Введение к работе
Актуальность проблемы
Явление сверхпроводимости в металлах было открыто почти 100 лет назад. Это открытие позволило по-новому взглянуть на процесс переноса носителей заряда в твердых телах. К середине прошлого века была разработана микроскопическая теория сверхпроводимости -теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), в основе которой лежит фононный механизм притяжения между электронами. В 1964 г. было предложено, что в одномерных (В.А.Литтл) и двумерных (В.Л.Гинзбург) структурах можно реализовать сверхпроводимость с более высокими критическими температурами. В 1986 г. Беднорцем и Мюллером было синтезировано соединение La2-xBaxCu04 со слоистой структурой и критической температурой Тс = ЗОК. В последующие годы исследований высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), имеющих в своей структуре плоскости С11О2, были получены две больших группы купратов: дырочные и электронные. Легирование неизовалентными примесями родительских соединений, которые являются антиферромагнитными диэлектриками, приводит к появлению в купратах дырок или электронов в качестве носителей. Исторически первыми появились дырочные ВТСП-купраты, которые и были активно исследованы. В 1989 г. были синтезированы соединения Ln2-xCexCu04+5 (Ln = Nd, Sm, Pr), носителями заряда в которых являлись электроны. Дополнительным условием появления сверхпроводимости в данных соединениях было упорядочение нестехиометрических дефектов, возникающих вследствие условий роста соединений. Уже первые исследования физических свойств дырочных и электронных ВТСП показали наличие ассиметрии свойств (по крайней мере, различие фазовой диаграммы). Если для дырочных ВТСП характерна узкая область антиферромагнитного диэлектрика (AF) и широкая область сверхпроводящего состояния (СП) с высокими критическими температурами (Тсшах= 135К), то для электронных ВТСП наблюдалась достаточно широкая область AF диэлектрика, соприкасающаяся на фазовой диаграмме с узкой СП областью. Критические температуры не превышали Tcmax = 25 К. И если для дырочно-легированных сверхпроводников было практически сразу установлено, что спаривание носителей заряда соответствует с/-типу, то в электронно-легированных сверхпроводниках до сих пор этот вопрос остается открытым, хотя проделан ряд экспериментов указывающих на реализацию спаривания носителей заряда с/-типа.
Следует подчеркнуть, что, несмотря на использование всего накопленного опыта в исследовании многочастичных систем и анализа
многочисленных теоретических моделей, однозначная интерпретация ряда физических явлений, а также механизм образования сверхпроводящего состояния до сих пор не установлены. Помимо электрон-фононного механизма сверхпроводимости могут существовать и другие механизмы, связанные с межэлектронным кулоновским взаимодействием. Существуют различные мнения среди исследователей о физической картине нормального состояния ВТСП - почему имеет место линейная зависимость электросопротивления от температуры, существуют ли нарушения в теории ферми-жидкости Ландау для ВТСП. Сверхпроводящие свойства оксидных соединений существенным образом определяются их электронными свойствами в нормальном состоянии. Долгое время существовало мнение, что оксидные соединения являются изоляторами, и лишь открытие Беднорцем и Мюллером сверхпроводящего соединения La2-xBaxCu04 стимулировало исследования электронных свойств оксидных соединений с целью поиска других семейств оксидных сверхпроводников. Важной составляющей в получении сведений об электронном строении в нормальной фазе сверхпроводящих соединений является исследование электросопротивления, эффекта Холла, магнитосопротивления. Решению вопросов, связанных с выяснением механизма высокотемпературной сверхпроводимости, посвящено огромное количество работ. Однако сведения об электронных свойствах в нормальном состоянии в электронных сверхпроводниках носили разрозненный характер, были неполными, а часто просто отсутствовали. Не проводилось систематических исследований тензора электропроводности и гальваномагнитных эффектов систем с электронным типом носителей заряда при изменении степени легирования и степени кислородного беспорядка. Поэтому данная проблема является, несомненно, актуальной. Более того, наличие полной картины поведения квазидвумерных сверхпроводящих слоистых систем при изменении степени беспорядка необходимо как с физической, так и с прикладной точек зрения.
