Влияние ионного облучения на критическую температуру и удельное электросопротивление пленок Y1 Ba2 Cu3 O6+x C различной кислородной стехиометрией тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.22 ВАК РФ

Т>

На правах рукописи

КОНЬКОВ Константин Эдуардович

ВЛИЯНИЕ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА КРИТИЧЕСКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ И УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ ПЛЕНОК У1Ва2СизОб+« С РАЗЛИЧНОЙ КИСЛОРОДНОЙ СТЕХИОМЕТРИЕЙ

01.04.22 - сверхпроводимость

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-1997

Работа выполнена в Московском Государственном инженерно-физическом институте (техническом университете)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор, В.Ф. Елесин.

»

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

с.н.с., В.Е. Архипов.

кандидат физико-математических наук доцент, А.И. Головаппсин.

Ведущая организация:

ИСФТТ РНЦ "Курчатовский институт

Защита состоится:" 09 " апреля 1997г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета К.053.03.01 в МИФИ (ТУ) по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, тел. 323-93-93

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан " (УЛ 9 1997г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент:

_И.А. Руднев,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Периоды повышенного интереса к проблемам сверхпроводимости связаны с открытием новых классов сверхпроводников с более высокой критической температурой Тс, более сложной структурой и необычным сочетанием свойств. Особенно бурной оказалась реакция научного, мира на открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Исключительная важность прикладных аспектов связайа с возможностью использования дешевого хладагента -жидкого азота.

В настоящее время основными направлениями практического использования сверхпроводников являются слабосвязанная и сильноточная сверхпроводимости. В первом случае это связано с созданием сверхпроводящих квантовых интерференционных детекторов (СКВИД). Вторая область применения стала возможной после открытия технических сверхпроводников со структурой А-15, обладающих высокой токонесущей способностью и благодаря разработке сверхпроводящих магнитных систем (CMC) способных создавать сильные магнитные поля вплоть до 200кЭ. Такие поля необходимы для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза, в частности, в термоядерных реакторах (ТЯР) типа 'Токомак", где нужно удерживать чрезвычайно горячую плазму вдали от стенок, поскольку при соприкосновении с такой плазмой любой материал мгновенно испаряется. Особенностью работы CMC ТЯР является наличие поля нейтронного излучения, которое приводит к созданию радиационных дефектов в структуре материала. Это обстоятельство явилось одной из причин изучения поведения сверхпроводников в радиационных полях. Оказалось, что ситуацию можно с успехом моделировать при ионном облучении тонких пленок и проблемы радиационной стойкости сверхпроводников, таким образом, сформировали самостоятельное направление прикладных исследований.

-Ч

Со временем выясшшось, что за внешним техническим применением скрываются и чисто физические проблемы. Они вытекают из факта резкого изменения . Тс при облучении интерметаллических соединений А-15 частицами различного типа и энергий [Влияние облучения на физические свойства перспективных упорядоченных сверхпроводников - М., Энергоатомиздат, 1989]. Этот результат противоречит известной теореме Андерсона [J.Phys.Chem., Sol, V.l 1, 1959, р.26], согласно которой дефекты не могут оказывать влияние на Тс и справедливой для простых t одноэлементных металлов. Однако для интерметаллидов А-15 .установлена совершенно четкая зависимость характера изменения Тс с ростом фгаоенса облучения F от исходного значения критической температуры Т^. Действительно, при облучении низкотемпературных материалов этого класса (M03SÍ, МозСе: 7,£Ú=(1*2)K) Тс начинает расти с увеличением F, а для высокотемпературных соединений (NbjAl, M>3Sn, NbjGe: ^=(17-7-23)^ разупорядочение приводит к уменьшению Тс. При больших флюенсах, в обоих случаях, чувствительность к беспорядку ослабевает и зависимость TJF) выходит на константу. В результате интенсивных экспериментальных и теоретических исследований было показано, что такой характер изменения Тс при радиационном разупорадочении связан с "размыванием" пика плотности состояний Ы(г), который может располагаться достаточно близко от уровня Ферми ег [ФТТ. т.21, 1979, стр.2062-2072]. После того, как изменения в N(sr) исчерпаны, начинает работать теорема Андерсона и Те перестает реагировать на воздействие.

Необходимо отметить, что по сравнению с обычными сверхпроводниками, ВТСП - это многокомпонентные соединения допускающие различные стехиометрические комбинации. Особенно наглядно данная особенность проявляется в системе Y|Ba2Cuj07, где уменьшение содержания кислорода приводит к изменению сверхпроводящих и нормальных свойств [Phys.Rev. В, V.36, 1987, рр.5719-5722]. Таким образом . для ВТСП имеется как бы дополнительная степень свободы и есть

уникальная возможность исследования эффектов радиационного разупородочения в образцах с различной Т^, то есть можно моделировать ситуацию аналогичную для А-15 и получить, тем самым, информацию, хотя и косвенную, об особенностях "зонных" параметров электронной подсистемы в ближайшей окрестности ес.

