Транспорт і спектроскопія металооксидів: вплив тиску

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ металофізики ім. Г. В. Курдюмова

На правах рукопису УДК 537. 292

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Транспорт і спектроскопія металооксидів: вплив тиску

01. 04. 22- надпровідність

Таренков Володимир Юрійович

Київ-2001

Загальна характеристика роботи

високотемпературний надпровідник

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена комплексному вивченню транспортних і спектроскопічних характеристик високотемпературних надпровідників.

Відкриття Бернордцем і Мюллером у 1987 р. явища високотемпературної надпровідності стало могутнім імпульсом у розвитку не тільки фізики надпровідності, але і усієї фізики твердого тіла. Справа в тім, що вивчення феномена ВТНП стимулювало розвиток цілих галузей науки і техніки. Так, одержали прискорення технології виробництва керамічних матеріалів. Синтез і обробка надпровідникових керамічних матеріалів привели до створення практичних пристроїв для передачі великих електричних струмів у бездиссипативному режимі. Дослідження надпровідних металокерамік різними фізичними методами розвинули і самі методи. Наприклад, такий унікальний метод дослідження, як вакуумна тунельна спектроскопія, став широко використовуватися для визначення енергетичних характеристик надпровідників. Для аналізу електронного спектра ВТНП із великим успіхом використаний метод вторинної емісії з високим кутовим дозволом. Поряд з цим, і традиційні методи дослідження надпровідників одержали свій подальший розвиток.

Використання високих тисків як параметра, пов'язаного з можливістю плавної зміни характеристик електронного спектра досліджуваної речовини, дозволило встановити однозначний зв'язок між концентрацією носіїв і критичною температурою високотемпературних надпровідників. Важливим питанням, де тиск може бути застосовано як опорний тест, є зв'язок ефектів локалізації і вплив їх на надпровідність.

Крім того, експерименти з використанням тиску як зовнішнього параметра при аналізі характеристик керамічних матеріалів дають уявлення про характер і властивості міжзеренних границь. Подібна інформація становить великий інтерес як для визначення механізмів протікання струму через границю, так і в технології при одержанні максимальних критичних параметрів ВТНП - виробів. Тому гідростатичний і одноосьовий стиск, поряд з термічною обробкою, стали дієвим фактором у досягненні великих критичних струмів для довгомірних ВТНП виробів.

Класична тунельна й андріївська спектроскопії, які найбільш наочно продемонстрували дію електрон-фононного механізму, що лежить в основі низькотемпературної надпровідності металів, також зробили свій внесок у дослідження електронного спектра металооксидних надпровідників. Так, з використанням цих методів уперше була виміряна енергетична щілина і характеристики фононного спектра ВТНП. По значимості кількісної і якісної інформації про квазичасткові збудження в надпровідниках метод електронного тунелювання не має собі рівних. В даний час дослідження за допомогою тунельної і мікроконтактної спектроскопії ВТНП-надпровідників широко використовуються. Ця обставина пов'язана в першу чергу з відпрацюванням методик по створенню самих об'єктів дослідження - тунельних і андріївських контактів з відтвореними спектроскопічними характеристиками.

До початку виконання цієї роботи питання існування енергетичної щілини, прояви фононного спектра в тунельних кривих для високотемпературних надпровідників лише піднімалися. У даний момент ці характеристики є об'єктом пильної уваги дослідників. Відповідно до сучасних уявлень в купратах переважає d-хвильовий характер куперовського спарювання, коли знакоперемінний параметр порядку має нульове середнє (по кутах у Cu2 площини) значення. У такому випадку сам факт спостереження фононних спектрів у тунельних контактах порушує питання про реалізацію s+d-характеру спарювання, інакше усереднений внесок фононів у параметр порядку повинен був би скоротитися.

Виконаний цикл досліджень показав, що фонони відбиваються як у характеристиках тунельних, так і андріївських контактах, причому положення характерних фононних частот виявилося чуттєвим до тиску і до зміни електронної концентрації носіїв металооксида.

Зв'язок роботи з науковими планами. Основу дисертації складають роботи виконані в рамках тематичного плану ДонФТІ і за темами, що фінансувалися Державним Комітетом з науки і технологій (номери державної реєстрації: 0193U013545 1991-1993 р. ; 09. 0104/065-93, 1993 р. ; 08. 01. 00/014-95, 1995 р. ; 0197У008903, 1997-2000 р. ; 0700V003853, 2000-2003 р.), в яких автор був керівником і відповідальним виконавцем.

Мета і задачі.

Метою дисертаційної роботи було:

Встановлення механізмів протікання струму в міжзеренних контактах керамічних зразків різних металооксидів. Визначення структури перколяційного кластера надпровідних керамік у великих магнітних полях.

Дослідження природи контактного опору на границі метал - металооксид і пов'язані з цим проблема ефекту близькості в композитах метал - кераміка.

Зі спектроскопічних характеристик тунельних і андріївських контактів установити можливу кореляцію між енергетичною щілиною, критичною температурою і фононним спектром досліджуваного надпровідника.

Для реалізації поставлених цілей були вирішені такі задачі:

1) Вивчені транспортні характеристики високотемпературних надпровідників при впливі на зразок високих гідростатичних тисків і магнітних полів.

2) Експериментально реалізовані умови прояву ефекту близькості в композиційних матеріалах ВТНП - надпровідник -нормальний метал.

Досліджено характеристики контактів метал - кераміка з перехідним опором, близьким до теоретичної межі.

3) Розроблена методика одержання контактів, характеристики яких відбивають спектроскопічні особливості ВТНП. Висока стабільність і відтворюваність характеристик таких контактів дозволили провести серію експериментів по впливі всебічного тиску на особливості фононних спектрів ВТНП.

4) Проведене експериментальне дослідження залежності параметра 2/kTс від гідростатичного тиску.

5) Вивчений вплив тиску і варіації концентрації носіїв на надпровідний параметр порядку і характеристики фононного спектра вісмутового металооксида.

Об'єкти досліджень.

Досліджувалися високотемпературні надпровідні кераміки різної фазової сполуки. У більшості випадків вони являли собою структуру добре орієнтованих зерен. Текстура досягалася багаторазовим пресуванням зразків із проміжними термічними відпалами.

