условий на границе кора вихря.

6. Из измерений анизотропии магнето-термоэдс монокристаллов В12Зг2СаСи20х и УВа2Си30?, произведенных нами впервые, сделан вывод о том, что градиент температуры качественно различным образом влияет на джозефсоновские и абрикосовские вихри. Это явление связывается с отсутствием нормального кора у джозефсоновских вихрей.

Кроме того, обсувдавтся некоторые эксперименты, которые было бы интересно поставить, при условии преодоления существенны? трудностей технологического характера.

J5MTopa?ypa

1.Yeshurun Y.t Halozesioff A.P. Giant flux creep in a Y-Ba-Cu-0 crystal: An alternative to the superconducting-glass model, vPhys.Rev.Lett., 1988, v.60, p.2202-2205.

2.Ganmel P.L., Schneeneyer L.F., Viaszczak J.V., Bishop D.J. Evidence from raochanical measurements for flux-lattice nelfcing in single-crystal YBa2Cu307 and Bi2 2Sr2CaB 8Cu2°8' ' Phys.Rev.Lett., 1983, v.61, p.1666-1669!

3.Palstra T.T.U., Batlcgg B., van Dover R.B., Schneeneyer L.F., Waszczak J.V. Critical currents and thermally activated flux motion in high-temperature superconductors. - Appl.Phys.Lett., 1939, v.54, p.763-765.

4. Zeh M., Ri H.-C., Kober F., Huabener R.P., Ustinov A.V., Kannhart J., Gross R., Gupta A. fiernst effect in superconducting Y-Ba-Cu-0. - Phys.Rev.Lett., 1990, v.64, p.3195-3198.

5.Hagen S.J., Lobb C.J., Greene R.L., Forrester M.G., Kang J.H. Anomalous Hall effect in superconductors near their critical temperatures. Phys.Rev.3, 1990, v.41, p.11630-11633.

6.Hagen S.J., Lobb C.J., Greene R.L., Eddy U. Flux-flow Hall effect in superconducting Tl2Ba2CaCu208 films. Phys.Rev.B, 1991, v.43, p.6246-6248.

7.Maki K. Motion of the vortex lattice in a dirty type II superconductors. - J.Low Temp.Phys., 1969, v.l, p.45.-58.

S.Nozieres P., Vinen t?.F. The motion of flux lines in type II superconductors. - Philos.Mag., 1966, 14, 667-688; Vinen W.F., Tiarren A,C. Flux flow resistivity in type II superconductors II. Theoretical discussion. Proc.Phys.Soc., 1967, V.91, p.409-421.

9.Lawrence W.E., Doniach S. Theory of layer structure superconductors. - Proceedings of the 12th International Conf. on Loir Temp. Phys. (Kyoto, 1970), Keigaky, Tokyo, 1971, p.361-362.

Публикации по теме диссертации

1.Эаварвдиий Н.В., Самойлов А.В., Юргенс А. А. Кинетические свойства керамики Y8a2Cu30x при изменении содержания кислорода (6<х<7). - Письма в ВЭТФ, 1988, т.48, с.221-224.

2.Zavaritsky N.V., Santoilov A.V., Yurgens A.A, Klochko V.S., Makarov V.I Phonon transport phenomena in HTSC. Physica С, 1989, v.162-164, p.562-563.

3.Zavaritsky II.V., Samoilov A.V., Yurgens, A.A. Transport properties of Bi„Sr2CaCu20„ single crystals with T0=95 K.

- Physica C, 1990, v.169," p.174-178.

4.Zayaritsky N.V., Samoilov A.V., 'Yurgens A.A. Mixed state properties of Bi2Sr2CaCu2Ox single crystals with T »95 K.

- Physica C, 1991, v.185-189, p.1817-1818.

5.Zavaritsky N.V., Samoilov A.V., Yurgens A.A. Transport properties and flux motion in Bi2Sr2CaCu20x single crystals. - Physica Ç, 1991, v.180, p.417-425.

б.Заварицкий К.В., Самойлов А.В., Юргенс А.А. Анизотропия магнето-термоэдс монокристаллов ВТСП в смешанном состоянии. Роль длины когерентности. - Письма в 8ЭТФ, 1992, т.55, с.133-136.

4

3

"54

Е у

1

+ +Л ++ + ++ ^.о

о*

о? *

2Р Оо,«адоооо о оо О с^ о о о ? 6,7

6 * * * * 6-53

о * *

УВагСизО*

О 50 100 150 200 250 Т (К) ,

Рис.1 . Зависимости теплопроводности сверхпроводящих УВа2Си30х от температуры при различных значениях х, указанных около кривых. Стрелками указана Т .

• -в

- д А Д А д 6.0

Д

д

/г\+„ / ■ / А +++ь+ + + + + + 7.0 6.77

/А

" . ЛЬ о О о о Л О о о ° о о О О ° 6.31

п л°

_______ _ .1 . 1, УВагСи30х 1. 1 —

О 50 100 150 200 250

Т (К)

Рис.2 . Зависимости теплопроводности УВа2Си30х образцов серии "4" от температура при различных значениях указанных около кривых.

тек)

Рис.3 - Температурная зависимость р^/р монокристалла

В1„Зг„СаСи,0 в магнитных полях, указанных около кривых в Тл. Вставка: зависимость «н//> от Н при различных температурах.

2.0

£ 1.5

О

N4 ?

0

2 1.0

1

О

т—.

(л 0.5

0.0

- *

1 в ***** 1 т

В л Д в ооооо 2 т

Л □□□□□ 3 т

ддддд 4 § т

о

. о 1 В

* Ш

- *

0

□

*б

• 1 ■ 1

40

60

80

Т(К)

100

120

Рис. 4. Температурная зависимость Бф для В125г2СаСи20.

1.0

0.8

0.6

с

.о.

0.4

0.2

0.0 1.0

. '(а) В^ЭггСаСигО,

- 97.9 К

^96.4 К

НИоЬ

94.4 1. || к —?—0 "Тэ^ок

0.8".

с

СП \

(Л

0.6 -

0.4

0.2

о

(Ь)

ТТЛ-О-о-

В|2Зг2СаСи20)< п о

~пг

п

11

97.9 К

96.4 К

I) -

~п—пг

-О—в-

ННаЬ

94.4 К

тгп-п-сг

□__а

-□-

_I)

0.0 и-°-а-о—Й-

□

92.0 К

1 2 Н (Т)

"ГГ 3

-в—а

и

Рис. $ . Зависимости а) р/рп ( с рп=200 мкОмсм) и Ь) 3/3п (с £>п=3,2 мкВ/К) В12Зг2СаСи20х от магнитного поля Н|аЬ.

п