Реагадия высокотемпературных сверхпроводников на радиационное воздействие оказалась очень необычной. Уже в первых работах [Письма в ЖЭТФ, т. 14, в.20, 1988, стр.1828-1831, РЬуя. Яеу.В, У.39, 1989, рр. 1159911602] и др. были установлены наиболее общие свойства ВТСП под облучением: критическая температура Те и критический ток ]с уменьшаются с ростом дозы облучения и обращаются в нуль при некоторой критической концентрации дефектов, причем сопротивление р начинает неограниченно расти. Таким образом радиационное разупорядочение приводит к фазовому переходу сверхпроводник-полупроводник и, следовательно, теорема Андерсона полностью нарушается в ВТСП. В пользу фундаментальности причин уменьшения Те и ]с говорит универсальность зависимости ТС(Г) для различных видов облучения (нейтроны, электроны, ионы и др.) [СФХТ, т.4(11), 1991, стр.2055-2071]. Для объяснения экспериментально наблюдаемых свойств предложено несколько теоретических моделей, одной из которых является модель основанная на представлении о локализации части конденсата пар в поле дефектов (ЖЭТФ, т.105, вып.1, 1994, стр.168-175], которая предсказывает фазовый переход сверхпроводник-полупроводник при определенной концентрации немагнитных дефектов п'ш и описывает особенности _ этого фазового превращения. В частности показано, что пе соответствует, фактически, минимальной металлической проводимости в двумерни. Соответствующие экспериметальные зависимости. Тс(р) для различных Тл позволяют проверить данное предположение.

Таким образом настоящая работа посвящена актуальной физической проблеме: уменьшению критической температуры ВТСП соединений с рог.гом концентрации радиационных дефектов, а эксперименты по ионному

облучению пленок У|Ва2СизОб+х с различной кислородной стехиометрией позволяют провести фавнительный анализ результатов с предсказаниями как хорошо известных теоретических моделей, так и совершенно новых, разработанных специально для ВТСП.

Для решения поставленных задач требуется отработка специальных технологий приготовления образцов с контролируемыми исходными свойствами, причем актуальным остается вопрос качества. Известно, что тонкие эпитакейальные пленки позволяют решить проблемы связанные с ^ однородностью образцов, однородностью облучения и получить воспроизводимые физические результаты.

Цель работы. Целью настоящей работы была отработка методики приготовления высококачественных тонких пленок У|Ва2СизОб+* с .различной кислородной стехиометрией, исследование влияния ионого облучения на критическую температуру и удельное электросопротивление данных пленок. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими моделями. .-"".■■"' •

Научная новизна работы состоит в следующем: '

1. Впервые на тонкопленочных образцах У^агСизОб+х с различной исходной критической температурой проведено детальное исследование резистивных и сверхпроводящих свойств фазового перехода сверхпроводник-полупроводник, наблюдающегося в ВТСП при радиационном разупорядочении. Экспериментально установлены характерные особенности данного фазового превращения.

2. Впервые исследовано влияние темпфатуры облучения на критические параметры пленок. У^агСизОб+х с различной кислородной стехиометрией. Низкотемпературное облучение позволило отсечь эффекты, связанные с отжигом радиационных дефектов, что значительно упростило физическую картину. -

3. Экспериментальные результаты позволили провести сравнительный анализ с теоретическими зависимостями, рассчитанными в рамках традиционных, представлений о взаимодействии, ведущем к спариванию, при различной степени анизотропии параметра порядка; моделями, разработанными для интерметаллических соединений со структурой А-15; и современными концепциями ВТСП. Получены достаточно убедительные аргументы, свидетельствующие о: неприменимости к ВТСП модели с пиком плотности состояний, разработанной для А-15; з - анизотропной симметрии параметра порядка в ВТСП; и обоснованности физических предпосылок в теоретической модели локализованного бозе конденсата.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты в значительной степени дополняют имеющийся экспериментальный материал о поведении ВТСП при химическом и радиационном воздействии и являются определенным шагом на пути понимания физики сверхпроводимости в данных материалах. Результаты работы могут быть применены для прогнозирования влияния дефектов на физические свойства ВТСП при использовании их на практике.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика приготовления эпитаксиальных тонких пленок У|ВагСизОб+х с различным содержанием кислорода (0.2<х<1)

2. Экспериментальные зависимости критической температуры Те от флюенса Р, температурные зависимости удельного электросопротивления р(Т), при различных Р\ зависимости критической .температуры Тс от остаточного удельного электросопротивления рл полученные при облучении ионами 4! 1е' с энергией £=1.2МеУ, вышеупомянутых образцов, при температурах облучения 300 и 13К.

3. Сравнительный анализ экспериментальных зависимостей с предсказаниями теоретических моделей, разработанными как для сверхпроводников А-15, так и для ВТСП. >

Апробация результатов. Результаты настоящей диссертации опубликованы в шести статьях, в журналах: СФХТ, ЖЭТФ, Czechoslovak Joyrnal of Physics, а также представлены в докладах на 21-ой международной конференции "Low temperature physics" (Прага, 8-14 августа, 1996); на. » межотраслевом научно-техническом семинаре "Современная технология получения материалов и элементов высокотемпературных микросхем" (Минск, 17-21 сентября, 1990).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 109 наименований. Диссертация содержит. 102 страницы машинописного текста, включая 5 таблиц и 31 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ :

В начале диссертации дается краткая характеристика работы и обзор литературы.