Об'єктами досліджень були тонкі смужки керамічного матеріалу отримані шляхом пресування порошку та відповідною термічною обробкою, а також композити кераміка - метал. Масивні токові елементи виготовлені за допомогою гідропресування, багатожильні дроти з кераміки в срібній матриці виготовлені методом гідроекструзії. Вибір керамічних матеріалів як об'єктів дослідження викликаний у першу чергу тією обставиною, що саме кераміка є основним об'єктом для одержання виробів з високотемпературних надпровідників, що знайшли практичне застосування. Це екрани магнітних полів, антени і фідерні пристрої, низькотемпературні постійні магніти, ротори електродвигунів і багато чого іншого.

Для виміру спектроскопічних характеристик досліджувалися несиметричні (надпровідник - звуження - нормальний метал) і симетричні (надпровідник - ізолятор - надпровідник; надпровідник - нормальний метал - надпровідник) контакти. Можна припустити, що контакти, виготовлені на керамічному матеріалі, повинні мати більш різноманітний склад характеристик у порівнянні з контактами, отриманими на монокристалах. Однак, якщо врахувати характерні довжини параметрів, що визначають надпровідний стан, то вимір спектроскопічних характеристик мікрокристалів, з яких складається кераміка, дає результат не гірший, ніж вимір на масивних монокристалах.

Наукова новизна дисертації визначається результатами, отриманими вперше у даній роботі, основними з яких, що виносяться на захист, є такі:

1. Комбінований вплив високого тиску і магнітного поля на керамічний надпровідник Y123 показав, що критичний струм цього надпровідника обумовлений не закороточною перколяційною сіткою, а струмовими характеристиками слабкозв`язаних контактів, які утворюють джозефсонівське середовище в таких матеріалах. Абсолютна величина струму зв'язана зі специфічною будовою кераміки, зерна які при деяких умовах утворюють цегельну кладку.

2. При дослідженні транспортних характеристик вісмутової кераміки виявлено, що в цьому металооксиді можуть утворюватися контакти з різним характером проходження квазичасток через міжзеренну границю. У залежності від стану міжзеренних участків реакція критичного струму контактів на прикладений тиск може носити як позитивний, так і негативний характер, що обумовлено щільністю локалізованих станів міжзеренних границь. Знайдено взаємозв'язок між гістерезисними явищами в залежності критичного струму від магнітного поля і станом поверхні гранул у керамічному металооксиді.

3. Встановлено, що в низькоомних (з R < 10-9 Омсм2) контактах иттрієва кераміка - срібло відсутній бар'єрний шар, а опір обумовлений лише великою різницею електронних характеристик контактуючих матеріалів.

4. Експериментально реалізований ефект близькості в композитах кераміка - метал, що дає принципову можливість створення струмонесучого елемента нового типу.

5. Експериментально реалізована ідея резистивного кабелю з питомим опором 210-9 Омсм при щільності транспортного струму j = 104 А/см2 у великих магнітних полях.

6. Виміряна анізотропія надпровідної енергетичної щілини для ртутного і вісмутового металооксидів.

7. Виявлено зростання величини енергетичної щілини і співвідношення 2/kTс під дією тиску для ряду металооксидних надпровідників.

8. Експериментально встановлена кореляція зміни характерних частот фононного спектра надпровідника під дією тиску і концентрації носіїв з відповідними змінами енергетичної щілини і критичної температури.

Внесок автора. Автору належить загальна постановка мети і визначення задачі досліджень. Всі експериментальні дослідження, включаючи виготовлення лабораторних зразків виробів з високотемпературного надпровідника. Автору дисертації належать також положення, що виносяться на захист.

Наукове і практичне значення роботи.

Результати досліджень, приведені в дисертаційній роботі, істотно розширюють можливості аналізу та інтерпретації транспортних характеристик ВТНП. Використання тиску в експериментах з високотемпературними надпровідниками дозволило одержати інформацію про структуру поточного кластера, зв'язок характеру міжзеренних контактів з технологією одержання керамічного матеріалу, встановити природу перехідного опору кераміка - метал.

Відсутні раніше й отримані в даній роботі дані про чутливість енергетичної щілини і фононного спектра високотемпературного надпровідника до тиску та зміни концентрації носіїв сприяють розумінню природи фундаментального механізму, що обумовлює явище високотемпературної надпровідності.

Практичне значення роботи пов'язане з встановленням взаємозв'язку технологічних параметрів при створенні виробів із ВТНП матеріалів з їхніми транспортними характеристиками. У процесі роботи методом гідроэкструзії виготовлені лабораторні зразки сильнострумових довгомірних виробів із ВТНП, а також масивні струмові елементи з великим за щільністю транспортним струмом.

Апробація роботи.

Матеріали дисертації були представлені на Четвертому всесоюзному симпозіумі «Неоднорідні електронні стани». (Новосибірськ, 1991 р.), Міжнародній конференції по обмеженню критичних струмів у ВТНП. (Забарів, Польща, 13. 10. 1991.), Четвертому двосторонньому Радянсько-Німецькому семінарі по високотемпературній надпровідності. (Санкт-Петербург, 1992). Міжнародної конференції по фізиці високих тисків (Київ, 1992). Міжнародній конференції по критичних струмах високотемпературних надпровідників. (Сінгапур, 1992.), Чотирнадцятій міжнародній конференції по кріогенних матеріалах і кріогенному устаткуванні ICEC/ICMC (Київ, 1992 р.), Першій міждержавній конференції «Матеріалознавство високотемпературних надпровідників», (Харків 1993), Першому міжнародному симпозіумі по високотемпературній надпровідності і тунельних явищах. (Славяногорськ, Україна, 4-9 вересня 1993), Другому міжнародному симпозіумі по високотемпературній надпровідності і тунельних явищах. (Славяногорськ, Україна, 3-6 вересня 1994), Конференція- Нові матеріали і технології в електротехніку. (7-9 липня 1995, Лодзь, Польща), Міжнародна конференція “Високий тиск - 2000: матеріали та технологія” (Донецьк, 2000).

Публікації. Результати дисертації викладені в 41 статті, основні з яких приведено в кінці автореферату.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з введення, шести глав, висновку і списку цитованої літератури. Робота викладена на 354 сторінці, містить 71 малюнок, список літератури - 286 джерел.

