Введение к работе
Актуальность темы. Выяснение природы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) купратов остается одной из важнейших задач физики твердого тела.
Свойства нормального и сверхпроводящего состояний ВТСП-купратов связывают с особенностями их электронной структуры: плотностью заполненных состояний, наличием и природой электронных корреляций, дисперсией зон, формой поверхности Ферми, генезисом и симметрией электронных состояний, а также с временем жизни элементарных возбуждений.
Одним из эффективных экспериментальных методов исследования электронной структуры ВТСП-купратов является фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС).
До последнего времени менее всего исследована область спектра заполненных электронных состояний вблизи EF (ЕСв < 4 эВ). Между тем, в этой области небольшие изменения положения зон в соответствии с расчетами могут приводить к значительным изменениям физических свойств материала. Сравнение особенностей экспериментальной электронной структуры с результатами численных расчетов может быть важным критерием оценки используемых моделей и приближений.
Стандартные установки для экспериментальных исследований методом ультрафиолетовой (УФ) ФЭС не всегда позволяют обнаружить эту структуру из-за значительного высокоэнергетического фона возбуждающего излучения, и, возможно, особенностей фотовозбуждения при использовании резонансных источников Неї и Hell (hv = 21.2, 40.8 эВ). Использование синхротронного излучения существенно расширяет экспериментальные возможности, но чрезвычайно удорожает эксперимент. Экспериментальные исследования и практическое использование ВТСП-купратов осложняются также нестабильностью и высокой химической активностью поверхностного слоя. Так, обеднение его кислородом в ряде случаев приводит к снижению температуры перехода в сверхпроводящее состояние (Тс).
В связи с вышеизложенным чрезвычайно актуальны разработка адекватных экспериментальных методик исследования структуры энергетического спектра заполненных состояний вблизи EF , поиск ее корреляции с ВТСП характеристиками материала, разработка методов модификации и стабилизации поверхности ВТСП-купратов.
Цель и основные задачи работы.
Целью работы было разработка метода и проведение исследований энергетического спектра заполненных электронных состояний ряда ВТСП-купратов с помощью УФ (hv = 8.43 эВ) ФЭС; анализ его эволюции под влиянием молекулярных процессов на поверхности.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать методику получения ФЭ спектров монокристаллических образцов при возбуждении на линии hv = 8.43 эВ Хе источника;
получить экспериментальные ФЭ спектры ряда ВТСП-купратов с различной кристаллической структурой, критической температурой и характером проводимости;
используя ФЭ спектры, провести поиск структуры спектра заполненных электронных состояний вблизи уровня Ферми и возможного вклада кислородных орбиталей в соответствующие состояния;
сочетанием фотоэмиссионных и масс-спектрометрических исследований выявить процессы молекулярных взаимодействий газовой и поверхностной фаз при термо- и фотовоздействии на образец.
В качестве объектов исследования были выбраны монокристаллы Bi2Sr2CaCu2Og, Bi2Sr2Cu06, Lai^Sro.isCuC^ и Ш^Се^^СиС^, выращенные в Московском институте стали и сплавов Д.А. Шулятевым методом лучевой бесконтактной зонной плавки.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Разработана методика фотоэмиссионного эксперимента с ВТСП-монокристаллами при возбуждении эмиссии Хе источником (hv = 8.43 эВ).
Выявлена структура спектра заполненных электронных состояний в области энергий связи Е ев < 4 эВ в ВТСП-материалах (впервые для Bi2Sr2Cu06, Nd, gsCeo.uCuQ*, Lai.^Sro.isCuCv ) и установлен кислородный характер ряда состояний. Показаны сходство и характерные особенности структуры для различных материалов.
Предложена и обоснована схема деградации и регенерации поверхности при термо- и фотовоздействии, что позволяет разработать наиболее эффективный способ стабилизации и низкотемпературной регенерации поверхности ВТСП-купратов.
Показано, что особенности структуры ФЭ спектра при возбуждении на линии 8.43 эВ чувствительны к состоянию образца и могут быть использованы для контроля поверхности ВТСП.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика фотоэмиссионного эксперимента с возбуждением эмиссии резонансным Хе источником (hv = 8.43 эВ);
результаты экспериментального исследования ФЭ спектров Bi2Sr2CaCu2Os, Bi2Sr2Cu06, Nd|.85Ce0.i5CuO4, LausSro.isCuC^ и их эволюции при фото- и термообработках образцов;
обнаружение структуры энергетического спектра заполненных электронных состояний вблизи EF (Есв < 4 эВ) и установление для ряда из них кислородного характера соответствующих состояний;
схема многоступенчатой реакции обмена кислорода: газ - адсорбированная фаза - поверхность;
способ низкотемпературного фотоактивированного модифицирования поверхности ВТСП-купратов.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных конференциях:
4th International Conference Materials and Mechanisms of Superconductivity -HTSC "M2S -HTSC-IV", Grenoble, France (1994);
2nd International Conference on Physics of Low-Dimensional Structures "PLDS -2", Dubna, Russia (1995);
13* International Vacuum Congress I 9th International Conference on Solid Surfaces, Yokohama, Japan (1995).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 10 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 150 наименований. Она содержит 156 страниц машинописного текста, в том числе 5 таблиц и 38 рисунков.