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о необычной чувствительности ВТСП к различного рода воздействиям. В основном работы посвящены исследованию влиянию различных видов облучения на критические параметры сверхпроводников и изменению их свойств при вариациях химического состава. В первом случае проявляется сильная зависимость критической температуры от концентрации дефектов, а во втором - от концентрации носителей заряда, то есть от энергии Ферми ег.

В диссертации были приготовлены тонкопленочные образцы керамики У|Ва2СизОб+х с различной кислородной стехиометрией, поэтому в разделе

"Экспериментальные методики" описывается соответствующая технология изготовления. Пленки напылялись лазерным методом на подпояски БгТЮз с ориетацией [100], дефицит кислорода формировался на стадии охлаждения. Производился контроль сверхпроводящих параметров: Те, ширины сверхпроводящего резистивиого перехода ЛТС, критического тока ]с\ параметров нормального состояния: р, р(Т), отношения электросопротивлений при температурах 300 и 100К - Рзо^Рюо ■

Было показано, что изменение содержания кислорода приводит к уменьшению Те и росту/?. На рис.1 показаны температурные зависимости удельного электросопротивления образцов для различных значений "х". Па основании измеренных параметров сверхпроводящего и нормального состояния обсуждается качество приготовленных пленок. Представлены методические вопросы, касающиеся процедур измерения Тс, у'с, р. Описывается методика облучения пленочных образцов на циклотронном ускорителе. Приводятся экспериментальные результаты - температурные зависимости р{Т) пленок У^агСизОв+х с различной кислородной стехиометрией для различных флюенсов Г ( см. например рис.2) облучения ионами 4Не* с энергией Е=1.2МеУ при температурах облучения 300 и 13К, из которых следует, что радиационное воздействие приводит к уменьшению Тс и росту р. Причем это становится заметным уже при малых флгоенсах. Существует критический флюенс Рп когда Те обращается в нуль. Существует критическое значение рс, ■ когда зависимость р(Т) становится полупроводниковой. Таким образом при некоторой критической концентрации дефектов наблюдается фазовый переход свсрхпроводши;-|Полупроводник. До момента полного подавления сверхпроводимости, то есть пока обнаруживается нулевое сопротивление, зависимости р(Т) сохраняют металлический характер. Поэтому обоснованными можно считать их экстраполяции в нуга, температур, определяющие величину остаточного сопротивления р0. Данные экстраполяции были выполнены в виде линейных

приближений. Установлено, что наклон зависимостей р(Т) с ростом ^ изменяется незначительно, следовательно радиационное воздействие приводит к изменению независящей от температуры составляющей р, то есть к изменению собственно величины д, и ее можно непосредственно связать с концентрацией немагнитных дефектов. Отметим так же низкие исходные значение ро»10ц£2ст. В соответствии с выбранным критерием дефектности, этот факт отражает совершенство структуры.

Известно, что радиационные дефекты в данном соединении достаточно подвижны уже при комнатной температуре и выдержка при ней приводит к частичному восстановлению свойств [ЖЭТФ. т.95, в.2, 1989, стр.678-697; СФХТ. т.6(2), 1993, стр.367-372.]. Поэтому конечный результат является следствием. наложения двух процессов: процесса радиационного дефектообразования и отжига дефектов. Если понизить температуру облучения, то физическая картина упростится, поскольку процессы отжига будут естественным образом заторможены. Действительно в этом случае мы получаем несколько меньшее значение Гс для образцов с максимальной исходной Тсо- Тот факт, что эта разница отсутствует для кислородно-дефицитных образцов говорит о том, что наиболее подвижной является кислородная подсистема (см. рис.3).

Таким образом впервые было проведено детальное исследование сверхпроводящих и резистивных свойств фазового превращения сверхпроводник-полупроводник, наблюдающегося при радиационном разупорадочении тонкопленочных образцов ВТСП с различной Т^ Подчеркнем, что данный эксперимент представляет значительный интерес с фундаментальной точки зрения. Действительно, для хорошо изученных сверхпроводников А-15 величина Та определяет характер изменения Те от Р и связано это с "размыванием" пика плотности состояний, который может располагаться достаточно' близко от уровня Ферми. В случае малых Т^гО^К наблюдается значительное начальное увеличение Тс, а при

2rir(liH-23)K. - Te быстро уменьшаться с ростом F [Superconductivity in d- and /- Band Mettals / Ed. W. Buckel, W. Weber, 1982, pp.107-110.].

В диссертации получены соответствующие зависимости TC{F) для ВТСП (см. рис.4). Наблюдаемая тенденция изменения наклона, т.е. производной dTJdF, для ВТСП оказывается совершенно иной. Уменьшение Т^ приводит к росту скорости подавления критической температуры. Следовательно, вряд ли при облучении существенным образом меняются "зонные" параметры электронной подсистемы в окрестности уровня Ферми. Поэтому будем считать, что при разупорядочении ВТСП iV(er)=const.