Зміст роботи

В введенні викладений загальний стан розглянутої проблеми й обґрунтована актуальність теми проведених досліджень. Виділені положення, що виносяться на захист, нові результати, отримані автором, їх наукова і практична цінність. Приведено дані про апробацію результатів роботи, публікації і структуру дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу транспортних характеристик керамічних надпровідних металооксидів як джозефсонівского середовища. Показано, що слабозв`язаний характер протікання надплинного струму обумовлений високим ступенем дефектності міжзеренних границь, сильної анізотропії властивостей металооксидів, що породжує чутливість характеристик контактів до узгодження кристалографічних осей мікрокристалів. Основною особливістю джозефсонівських середовищ є висока чутливість їхнього критичного струму до малих магнітних полів. Тому вивчення ефекту зменшення критичного струму металооксидних надпровідників у магнітних полях прямо зв'язано з дослідженням властивостей міжзеренних границь. Одним з експериментальних методів дослідження характеру таких границь є вивчення впливу високого гідростатичного тиску на критичний струм керамічного зразка.

Реакція критичного струму Jс слабких зв'язків на тиск повинна істотно залежати від типів міжзеренних контактів у металооксиді. Так, експоненціально швидкий ріст Jс, а отже, і jс з ростом тиску може спостерігатися в структурах з контактами тунельного S-I-S - типу, для яких Jс ~ exp (-d/), де d - товщина ізолюючого шару, - висота енергетичного бар'єра. У слабкозв`язаних S-N-S контактах, утворених провідним N-прошарком, сильна залежність критичного струму від тиску можлива у випадку досить великої товщини N-шару, коли показник експоненти в залежності критичного струму Jс ~ exp (-d/N) досить великий і відносно малі його зміни приводять до істотного збільшення Jc. Тут N - довжина когерентності в нормальному шарі, d - його товщина. У контактах надпровідник - напівпровідник - надпровідник довжина когерентності N, зв'язана з електронними характеристиками напівпровідника, також може мінятися з тиском, викликаючи экспоненціально швидкий зріст критичного струму. Інша ситуація виникає, якщо міжзеренний шар - металізована область малої товщини (d < N). Тоді тиск не може істотно змінювати Jc і, як показали експерименти, цей випадок відповідає максимальному значенню щільності критичного струму.

Таким чином, основна відмінність у реакції на тиск критичного струму сітки джозефсонівських контактів від струму піннінга звичайного надпровідника полягає в експонентному множнику exp (-d/N), що відбиває слабке перекриття хвильових функцій надпровідних берегів контакту.

Другий розділ присвячений опису експериментальної техніки і методикам одержання високотемпературних надпровідних металооксидів. Описано прийоми одержання зразків для дослідження, зокрема, метод багаторазової одноосьової деформації, що дозволяє одержати високотекстуровані зразки з великою щільністю критичного струму. Обговорюється використання техніки високого тиску при дослідженнях керамічного надпровідника. Описано способи компактувания порошку керамічного матеріалу у вироби різної форми методом гідростатичного стиснення.

В третьому розділі розглянуті особливості поводження транспортних характеристик металооксидів в умовах гідростатичного тиску і зовнішніх магнітних полів. Знайдено, що критичний струм зразків системи Y123 зростав більш ніж у два рази при тисках 10 кбар. Це збільшення критичного струму відбувалося при малій зміні критичної температури і нормального опору зразка.

Вплив тиску на зразки з різним питомим опором і щільністю критичного струму приведено на рис. 1. Видно, що відносне збільшення критичного струму з тиском у зразках з великими і малими Jc виявилося більш істотним, аніж у низькоомних з великими Jc. Так, для керамік з питомим опором = 3, 110-3 Омсм логарифмічна похідна 1/Jc (P1) | (Jc (P2) - Jc (P1) /P| склала 110 кбар-1, а для керамік з = 5, 310-4 Омсм це значення відповідало 0, 7110 кбар-1.

Відзначимо, що в даній експериментальній ситуації структура зразків не робить помітним внесок тунельних контактів в ефект росту струму під тиском, тому що у випадку переваги таких контактів у кластері, відносній зміні критичного струму відповідала б така ж зміна нормального опору зразка, як це визначається формулою критичного струму тунельного контакту Jc = 2/Rn. У даному випадку зміни критичного струму не можна пояснити і зміною параметра порядку під тиском, оскільки температура переходу зразка практично не міняється. Розрахунки показали, що відповідний зріст струму можливий, якщо критичний струм визначається як Jc = Jexp (-), а значення =d/n = 7.

Проведено аналіз поводження керамічного матеріалу в умовах всебічного стиснення з погляду його структури. Як показали морфологічні дослідження для нетекстурованих зразків характерна неоднорідність границь, різне орієнтування і розміри зерен. Це може привести до неоднорідності деформацій у масштабі зерна навіть у випадку гідростатичного тиску. Для надпровідних зв'язків така неоднорідність була б несуттєвою, якби середній розмір гранул <a> був меншим від довжини когерентності 0. Однак у металокераміках 0 ~ 2030 Е, що набагато менше розміру зерен. Тому однорідність тиску в гранулярному середовищі може розглядатися лише в масштабі перколяційного кластера L0, тоді середні характеристики зразка з розмірами, значно більшими L0, визначаються у випадку гідростатики середнім тиском. Відзначимо, що однорідність стиску забезпечувалася і тією обставиною, що розміри досліджуваних зразків були багато меншими від перетину каналу камери високого тиску.

У нашому випадку операції по набиранню і зниженню тиску характеризувалися цілком відтвореним опором зразка в нормальному стані і величиною критичного струму у надпровідному. Ця обставина вказує на пружний характер деформації зерен і міжзеренних границь. З цього можна зробити висновок, що зміну нормального опору контактів і їхнього критичного струму під тиском неможливо пояснити геометричними факторами - збільшенням площі контактів, зменшенням товщини прошарку між берегами або деформацією перколяційного кластера.

Таким чином, дослідження реакції тиску на струмонесучі характеристики іттрієвого металокерамічного надпровідника дозволяють зробити висновок, що ці металокераміки є слабкозв`язаними надпровідними середовищами зі структурою контактів переважно S-N-S-типу, характеристики яких визначають ширину R (T) -переходу. Дійсно, найбільшим змінам під дією тиску піддається низькотемпературна область R (T) -залежності, ширина якої зв'язана з ефектами флуктуацій у міжзеренних слабкозв`язаних контактах. З огляду на цей факт встановлена відповідність між зміною розмиття резистивного переходу під тиском і відповідне збільшення критичного струму dlnTcP/dP = _dlnjcP/dP, де = 1/n[n (T) /n (Tc0) ].