Исследования по теме диссертации проводились в рамках программы «Высокотемпературная сверхпроводимость» № гос. проекта 93028 «Киноптика», при поддержке Министерства науки, контракты №107-1(00)-П, №40.012.1.1.1146 (договор № 15/02 и №12/04), по теме «Квантовая физика конденсированных сред» № гос.рег.01.2.006.13394, в рамках ряда программ Президиума РАН и при поддержке проектов РФФИ№ 00-02-17427, 04-02-96084-р2004урал, 07-02-00396.
Цель и задачи работы
Основной целью данной работы было выяснение детальной картины изменения фазовых состояний в слоистых сверхпроводящих системах при изменении нестехиометрического беспорядка и степени изовалентного и неизовалентного легирования, а также получение данных о симметрии спаривания в электронном сверхпроводнике
Nd2-xCexCu04+5.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
Систематически исследовать тензор электросопротивления и эффект Холла в нормальном состоянии в слоистых сверхпроводящих системах Nd2-xCexCu04+5 и Ca2-xSrxRu04 в зависимости от нестехиометрического беспорядка и степени неизовалентного и изовалентного легирования для получения данных о механизме переноса носителей заряда, их концентрации и анизотропии проводимости.
Изучить гальваномагнитные эффекты в слоистой системе Nd2-xCexCu04+5 с разной степенью беспорядка для выяснения влияния содержания нестехиометрического кислорода на изменение электронной структуры.
- Выяснить влияние нестехиометрического беспорядка на наклон
верхнего критического поля в электронном сверхпроводнике
Nd2-xCexCu04+5 для получения сведений о симметрии спаривания.
Новые научные результаты и положения, выносимые на защиту
1. Установлен механизм переноса носителей заряда в родительском
соединении Nd2Cu04 электронного сверхпроводника Nd2.xCexCu04+8
- активационная проводимость по локализованным состояниям,
находящимся вблизи уровня Ферми.
-
Обнаружена эволюция фазовых состояний нормальной области электронного сверхпроводника Nd2.xCexCu04+5 от трехмерного анизотропного неметалла через квазидвумерное металлическое состояние к трехмерному анизотропному металлу при изменении степени беспорядка при неизовалентном легировании церием.
-
Установлено, что рост степени беспорядка в электронном сверхпроводнике Nd2.xCexCu04+s, вызванный увеличением содержания нестехиметрического кислорода, приводит к фазовому изменению нормального состояния от квазидвумерной металлической системы к трехмерной анизотропной неметаллической системе.
-
Установлена корреляция между степенью дву мерности сверхпроводящих систем и температурой сверхпроводящего перехода: максимальная анизотропия соответствует максимальной температуре перехода.
-
Установлено, что соединения Nd2-xCexCu04+5 и Ca2-xSrxRu04 являются сверхпроводниками, находящимися в состоянии андерсоновского диэлектрика с сильно-анизотропной длиной локализации (R]ocab » Riof)- Обнаружено, что при определенной степени беспорядка имеет место переход Андерсона металл-диэлектрик.
-
Для электронных сверхпроводников с оптимальным уровнем неизовалентного легирования характерно спаривание с/-типа с учетом анизотропного рассеяния электронов на нормальных примесях.
-
Показано, что электронный сверхпроводник Nd2-xCexCu04+5 с разной степенью беспорядка соответствует критерию устойчивости основного состояния типа БКШ (формирование куперовских пар), а не состояния с заранее образованными парами (бозе-эйнштейновская конденсация).
Научная и практическая ценность работы
Научная значимость работы состоит в том, что в результате исследования тензора электропроводности получена целостная картина поведения сверхпроводящей слоистой системы с электронным типом носителей заряда при изменении степени легирования и степени кислородного беспорядка. До сих пор подобные исследования проводились на сверхпроводниках с дырочным типом проводимости. Практическую ценность имеет косвенный метод оценки содержания нестехиометрического кислорода по измерениям длины свободного пробега носителей заряда в кинетических экспериментах при исследовании монокристаллических пленок, так как классические методы определения содержания кислорода в исследуемых соединениях в случае тонких пленок не применимы. Результаты, полученные в работе для модельного объекта Nd2-xCexCu04+5, который является аналогом двумерной сверхрешетки, представляют интерес для академических и отраслевых организаций при разработке новых функциональных материалов.