В этом случае экспериментальные зависимости Те от концентрации немагнитных дефектов п^ (в нашем случае Гс(р0)) можно сравнить со стандартными приближениями для сверхпроводников с различной симметрией и различной степенью анизотропии параметра порядка: •

к?;-

где y4z) - дигамма функция, г- время релаксации импульса, а -

<д >

параметр анизотропии, который определяется путем усреднения Д(к) и А2(к) по поверхности Ферми с весом v~'(k), где v(Jfc) = âc(k)/ck [Physica 214 С, 107 (1993); Phys. Rev. Lett. 73, 3044 (1994); Phys. Rev. В 50 3495 (1994)] и является количественным выражением степени анизотропии Д(*). Величина • 11т, в свою очередь, связана соотношением [Phys. Rev. В 48,653 (1993)]:

(2)

с остаточным удельным сопротивлением рд, которое находится непосредственно из опытных данных (здесь - плазменная частота).

Наилучшее соответствие теории с экспериментом наблюдается при Х=0.2, в области начальных изменений Тс, то есть при малых концентрациях дефектов. Таким образом в рамках стандартных приближений удается

объяснить уменьшение Тс при слабом разупорядочении, а само значение X свидетельствует в пользу ¿-анизотропной симметрией параметра порядка. Однако при больших концентрациях дефектов, когда ТУГ^ -»О, теория и эксперимент функционально - расходятся. Действительно, теоретические зависимости ассимтотически стремятся к нулю, а экспериментальные обращаются в нуль при фиксированном р'0 «800ц0ст. Это свидетельствует о недостаточности выбранных приближений.

Данную ситуацию можно описать с помощью модели локализованного бозс-конденсата [ЖЭТФ. т.105, вып.1 1994, стр. 168-175], которая предсказывает фазовый переход из сверхтекучего в локализованное состояние и линейную зависимость Тс от 1/х (то есть от р0):

. £- = 1-?» (3)

Тл р%

где р% = Р(к/ е2), р - численный коэффициент порядка единицы.

Важно подчеркнуть, что величина р\ , при которой Тс обращается в

нуль, по порядку величины совпадает с экспериментально установленной. Действительно, она определяется мировыми константами и соответствует минимальной металлической проводимости атЫ (рйтги.=4кО) в двумфии. В трехмерном случае дня соединения, имеющего слоистую структуру, с расстоянием между слоями примерно 1пт, получаем величину Рота/*400ц£2ст. Поэтому после обращения Тс в нуль, должны проявляться эффекты локализации носителей.

Участки полупроводниковых зависимостей облученных образцов, а также кислородно-дефицитного образца с нулевой критической температурой исследовались на возможность локализационного характера проводимости:

1п— = АТ~° + С (4)

Ро

Случай а =1/4 и 1/3 - это так называемая прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка [Электронные Процессы в Некристаллических Веществах - М.: Мир, 1982.]. Причем а = 1/4 соответствует трехмерному случаю, а а =1/3 - двумерному. Наилучшее соответствие теории и эксперимента, когда коэффициент детерминации данного функционального приближения наиболее близок к 1, наблюдается для двумерия. Поскольку локализация имеет место при,1/т ~ бг, а разрушение сверхпроводимости в (I-волновом канале - при 1/х ~Тс0 «ег„ то локализация может проявиться только при отличной от ¿/-волновой симметрии параметра порядка. Это также говорит в пользу анизотропного ¿-спаривания.

Анализ полученных в настоящей работе экспериментальных данных по влиянию радиационных дефектов на критическую температуру и остаточное удельное сопротивление ВТСП свидетельствует в пользу анизотропной я-симмстрии параметра порядка, против «/-волновой картины высокотемпературной сверхпроводимости. Установлено, что крйтические значения р'0, при которых сверхпроводимость исчезает, на порядок больше, чем предсказывает теория для ¿/-спаривания. При 0.540.6<Ге/7'с0<1 экспериментальные данные согласуются с теоретическими зависимостями Те(рд), полученными для сверхпроводника с анизотропным ¿-спариванием в рамках стандартных приближений, а при 0.5 - с моделью локализации

бозе-конденсата, имеющего анизотропную асимметрию. Данная модель • позволяет также объяснить ряд особенностей фазового перехода сверхпроводник-полупроводник, наблюдающегося в ВТСП при радиационном разупорядочении: линейность зависимости Тс(р0); обращение Те в нуль при фиксированном значении локализационный характер проводимости после обращения Тс в нуль; изменение наклона зависимостей ТС{Г) для образцов с различным Тл.

с'*

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Методом лазерного напыления приготовлены эпитаксиальные тонкие пленки У|ВагСизОб+х с различной кислородной стехиометрией (0.2<х<1). Дефицит кислорода приводит к уменьшению Тс и росту р. Значительная токонесущая способность, небольшая ширина сверхпроводящего перехода и однородность структуры позволяют считать данные образцы удобными модельными объектами для исследования эффектов радиационного разупорядочения ВТСП.