Приведений вираз добре узгоджується зі зміною критичного струму, що спостерігається для кераміки під тиском: dlnjcp/dP = 101 кбар при n = 1, 5 и n (T) /n (Tc0) = (Tc0/T) -1/2, T - температура виміру. Відмінність n від одиниці підтверджує, що в кераміку, в основному, реалізуються контакти SNS типу, для яких характерна поблизу Tc залежність Jc (T) ~ (Tc - T) 2.

Розглянуто поводження слабкозв`язаной системи в магнітному полі. Значне зростання критичного струму зразка з тиском - переконливе свідчення на користь утворення міжзеренних джозефсонівських слабких зв'язків у металооксиді. Чи випливає з цього, що в досить великих магнітних полях критичний струм джозефсонівських контактів повинен упасти до нуля. Досвід показує, що це не так. І в області дії великих полів (H = 20 T, T = 4, 2 K) керамічні зразки демонструють цілком прийнятні щільності критичних струмів. Загальна тенденція поводження критичного струму в магнітному полі для керамічних зразків характеризується падінням Jc у малих полях. Значне (на порядок) падіння Jc реалізується в полях H0 = ~ 0/S0, S = 2W - осередок квантування, що відповідає ширині контакту W і глибині проникнення . Для типових параметрів контактів у кераміку ~ 0, 2 мкм, W ~ 3 мкм поле H0 мало і складає H ~ 15 Е. Тому ознакою реалізації джозефсонівських контактів у керамічних металооксидах є висока чутливість критичного струму до малих магнітних полів. Якщо така чутливість відсутня, то широко прийнятою є уява про неслабкозв`язаний характер міжзеренних прошарків. Особливістю поводження критичного струму керамічних зразків у магнітному полі є аномальний гістерезіс, при якому критичний струм у наростаючому магнітному полі менший, ніж у зменшуваному: Jct (H) < Jct (H), а в області малих H має локальний максимум. Такий гістерезіс спостерігався в кераміках різної сполуки, у плівках і об'ємних зразках. Проведений аналіз явища аномального гістерезіса показує, що ні захоплений магнітний потік, ні його неоднорідності не можуть пояснити всієї сукупності експериментальних фактів. Справа в тім, що на відміну від значень намагніченості, яка для кераміки є кінцевою величиною, ефект аномального гістерезіса спостерігається й у дуже великих магнітних полях, коли про вплив залишкової намагніченості матеріалу говорити не доводиться.

З ростом магнітного поля критичний струм стабілізується. Цей ефект помічений давно. Звичайно він інтерпретується як внесок у надструм залишкових перколяційних шляхів, тобто деякої рідкої проточної мережі, що не містить контактів джозефсонівського типу. Проведені нами експерименти з впливу тиску на критичний струм керамічних зразків Y123 -фази показали, що це не так: і у великих магнітних полях, коли, здавалося б, протікання надструму через джозефсонівські контакти виключено, критичний струм зразків зростав під дією тиску. Залишалося припустити, що головна причина стабілізації Jc керамік при великих полях пов'язана з проникненням вихорів Абрикосова в гранули. Просторова неоднорідність джозефсонівських контактів додатково підвищує стабільність струму. У великих полях H >> Hc1 велич поверхневого струму гранул js визначається рівноважною складовою jsm, пов'язаною з мейснерівським струмом, і нерівноважною jcg, обумовленою закріпленням магнітного потоку в гранулах, причому знак jcg залежить від передісторії зразка js = jsm jcg. Знак (+) відповідає наростанню зовнішнього магнітного поля, а (-) - зменшенню. Неоднозначна залежність величини поверхневого струму гранул від знака збільшення магнітного поля і викликає аномальний гістерезіс критичного струму контактів: Jc = Jc (js) Jc (jsm jcg). Виміри залежності критичного струму зразків у магнітному полі показали, що швидке падіння величини Jc (H) у великих полях стабілізується, далі Jc змінюється повільно. Як і у випадку керамічних пластинок без покриття, прикладення тиску P = 10 кбар збільшувало критичний струм зразків у срібній матриці в 2-2, 5 рази при T = 77 K. Такий же ріст Jc спостерігався й у магнітних полях H > Hc1 (рис. 2). При низьких температурах T = 4, 2 K ефект тиску навіть зростав, приводячи до росту критичного струму в 3, 5-4 рази. Причому відносне зростання критичного струму з тиском було приблизно однакове для зразків, початкове значення Jc яких суттєво відрізнялося. Ці експерименти з тиском показали, що й у магнітних полях основний бездиссипативний транспортний струм протікає за структурою джозефсонівських слабкозв`язаних контактів. Якщо в області полів до 0, 5 кЕ можна спробувати знайти пояснення цьому факту в термінах малих осередків квантування S0, утворених просторовими флуктуаціями критичного струму контактів, то для полів у десятки кілоерстед таке пояснення не проходить. Як показано вище, стійкість критичного струму в джозефсонівських гранулярних середовищах може бути зв'язана з присутністю вихорової структури в гранулах. Вплив магнітного поля на критичний струм джозефсонівських контактів реалізується через струм, що екранує, js, індукований у надпровідних берегах. Величина цього струму залежить від концентрації і розподілу абрикосівських вихорів у гранулах кераміки. Збільшення щільності вихорів з ростом магнітного поля істотно зменшує намагніченість M зерен і відповідно екранує струм js, що еквівалентно стабілізації надпровідної частини транспортного струму у зразку. Але в такому випадку гістерезіс критичного струму у великих магнітних полях також повинен бути зв'язаний із джозефсонівськими контактами. Для перевірки цього припущення проведено експериментальне дослідження впливу тиску на гістерезісну петлю критичного струму Jc. Як і очікувалося, тиск значно збільшив петлю гістерезіса Jc, однак у відносних одиницях Jc (H) /Jc (0) ефект тиску практично відсутній.