Степень достоверности результатов
Достоверность представленных в диссертации результатов обеспечивается исследованием аттестованных образцов, применением стандартных методик измерений на аттестованных приборах и воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных на автоматизированных установках с различными характеристиками. Имеется согласие отдельных результатов с данными, полученными другими авторами при исследовании транспортных и магнитных свойств высокотемпературных сверхпроводников.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации
- Личный вклад автора состоит в постановке общей цели
исследований и проблем в работах, которые составляют основу
диссертации.
- Автором разработана методика нанесения омических контактов на
монокристаллы и монокристаллические пленки и в сотрудничестве с
А.А.Ивановым (МИФИ, Москва) определены условия термической
обработки монокристаллических пленок Nd2-xCexCu04+5 с различной
ориентацией. Монокристаллы Nd2-xCexCu04+5 были синтезированы в
МГУ (Москва) в группе Л.ИЛеонюк, в ИФТТ (Черноголовка) в
группе Г.А.Емельченко, в Техническом университете Гданска
(Польша) в группе В.Садовского, монокристаллы Ca2-xSrxRu04 - в
Университе Киото (Япония) в группе И.Маено.
- Автором проведены измерения сопротивления для различных
кристаллографических направлений, термоэдс и эффекта Холла в
магнитных полях до 50 кЭ в интервале температур Т = (1.8-300) К.
Измерения сопротивления в магнитных полях до 90 кЭ в интервале Т
= (1.8-40) К выполнены в Центре магнитометрии ИФМ УрО РАН в
кооперации с А.В.Королевым. При непосредственном участии автора
проведены измерения полевых зависимостей сопротивления и
эффекта Холла в магнитных полях до 120 кЭ при Т = (0.4 - 4.2) К в
центре сильных магнитных полей и сверхнизких температур ИФМ
УрО РАН (Э.А.Нейфельд, В.Л.Константинов, В.Н.Неверов, И.В.
Карсканов).
Автором проводились обработка и анализ полученных данных на основе имеющихся теоретических представлений, а также обобщение результатов работы в публикациях и отчетах по проектам.
В дискуссиях в процессе экспериментальных исследований и в обсуждении результатов принимали участие соавторы публикаций А.И.Пономарев, Н.Г.Шелушинина и Г.И.Харус.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены на XXX, XXXI, XXXII, XXXIII Совещаниях по физике низких температур (Дубна 1994 г., 1998 г., Казань 2000 г., Екатеринбург 2003 г.), на 4-ой, 6-ой, 7-ой, 9-й международных конференциях "Материалы и механизмы сверхпроводимости и высокотемпературной сверхпроводимости» (Гренобль 1994 г., Хьюстон 2000 г., Рио де Жанейро 2003 г., Токио 2009 г.), на 5-ом Всемирном конгрессе по вопросам сверхпроводимости (Будапешт 1996 г.), на 10-ой международной конференции по тройным и многокомпонентным соединениям (Штуттгарт 1996 г.), на 5-ом Совещании по вопросам высокотемпературной сверхпроводимости «Применение высокотемпературных сверхпроводников» (Эгер 1999 г.), на Международном Симпозиуме - EASTMAG 2001 (Екатеринбург 2001 г.), на 6-ой Международной Конференции по вопросам межмолекулярных взаимодействий в веществе (Гданьск 2001 г.), на 23-ей Международной Конференции по физике низких температур (Хиросима 2002 г.), на Международной Конференции «Новейшие проблемы сверхпроводимости» (Ялта 2002 г.), на Международной Конференции по сильнокоррелированным электронным системам (Карлеруе 2004 г.), на VII и VIII Российских конференциях по физике полупроводников (Москва 2005 г., Екатеринбург 2007 г.), на Уральских зимних школах по физике полупроводников (Екатеринбург 1999, 2002, 2004, 2006, 2008 гг.), на VI Международной конференции по квантовым явлениям в сложных соединениях «STRIPES08» (Эриче 2008 г.), на 1-ой, 2-ой и 3-ей Международных конференциях «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» (Москва-Звенигород 2004, 2006, 2008 гг.).
Публикации:
Материалы диссертации изложены в 29 публикациях в журналах, включенных ВАК в «Перечень» ведущих рецензируемых журналов, и в сборниках трудов конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