2. В результате облучения пленок У|ВагСизОб+* с различной кислородной стехиометрией ионами 4Не+ с энергией Е= 1,2МеУ при различной температуре, получены экспериментальные зависимости Т,.{!•), р(Т), Тс{р0). Низкотемпературное облучение позволило исключить эффекты связанные с отжигом и получить наиболее достоверные данные по влиянию радиационного разупорядочения на Те и р ВТСП соединений с различной исходной Тсо-

3. Установлено, что при уменьшении , зависимости ТС(Р) не имеют участков, где наблюдался бы рост Тс с увеличением дозы облучения, как это было для сверхпроводников со структурой А-15, у которых разупорядочение приводит к размыванию пика плотности состояний вблизи уровня Ферми. Наоборот, скорость подавления критической температуры - | <1Щ(1Р | растет с понижением Та и с некоторого значения остается постоянной. Это свидетельствует о совершенно ином механизме подавления сверхпроводимости при радиационном воздействии. Поэтому модель с пиком плотности состояний, разработанная для А-15, видимо, не подходит доя ВТСП.

4. Обнаружено, что величина при которой Те обращается в нуль, оказалась одинаковой для образцов с различной Та и по порядку величины совпадает с минимальной проводимостью слоистого (квазидвумерного) металла. Данный экспериментальный факт был предсказан теоретической

моделью, основанной на представлении о локализации конденсата куперовских пар в поле дефектов. В рамках данной модели удается объяснить и ряд других особенностей фазового перехода сверхпроводник-полупроводник, установленных экспериментально в данной работе: линейность зависимости ТДд,); локализационный характер проводимости после обращения Те в нуль; изменение наклона зависимостей TC(F) для

образцов с различным Т^ Таким образом предсказания сделанные данной

*

моделью находят свое экспериментальное подтверждение. 5. Анализ полученных в настоящей работе экспериментальных данных по влиянию радиационных дефектов на критическую температуру и остаточное удельное электросопротивление ВТСП свидетельствует в пользу s-анизотропной симметрии параметра порядка, против «/-волновой картины высокотемпературной сверхпроводимости.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. КЗ. Коньков. A.C. Молчанов. Получение пленок Y-Ba-Cu-O методом лазерного напыления - Труды межотраслевого научно-технического семинара "Современная технология получения материалов и элементов Высокотемпературных микросхем". - Минск, 17-21 сентября, 1990г., стр.12-13.

2. К.Э, Коньков. A.C. Молчанов. Получение пленок Y-Ba-Cu-O методом лазерного напыления - СФХТ. т.5(4), 1992, стр.738-742. '

3. П.В. Братухин, В.Ф. Елесин, П.Б. Жилин, К.Э. Коньков, A.C. Молчанов, C.B. Шавкин. Влияние дефицита кислорода на критические и структурные параметры пленок УВагСизО» - СФХТ. т.5(10), 1992, стр.2315-2319.

4. В.Ф. Елесин, П.Б. Жилин, В.Е. Жучков, к!э. Коньков,' A.C. Молчанов. Влияние радиационных дефектов на критическую температуру и электросопротивление пленок УВагСщОх с различной исходной концентрацией дырок - СФХТ. т-5(12), 1992, стр.2315-2319.

•• о.* ' . •

5. В.Ф. Елесин, П.Ю. Жилин, В.Е. Жучков, К.Э. Коньков, А.С. Молчанов. Влияние изотермического отжига при Г=295К на Тс, p,je пленки УВагСизСЬ-в

после низкотемпературного ионного облучения - СФХТ. т.6(2), 1993, стр.367-372.

6. В.Ф. Елесин, К.Э. Коньков, А.В. Крашенинников, JI.A. Опенов. Анализ экспериментов по ионному облучению пленок УВагСизСЬ-*: «/-спаривание или .s-спаривание? - ЖЭТФ, т.Ю, в.2(8), 1996, стр.731-740.

7. A.V. Krasheninnikov, К.Е. Kon'kov, L.A. Openov and V.F. Elesin. Anisotropic л-vvave or d-wave pairing? Analysis of experiments on ion irradiation of УВа2Си307.х films - Czechoslovak Journal of Physics, V.46, 1996, Suppl. S3, pp.1197-1198

• (

Рис. 1 . Температурные зависимости удельного сопротивления р . для пленок У1 Ва2Сиз°б'+х (0.2<х<1).

Тсо ТаБл.

щ 88 К 300К

О 9± 5 УЗ х=0.9

х1С1"Р(стг)

40

20 ■

3 * {О'^Ссщ-2)

Рис. 3 . зависимость критической температуры Т0 пленок

У-Ва^СиоОс, с х=0.9 и 0.6 от фишенса Р при температурах 12 3 ь+х

облучения 300 и 13К. . .

У<ВагСи30в+х

Х=й95

I г з н 5*ю*Р(™г)

. Рис.Ч . Зависимость критической температуры Т0 от флюенса ? для пленок У1Ва2Си306+х с различным содержанием *Ъ (0.2<х<1).