Істотне зростання критичного струму YBaCu-керамік у великих магнітних полях при накладенні тиску доводить, що протікання надструму в досліджуваних зразках обмежувалося джозефсонівськими слабкими зв'язками. Цей результат справедливий навіть в області полів H > 10 кЕ, коли залежність Jc (H) виходить на полицю, що, здавалося б, говорить про реалізацію в кераміці сітки сильнозв`язаних контактів (надпровідних закороток).

Таким чином, припущення про те, що критичний струм слабкоориєнтованих керамік у великих полях відрізняється лише піннінгом вихорів Абрикосова, не підтверджується. Це припущення ґрунтувалося на уявленні, що у великих рівнобіжних площині контакту магнітних полях критичний струм Jc джозефсонівських слабких зв'язків швидко зменшується з ростом поля. У дійсності ж, зменшення Jc зв'язане не з величиною поля H, а з наведеною на поверхні гранул щільністю поверхневого струму js (H). Після входження вихорів Абрикосова в береги контакту величина поверхневого струму стабілізується, що і визначає особливу реакцію критичного струму джозефсонівського зв'язку на велике магнітне поле. Гістерезіс критичного струму контакту відрізняється неоднозначною залежністю поверхневого струму гранул js від величини зовнішнього поля. При зменшенні зовнішнього поля частина js, зв'язана з просторовим розподілом вихорів Абрикосова в гранулах змінює знак. У результаті величина поверхневого струму зменшується, а критичний струм джозефсонівських контактів зростає.

В третьому розділі розглянуті особливості транспортних характеристик високоорієнтованих керамік, отриманих за методом MTG. Слабка залежність Jc (H), що спостерігається в текстурованих кераміках, різко контрастує з Jc (H) -характеристикою звичайного керамічного зразка, хоча початкові щільності струму в них можуть бути близькими. Інакше реагує Jc текстурованих зразків і на тиск, зростаючи під тиском 89 кбар лише на 1520%, тоді як у звичайній 123-кераміці це зростаня складає більш 100% (рис. 3). Настільки малі збільшення Jc (P) цілком можна пояснити ростом критичної температури з тиском. Така відмінність Jc (P) текстурованих керамік від неорієнтованих структур пов'язано з істотною зміною характеру протікання струму в текстурованих кераміках у порівнянні зі звичайними. У щільних кераміках з розміром гранул lab уздовж площини ab, що значно перевищує поперечний (уздовж осі c) розмір dс, гранули переважно контактують своїми більш широкими поверхнями, тобто площинами, рівнобіжними площини ab. У такому випадку для транспортного струму переважає перетічний канал. Це означає, що зв'язок між сусідніми гранулами A і B, розташованими в площині ab, здійснюється за допомогою гранули C, що покриває як гранулу A, так і гранулу B. Роль бокових контактів, розташованих у площині ab, може при цьому виявитися незначною, основний струм з A у B протікає шляхом A-C-B. Джозефсонівські контакти, розташовані на такому шляху перетікання струму, утворені малокутовими границями (нормальними осі c), що відповідає оптимальній умові для досягнення максимальної щільності критичного струму Jc через границю між керамічними блоками. Але перевага структури типу «цегельної кладки» не лише в цьому. Завдяки перетіканню струму по шляху A-C-B щільність джозефсонівського критичного струму Jc ефективно збільшується в lab/dc раз, що по порядку величини відповідає співвідношенню площі широкої поверхні гранул sc ~ wlab до перетину sab ~ wdc торців (w - ширина гранул).

Таким чином, реалізація в досліджених зразках ламінарної структури з витягнутими уздовж площин ab тонкими гранулами може забезпечити такий характер перетікання струму, що присутність слабких зв'язків у керамічному зразку при звичайних транспортних вимірах не виявляється. Цим відрізняються розходження, що спостерігаються, у характері реакції на тиск критичного струму звичайних і текстурованих іттрієвих керамік.

Дослідження характеристик вісмутових керамік показало, що в залежності від технології готування зразків у цих матеріалах похідна dIc/dР може змінювати знак. При деяких умовах критичний струм під дією тиску падає при одночасному зменшенні нормального опору зразка і росту його критичної температури. Інтерпретація отриманих результатів заснована на параруйнувному факторі локалізованих станів, присутніх у міжгранульному бар'єрі вісмутових металокерамік. При низьких температурах відпала зразків, щільність локалізованих станів у міжзеренних контактах велика, але ще недостатня для повної металізації контактів. В результаті дія окремих локалізованих станів носить розпарювальний характер, що придушує параметр порядку, критичний струм контактів і приводить до негативного значення похідної dIc/dР.

В четвертому розділі розглянуті питання контактного опору, який виникає на границі металооксидний надпровідник - нормальний метал, прояв ефектів близькості в цих структурах, а також обговорюються причини росту критичного струму при введенні в металооксидну матрицю високопровідних металевих включень.

Проблема створення малого контактного опору на границі метал - металооксид визначається не лише чисто практичною необхідністю, але і має глибокий фізичний зміст. Розглянуто два альтернативних варіанти виникнення перехідного опору у цих системах. Перше, наявність потенційного бар'єра тунельного типу в контактах метал - кераміка, друге як результат стрибка електронних характеристик на границі розділу двох середовищ. ВАХ контакту Ag-Y123 при T = 77 K, у тому числі в магнітному полі H до 2 кЕ. демонструє омічну лінійну ділянку, що відбиває дійсний опір перехідного шару. Величина контактного опору Rc, розрахована по площі контакту, що спостерігається візуально, склала Rc = 1, 510-9 Омсм2 при щільності вимірювального струму jn = 104 А/см2 (без магнітного поля). Настільки високе значення jn реалізується тільки в безпосередній околиці контакту, тому що при розтіканні струму щільність його швидко спадає. Включення магнітного поля H зменшує критичний струм Jc (H) кераміки і, отже, призводить до росту сумарного опору “контакт + приконтактна область” при вимірювальних струмах J > Jc (H). При J < Jc (H) опір контакту Ag-YBCO від магнітного поля не залежав.

Помітний ефект близькості в контакті, очевидно, був відсутній при азотних температурах, оскільки вольтамперні характеристики носили лінійний характер і не містили в собі особливостей, які можна було б зв'язати з проявом ефекту близькості.