Подписано в печать 11.02.9? Заказ 1 Тираж 80 экз. Типография МИФИ, Каширское шоссе 31.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

КОНЬКОВ Константин Эдуардович

ВЛИЯНИЕ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА КРИТИЧЕСКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ И УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ ПЛЕНОК У&ъСтОб+х С РАЗЛИЧНОЙ КИСЛОРОДНОЙ СТЕХИОМЕТРИЕЙ

01.04.22- сверхпроводимость

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

профессор

Елесин Владимир Федорович

Москва-1997

Содержание:

стр.

Введение....................................................................................................................2-10

1. Литературный обзор..........................................................................................11-43

1.1. Радиационное воздействие на ВТСП....................................................16-22

1.2. Химическое воздействие на ВТСП........................................................22-32

1.3. Обзор теорий радиационного воздействия на физические свойства сверхпроводников..........................................................................................32-41

1.4. Сравнение теории с экспериментом......................................................41-43.

2. Экспериментальные методики..........................................................................44-61

2.1. Методика приготовления пленок У^агСщОб+х с различной кислородной стехиометрией (0.2<х<1)........................................................44-54

2.2. Методика резистивных измерений........................................................54-58

2.4. Методика облучения...............................................................................58-61

3. Экспериментальные результаты........................................................................62-71

4. Обсуждение результатов.....................................................................................72-84

Заключение...............................................................................................................85-91

Список литературы.................................................................................................92-102

Введение.

Периоды повышенного интереса к проблемам сверхпроводимости связаны с открытием новых классов сверхпроводников с более высокой критической температурой, более сложной структурой и необычным сочетанием свойств. Так было при открытая интерметаллических соединений со структурой А-15, так произошло и с металлооксидными сверхпроводниками.

Первая реакция научного мира на открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) [1,2] была чрезвычайно эмоциональной, поскольку принципиальных ограничений на величину Тс ~ 100К нет и появление материалов с такой температурой сверхпроводящего перехода ожидалось давно. Очевидная исключительная значимость прикладных аспектов связана с преодолением заветного предела по Тс - температуры кипения жидкого азота (77К) - дешевого и доступного хладагента. Поэтому во многих странах, в том числе и в СССР (России), программы по исследованию новых перспективных сверхпроводников получили государственную поддержку.

Основными направлениями практического использования сверхпроводников являются слабосвязанная и сильноточная сверхпроводимости. В первом случае это связано с созданием сверхпроводящих квантовых интерференционных детекторов (СКВИД), которые позволяют регистрировать очень слабые магнтные поля ~ 10~14Э и поэтому их эффективно используют в медицине и биологии для измерения полей живых организмов и человека. В геологии сквиды применяются^дпяпхпределення изменений силы гравитации в различных точках Земли. Вторая область применения стала возможной после открытия технических сверхпроводников со структурой А-15, имеющих высокую токонесущую способность, и благодаря разработке сверхпроводящих магнитных

систем (С-МС) способных создавать сильные магнитные поля вплоть до 200/сЭ. Такие поля необходимы для решения проблемы термоядерного управляемого синтеза, в частности, в термоядерных реакторах (ТЯР) типа "Токомак", где нужно удерживать чрезвычайно горячую плазму вдали от стенок, поскольку при соприкосновении с такой плазмой любой материал мгновенно испаряется. Особенностью работы СМС ТЯР является наличие поля нейтронного излучения, которое приводит к созданию радиационных дефектов в структуре материала. Оказалось, что подобную ситуацию можно с успехом моделировать при ионном облучении тонких пленок и проблемы радиационной стойкости сверхпроводников, таким образом, сформировали самостоятельное направление прикладных исследований.

Со временем выяснилось, что за внешним техническим применением скрываются и чисто физические проблемы. Они вытекают из факта резкого изменения Тс и критического тока ]с интерметаллических соединений А-15 при облучении их частицами различного типа и энергий [22]. Этот результат противоречит известной теореме Андерсона [66], согласно которой дефекты не могут оказывать влияние на и справедливой для простых одноэлементных металлов. Фундаментальной причиной такой "нечувствительности" является

сферическая симметрия (5 - изотропное спаривание) параметра порядка

Однако для интерметаллидов А-15 установлена совершенно четкая зависимость характера изменения Тс с ростом флюенса облучения Т от исходного значения критической температуры Тф. Действительно, при облучении низкотемпературных материалов этого класса (МозЭ1, МозОе: 7,с0=(1-ь2)К) Тс начинает расти с увеличением дозы облучения, а для высокотемпературных соединений (ЫЪзА1, ЫЬзБп, >ТЬзОе: Г^^П-^З'Ж) разупорядочение приводит к

ц .