Результати дослідження реакції контактного опору на гідростатичний стиск до 10 кбар приведені на рис. 4, де показані залежності опору контакту від магнітного поля при Р = 1 і 10 кбар. Тиск не призводить до зміни опору контакту, якщо щільність вимірювального струму не перевищує критичного значення для кераміки Jc (H).

При щільності вимірювального струму J > Jc (H) криві R (H) при P = 1 кбар і P = 10 кбар розходяться. Це пояснюється зростанням критичного струму кераміки під тиском і уповільненням розвитку дисипативних процесів, пов'язаних з величчю вимірювального струму. Відсутність помітної реакції опору контакту на прикладений тиск є прямим доказом відсутності бар'єра в області контакту Ag-YBCO, тобто опір контакту має металевий характер. Таким чином, значний опір перехідної області можна зв'язати з великою відмінністю електронних характеристик звичайного металу і металокераміки. Так, якщо фермієвські швидкості контактуючих провідників vf1, vf2 сильно розрізняються, вже одна ця обставина приводить до великого коефіцієнта відбиття електронів від контактної границі R = (vf1-vf2) / (vf1+vf2) 1 і до відповідного зменшення коефіцієнта проходження D через контакт D = 1 - R << 1. У результаті границя двох металів здобуває контактний опір Rc = RQF2<cos () D () /R () >1, де використане співвідношення для “кванта” опору RQ = ћ/e2 = 4, 1 кому і для де-бройлевської довжини хвилі фермієвського електрона F = 2/k, k - фермієвський імпульс металу з меншою швидкістю Фермі, - кут між швидкістю електрона в цьому металі і нормаллю до поверхні контакту. Співвідношення для контактного опору в нормальному стані справедливо і при контакті надпровідника з N-металом. При D << 1 контактний опір Rc RQF2<Dcos () >-1. Якщо контакт містить діелектричний шар з товщиною d і висотою бар'єра , то коефіцієнт проходження D ~ exp{-d (2m/ћ2) 1/2}. Уже при D ~ 10-310-6 контакт має тунельний характер. У результаті при k = 108 см-1 знаходимо характерне для тунельних контактів значення Rc 10-810-5 Омсм2. Величина Rc 10-8 Омсм2 близька до контактного опору, що спостерігається в Ag_YBCO. Однак у тунельному контакті навіть при малому зменшенні товщини d діелектричного шару під тиском прозорість D росте експоненціально, знижуючи Rc, що в експерименті не спостерігалося. У сріблі vFAg = 1, 4108 см/с, тоді як у кераміці YBCO в с-напрямку через малу щільність носіїв v = 36107 см/с. В результаті для мінімального опору срібного контакту одержуємо (думаючи k ~ 3107 см-1) оцінку Rcmin = (RQ/4) (2/k2) vFAg/v = 10 Омсм2.

Таким чином, по реакції контактного опору Ag_YBCO на магнітне поле і тиск встановлено, що цілком можливе одержання контактів, які мають металевий характер з Rc 10-9 Омсм2. Це значення Rc відповідає оцінці Rcmin мінімального опору при контакті двох металів і сильно відрізняються фермієвськими швидкостями (наприклад, кераміки і срібла). Нечутливість отриманого контактного опору до сильних магнітних полів при досить високій щільності транспортного струму доводить перспективність пошуку способів виготовлення резистивних сильнострумових композитів на основі кераміки в металевій матриці.

Проведено аналіз експериментів з впливу металевих включень на транспортні характеристики полікристалічних зразків YBaCuO-Ag. Показано, що початковий етап руйнування фазокогерентного стану обумовлений крипом потоку. При великих напругах зсуву більш адекватною є модель ВАХ, яка розглянута в наближенні сітки автономних джозефсонівських контактів. Встановлено, що введення високопровідних домішок срібла в металокераміку призводить до придушення дифузії потоку. Це дає триразове збільшення критичного струму досліджуваних зразків.

Розглянуто також вплив теплових процесів на форму вольтамперних характеристик, показано, в яких експериментальних ситуаціях при запису ВАХ ними можна зневажити. Для визначення, якою мірою включення срібла можуть змінити структуру проточного кластера, були виконані експерименти по визначенню температурної залежності критичного струму досліджуваних і контрольних зразків. Помітимо, що якби срібні прошарки, що утворюють при використовуваній технології гарний електричний контакт із гранулами кераміки, привели б до заміни контактів кераміка-кераміка на зв'язку типу кераміка - срібло - кераміка (YBaCu - Ag - YBaCu), тоді це призвело б до зміни температурної залежності критичного струму.

Як показав експеримент, для зразків кераміки без домішок спостерігається залежність Ic (T) /Ic (77) ~ (Tc - T) 1, 5, у той час як для зв'язків типу YBaCu - Ag - YBaCu повинна бути залежність виду Ic (T) /Ic (77) ~ (Tc - T) 2, характерна для чистих S-N-S-контактів. У дійсності ж зміни температурної залежності критичного струму кераміки з домішками срібла не спостерігалося. Результат викононого експерименту показує, що домішки срібла не утворюють нової надпровідної проточної структури, а зростання критичного струму обумовлено іншими причинами. Залежність, що експериментально спостерігається, E = Ea (j/jc - 1) n характерна для процесів крипу потоку. Як показано раніше, по реакції критичного струму зразків ВТНП на тиск можна судити про характер проточних шляхів. Відповідний експеримент показав, що добавки срібла залишають характер протікання струму в металокераміці незмінним - диссипація як і раніше обумовлюється існуванням слабких зв'язків у перколяційному кластері, що реагують на прикладений тиск значно ефективніше, ніж надпровідник другого роду. Це дозволяє при аналізі ВАХ використовувати поняття джозефсонівського середовища.

Ефекти диссипації можуть виникати в джозефсонівських середовищах в результаті крипу потоку задовго до досягнення критичної щільності струму контактів. Тоді при заданому значенні щільності вимірювального струму j переміщення магнітного потоку в зразку може початися в області, де j більше локального значення критичного струму jc (r), а в областях j < jc (r) потік залишається нерухомим. Диссипативний рух ліній потоку виникає з появою каналів (областей, де j > jc (r)), що починаються і закінчуються на границях зразка.

Перколяційні ефекти в системі YBaCu - Ag - YBaCu досліджувалися в широкому інтервалі концентрацій Ag. Обрана технологія готування зразків дозволила досліджувати ефекти перколяції нижче температури переходу YBaCu. Як показали результати вимірів контакти YBaCu - Ag - YBaCu не є надпровідниковими при контактному опорі R = 10-9 Омсм2 і розмірі металевих включень ~ 1 мкм. Надпровідними виявилися контакти такої структури при товщині срібла 100200 нм, критичний струм яких з'являвся при низьких, близьких до гелієвих, температурах.

Однак, незважаючи на те, що ефект близькості не реалізується в композитах YBCO/Ag/YBCO при азотних температурах і опір інтерфейсу Ag/YBCO виявляється кінцевим, проте заміна частини струмового шляху надпровідником для YBCO/Ag/YBCO може призвести до значного виграшу в питомому опорі композита. Експеримент зроблено на керамічних пластинках з розмірами 0, 1125 мм3, що містили 15 об'ємних відсотків срібних включень, загорнутих в срібну фольгу й обпресовуваних в ковадлах. Після двогодинного термічного відпалу при T = 930 C стрічку прокочували на вальцах до товщини d = 0, 1 мм і повторно відпалювали при тій же температурі протягом шести годин. Запис вольтамперних характеристик підготовлених зразків показав, що щільність критичного струму, обумовлена за рівнем 1 мкв/см, складає Jc = 1, 5103 А/см2 при T = 77 K (зразки мали Tc = 92 K). У магнітному полі критичний струм швидко падав до виходу на постійне значення Ic (H). Тобто, в області критичних струмів зразки демонстрували характерні для слабкозв`язаних керамічних структур властивості. У резистивной області опір стрічки виявилося істотно нижчими від значення питомого опору срібла = 10_6 Омсм при T = 77 K.

Питомий опір зразка при значенні транспортного струму I = 20 А, що відповідає щільності j ~ 3104 А/см2 (при E = 1 мкв/см) становив R = 4, 710-9 Омсм. При більшому вимірювальному струмі опір зразка починає швидко наростати, що свідчить про початок диссипативних процесів у зернах кераміки. Подібні щільності критичного струму мають зразки, підготовлені шляхом QMG-процесу.

Таким чином, проведені дослідження показали можливість реалізації випадків, коли частина струмового шляху в композиті YBCO/Ag/YBCO складається з гранул надпровідної кераміки, з'єднаних металевим включенням. Для одержання мінімального опору в такому резистивному композиті гранули кераміки повинні бути сильно витягнуті в напрямку протікання струму, а срібні прошарки - з'єднувати їх як цегельну кладку. Завдяки протіканню струму шляхом А-С-В опір цієї ділянки зменшується як відношення товщини t срібного прошарку між гранулами. Подальший внесок дає перехідний опір Rс кераміка - срібло. У загальному випадку опір композита при T < Tс гранул визначається формулою Ag-YBCO ~ (d/L2) (Agt + 2Rc).

В п'ятому розділі приведені результати досліджень транспортних характеристик високострумових високотемпературних надпровідників. Вивчено властивості гідроекструзованих зразків дроту і багатожильного кабелю. Проведено експерименти в порівнянні характеристик теплопровідності макета надпровідного керамічного струмоввода і мідного зразка такої ж геометрії. Встановлено, що теплопровідність кераміки в кілька разів менше міді і надпровідні струмопровідні елементи можуть служити ефективними тепловими розв'язками в системах з великим струмовим навантаженням.

Шоста глава присвячена дослідженням спектрів збуджень у високотемпературних надпровідниках. Описуються ефекти, які здатні виявлятися в спектроскопічних характеристиках тунельних і точкових контактах з ефектом андріївського відбитку. Експерименти на ВТНП-зразках демонструють, що кількісний аналіз цього матеріалу неможливий без обліку специфічних особливостей об'єкта досліджень. Внутрішні неоднорідності, властиві ВТНП, дозволяють описувати макроскопічні властивості в наближенні структури слабкозв`язаних контактів. Природно, тунелювання в такі структури має свої особливості, котрі відрізняють цей процес від тунелювання в металеві надпровідники. Ефекти тунелювання в джозефсонівські середовища можуть викликати локальне руйнування контактів, що виявляється у вигляді піків динамічного опору в характеристиках dV/dI (V). Такі піки виникають, коли вимірювальний струм Iизм. > Ik перевищує критичний струм внутрішнього слабкозв`язаного контакту. В результаті таких процесів на експериментальних кривих з'являється багатопікова структура. Як було показано в перших частинах дослідження, тиск ефективно впливає на критичні струми слабких зв'язків. Отже, якщо особливість у тунельному спектрі має слабкозв`язану природу, то під дією тиску її положення буде лінійно зростати в струмовій шкалі. Така селекція тиском допомагає виявити особливості, пов'язані з струмовим руйнуванням приконтактної області.

Експериментально встановлено, що струм руйнування слабкого зв'язку Ic0 для тунельних зразків Y123-Pb зростає з тиском P, причому швидкість росту Ic0 (P) була такого ж порядку, що і залежність критичного струму від тиску для іттрієвих керамік. Тому спостережуване зростання критичного струму слабкого зв'язку вказує на джозефсонівський характер внутрішнього контакту.

Таким чином, піки динамічного опору, що виникають у характеристиках при тунелировании в металооксиди, можуть бути пов'язані з руйнуванням надпровідності міжгранульних контактів. Найбільш переконливим аргументом правильності такої гіпотези є чутливість положення цих особливостей до тиску і малих магнітних полів. Прості співвідношення дозволяють одержати пряму інформацію про параметри міжгранульних контактів у металооксидах і форму їхніх вольтамперних характеристик. Надійним критерієм ідентифікації особливостей струмового руйнування служить також і асиметрія їхнього положення на осі напруги. Відзначимо також, що струмове руйнування в металооксидних надпровідниках може бути пов'язане і з динамічними процесами, коли швидкість конденсату досягає критичних значень, наприклад в об'єктах, названих лініями ковзання фази. Тоді напруга, на яку відбувається стрибок, пов'язана з величиною енергетичної щілини.