уменьшению Тс. При больших флюенсах, в обоих случаях, чувствительность к беспорядку ослабевает и зависимость ТС{Р) выходит на константу. Примечательно, что Тс не обращается в нуль, а поведение удельного электросопротивления Д7) характерно .для металлов: при малых ¥ остаточное сопротивление рг, увеличивается пропорционально концентрации дефектов, а при больших, когда длина свободного пробега близка к межатомному расстоянию, насыщается при значениях 150-300|л0ст [22]. В результате интенсивных экспериментальных и теоретических исследований было показано, что такой характер изменения Тс при радиационном раз упорядочении связан с "размыванием" пика плотности состояний ОДе), который может располагаться достаточно близко от уровня Ферми е* [22]. Для низкотемпературных А-15 Ще{) ~ТС будет расти с увеличением концентрации дефектов, а для высокотемператзиых - падать. После того, как изменения в Мег) исчерпаны, начинает работать теорема Андерсона и Тс перестает реагировать на воздействие.

Таким образом на примере простых металлов и интерметаллидов видно, что проблемы радиационной стойкости сверхпроводников выходят за рамки чисто прикладных исследований и затрагивают фундаментальные механизмы сверхпроводящего состояния. Кроме того, облучение частицами высоких энергий приводит к возникновению в облучаемых кристаллах специфических разупорядоченных состояний, которые часто невозможно получить с помощью традиционных технологических приемов. Важной особенностью этих состояний является сохранение исходного стехиометрического состава и однородности по объему. Фактически экспериментаторы получили возможность создания новых материалов с ранее неизвестными свойствами. Такие кристаллы, в то же время,

являются уникальными модельными объктами для изучения природы сверхпроводимости неупорядоченных систем.

Следует отметить, что за это время были наработаны уникальные методики облучения частицами различного типа и энергии, методики облучения при различной температуре и механических нагрузках, а также методики контроля параметров сверхпроводящего и нормального состояний. Поэтому сразу после открытия ВТСП начались исследования их радиационной стойкости.

На первом этапе работы проводились на поликристаллических образцах. Было установлено, что разупорядочение приводит к подавлению сверхпроводимости и появлению локализационного характера проводимости [51]. Характерное значение электросопротивления необлученных образцов непосредственно перед сверхпроводящим переходом оказалось достаточно большим ~400|Юст [51]. Поэтому зтверждается, что электронная система упорядоченных ВТСП очень близка к андерсоновскому переходу металл-даэлектрик и даже при небольших степенях беспорядка, несмотря на металлический характер проводимости, существует локализационные состояния. Причем локализация приводит к уменьшению Тс и в области сильной локализации сверхпроводимость полностью исчезает [51].

При обсуждении результатов облучения поликристаллических образцов необходимо отметить следующие особенности. Во-первых, применение массивных образцов значительно сужает возможный диапазон по энергиям и типу частиц. Это могут быть либо нейтроны [51], либо очень высокоэнергетичные ионы [37]. Во-вторых, затруднена интерпретация результатов особенно по р и р(Т), поскольку трудно отделить вклад от межгранульных слабых связей, обладающих менее выраженными сверхпроводящими и резистивными свойствами. В-третьих,

кристаллиты ориентированы относительно друг друга произвольным образом, поэтому "размываются" эффекты связанные с анизотропностью свойств. Это валено, потому что ВТСП соединения имеют слоистую структуру и определяющую роль в проводимости играют Си-О плоскости [20].

После того как была отработана технология напыления тонких эпитаксиальных пленок [92], стали возможны эксперименты по облучению с использованием частиц различного типа и энергий. Уже в первых работах по изучению эффектов радиационного разупорядочения в новых сверхпроводниках [24, 28-32,34-36,38,39,41] были установлены наиболее общие свойства, а именно: критическая температура Тс и критический ток ]с уменьшается с ростом дозы облучения и обращается в нз'ль при некоторой критической концентрации дефектов, при этом сопротивление р начинает неограниченно расти. Таким образом радиационное разупорядочение приводит к фазовому переход} сверхпроводшпс-полупроводшпс и, следовательно, теорема Андерсона полностью нарушается в ВТСП [47]. В пользу фундаментальности причин уменьшения Тс и }с говорит общность полученных данных для различных видов обл^ения (нейтроны, электроны, ионы и др.), то есть - универсальность зависимости [47].

Совершенно необычными оказались результаты по измерению Д в разунорядочённых образцах. Оказалась возможной такая1 ситуация, когда Тс измеренная резистивным способом обращается в нуль, а спектральные характеристики продолжают демонстрировать наличие щелевой особенности [53]. Таким образом Тс, возможно, не является истинной температурой распаривания. Этот экспериментальный факт' объясняется в рамках теоретической модели, основанной на представлении о-локализации части конденсата пар в поле

дефектов [70]. Данная модель предсказывает фазовый переход сверхпроводник-полупроводник при определенной концентрации немагнитных дефектов п'т и описывает особенности этого фазового превращения. В частности показано, что пст соответствует, фактически, минимальной металлической проводимости в двумерии. Для проверки этого факта на эксперименте необходимо проварьировать зависимость ТАр) для различных Т^.

Здесь необходимо сделать следующие замечание. По сравнению с обычными сверхпроводниками, ВТСП - это многокомпонентные соединения допускающие различные стехиометрические комбинации. Особенно наглядно данная особенность проявляется в системе У|Ва?Сиз07, где уменьшение содержания кислорода приводит к изменению сверхпроводящих и нормальных свойств [61]. Таким образом для ВТСП имеется как бы дополнительная степень свободы и есть уникальная возможность исследования эффектов радиационного разупорядочения в образцах с различной Т'д), то есть можно моделировать ситуацию аналогичную для А-15 и получить, тем самым, информацию, хотя и косвенную, об особенностях "зонных" параметров электронной подсистемы в ближайшей окрестности ее.

По ходу работы оказалось возможным проверить некоторые предположения относительно симметрии параметра порядка в ВТСП. Действительно, зависимость критической температуры от концентрации немагнитных дефектов качествегщо различаются для сверхпроводников с 5 и с1 -спариванием [64]. Сравнив экспериментальные зависимости критической температуры от концентрации радиационных дефектов с теоретическими, можно : сделать определенные выводы о симметрии параметра порядка. Подчеркнем, что

в силу вышеуказанных причин, подобные результаты невозможно получить на поликристаллических образцах.

Для решения поставленных задач требуется отработка специальных технологий приготовления образцов с контролируемыми исходными свойствами, причем актуальным остается вопрос качества исследуемых образцов. Известно, что тонкие эпитаксиальные пленки позволяют решить проблемы связанные с однородностью образцов, однородностью облучения и получить воспроизводимые физические результаты.

Цель работы. Целью настоящей работы была отработка методики приготовления высококачественных тонких пленок У^агСщОб+х с различной кислородной стехиометрией, исследование влияния ионого облучения на критическую температуру и удельное электросопротивление данных пленок. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими моделями.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые на тонкопленочных образцах У^агСизОб+х с различной исходной критической температурой проведено детальное исследование резистивных и сверхпроводящих свойств фазового перехода сверхпроводник-полупроводник,

| наблюдающегося в ВТСП при радиационном разупорядочении. ■ Экспериментально установлены характерные особенности данного фазового превращения. .ипл

2. Впервые исследовано влияние температуры облучения на критические параметры пленок У^агСщОб+х^ с различной кислородной стехиометрией.

Низкотемпературное облучение позволило отсечь эффекты, связанные с отжигом радиационных дефектов, что значительно упростило физическую картину. 3. Экспериментальные результаты позволили провести сравнительный анализ с теоретическими зависимостями, рассчитанными в рамках традиционных представлений о взаимодействии, ведущем к спариванию, при различной степени анизотропии параметра порядка; моделями, разработанными для интерметаллических соединений со структурой А-15; и современными концепциями ВТСП. Получены достаточно убедительные аргументы, свидетельствующие о: неприменимости к ВТСП модели с пиком плотности состояний, разработанной для А-15; л - анизотропной симметрии параметра порядка в ВТСП; и обоснованности физических предпосылок в теоретической модели локализованного бозе конденсата.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты в значительной степени дополняют имеющийся экспериментальный материал о поведении ВТСП при химическом и радиационном воздействии и являются определенным шагом на пути понимания физики сверхпроводимости в данных материалах. Результаты работы могут быть применены для прогнозирования влияния дефектов на физические свойства ВТСП при использовании их на практике.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика приготовления эшггаксиальных тонких пленок У^агСизОб+х с различным содержанием кислорода. г

2. Экспериментальные зависимости критической температуры Тс от флюенса F: температурные зависимости удельного электросопротивления р(Т), при различных F; зависимости критической температуры Тс от остаточного удельного электросопротивления рл- полученные при облучении ионами 4Не+ с энергией Е-\.2MeV, вышеупомянутых образцов, при температурах облучения 300 и 13К.

3. Сравнительный анализ экспериментальных зависимостей с предсказаниями теоретических моделей, разработанными как для сверхпроводников А-15, так и для BTCTL

Апробация результатов. Результаты настоящей диссертации опубликованы в шести статьях, в журналах: СФХТ, ЖЭТФ, Czechoslovak Joyrnal of Physics, a также представлены в докладах на 21-ой международной конференции "Low Temperature Physics" (Прага, S-14 августа, 1996); на межотраслевом научно-техническом семинаре "Современная Технология Получения Материалов и Элементов Высокотемператзрных Микросхем" (Минск, 17-21 сентября, 1990).

Структура и объем диссетации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 109 наименований. Диссертация содержит 102 страницы машинописного текста, включая^ таблиц и 31 рисун.0К.

1. Литературный обзор.

В апреле 1986 года Беднорцом и Мюллером была обнаружена сверхпроводимость в системе Ва-Ьа-Си-О при температурах 30-35К [1]. В первых числах марта в Алабамском и Хьюстонском университетах группой Ву с соавторами на керамике У-Ва-Си-О была достигнута температура сверхпроводящего перехода Тс=9 2К [2]. Это явление получило название "Высокотемпературная Сверхпроводимость" (ВТСП). В результате интенсивных исследований, класс новых сверхпроводников очень быстро пополнился керамиками ВьБг-Са-Си-О и И-Ва-Са-Си-О с Тс — 110 и 120К соответственно.

Практически сразу был установлен целый ряд уникальных свойств новых материалов. Прежде всего