Іншою особливістю характеристик тунельних контактів з високотемпературними надпровідниками є присутність лінійного фону в тунельній провідності G (V) = G0 + |V|, що спостерігається для широкого інтервалу напруг зсуву V 0, 5 В) Таке поводження разюче відрізняється від звичайної параболічної залежності тунельної провідності в контактах метал - діелектрик - метал. Природа лінійного фону |V| обговорювалася у великій кількості робіт, часом з діаметральних позицій. Так, лінійний фон зв'язувався з щільністю станів N () купратів і був наслідком сильного перенормування спектральних характеристик носіїв заряду через багаточасткові ефекти. Виявлена навіть кореляція між Tc і величиною , що визначає кут нахилу в dI/dV тунельної кривої. Відзначимо тут, що аналогічний вид кривих спостерігається і для тунельних контактів, виготовлених на манганітах - речовинах, не схильних до надпровідності. Як варіант розглядалися ефекти непружного тунелювання. Одна з експериментальних можливостей відкинути відразу кілька моделей, що пояснюють прояв лінійного фону в тунельних кривих, пов'язана з впливом високого гідростатичного тиску на характеристики досліджуваних контактів. Так, реакція на тиск повинна бути відсутньою у випадку, якщо лінійний фон обумовлений зарядовими ефектами мікрогранул у бар'єрі (гідростатичний тиск не може змінити розмір і число гранул). Не можна також очікувати ефекту тиску, якщо прямі лінії обумовлені щільністю стану купратів (при використаному тиску ці зміни занадто малі). Реакція на тиск буде спостерігатися лише у випадку, якщо ефект пов'язаний зі зміною характеру тунелювання електронів через бар'єр.

Такі експерименти були проведені на тунельних контактах, утворених вісмутовими купратами. Основою обробки експериментальних результатів було нормування тунельної провідності на провідність контакту при нульовій напрузі зсуву. Ця процедура дозволяла простежити зміну швидкості росту провідності від напруги зсуву при різному тиску -dI/dV (V) /dI/dV (0) - (P). Як основна модель, що описує вид експериментальних залежностей, обраний ефект тунелювання з урахуванням локалізованих станів у бар'єрі контакту.

Тунелювання через локалізовані рівні може пояснити появу лінійного фону |V| у провідності контактів з металооксидами. Відповідно до моделі локалізованих рівнів, значна величина параметра Vc = 0, 30, 5 В свідчить про високу концентрацію домішок, коли перекриття хвильових функцій домішкових станів може змінювати їхній радіус локалізації a0. У такому випадку в околиці переходу діелектрик-метал (для системи бар'єрних рівнів) реакція на тиск резонансного каналу тунелювання повинна значно зростати: dln () /dР > dln (G0) /dР, що і відповідає експерименту (рис. 5).

Відзначимо, що існування локалізованих рівнів у контактах з металокераміками показано в численних публікаціях. Якщо для таких станів реалізується “м'яка” кулоновская щілина (E) ~ |E|, то резонансне тунелювання дозволяє пояснити ефекти, що спостерігаються: лінійний фон |V| у тунельній провідності і його реакції на тиск без залучення “екзотичних” механізмів надпровідності.

Таким чином, розглянуті ефекти при тунелюванні в металооксиди можуть відбивати їхню внутрішню структуру (ефекти струмового руйнування при тунелюванні в джозефсонівське середовище). Крім того, це і виявлений внесок локалізованих станів бар'єрної області в тунельний струм. Ці ефекти, що відображуються у тунельній провідності в експериментах на ВТНП, варто враховувати як паразитний фактор, що може спотворити інформацію про спектри збудження у ВТНП.

У контакті нормального металу з надпровідником за умови високої прозорості NS-границі реалізується ефект андріївського відбитку. Спектроскопічна цінність андріївського відбитку як методу дослідження параметра s обумовлена тією обставиною, що лише цей процес генетично пов'язаний з енергетичною щілиною квазічасткових збуджень у надпровіднику. Інші спектроскопічні методи фіксують особливості щільності стану у спектрі безвідносно до її походження. Крім того, специфіка ефекту пов'язана з тим, що траєкторії електронів мають, при відбитку від потенційного бар'єра s, звоворотний характер поза залежністю від кута підльоту до бар'єра, що дозволяє в одному експерименті виміряти весь набір станів (k). Це дає можливість одержати інформацію про анізотропію енергетичної щілини надпровідника.

Експериментально досліджені точкові NS-контакти Ag_Bi2223 і Ag_Hg2223, для яких виконувалося відношення G (0) /G (e>>) = 1, 85... 1, 9. Висока якість NS-границі дозволила досліджувати анізотропну енергетичну щілину (k) купратів в одному експерименті, тобто вимір провідності одного контакту дав параметр енергетичної щілини в ab-напрямках. Параметри ab Bi2223 і Hg2223 металооксидів виявилися чуттєвими до гідростатичного тиску P, причому спостерігалося швидкке зростання відношення 2ab/kTc (P). У рамках теорії електрон - фононної взаємодії такий ріст відношення 2/kTc (P) можна пояснити розм'якшенням низькочастотної частини фононного спектра надпровідника. На рис. 6 представлений характерний спектр (тобто залежність dI/dV-V) для мікроконтакту Ag_Bi (2223) і Ag_Hg (2223). Показано, що положення піків динамічного опору при e = 1 = 430, 5 меВ близько до відповіднї величини надпровідної енергетичної щілини = 4045 меВ купратов Bi2223 і Hg (2223) знайдених з тунельних вимірів. Аналогічні значення Bi2223 отримані нами в спектрах тунельних контактів типу “break junction” (вставка на рис. 6). На спектроскопічний характер особливостей, що спостерігаються, вказує сталість їхнього положення по шкалі напруг для серії контактів, що істотно відрізняються опором. Крім того, загальний вигляд залежностей dI/dV-V подібний для керамік вісмутового і ртутного металооксидів. Які факти вказують, що особливості, що спостерігаються, обумовлені надпровідністю купратів? Насамперед про це свідчать температурні виміри. Так, температурна залежність положення особливості при eV = 1 (T) для контактів Ag-Hg (2223) близька до відомої кривої БКШ енергетичної щілини BCS (T).

Незалежно від того, з якої причини особливості в динамічному опорі при V=Vd збігаються з положенням енергетичної щілини надпровідника, наявність цієї особливості дає зручну можливість простежити характер s (P) залежності. Тут ефект андріївського відбитку має визначену перевагу перед тунельним ефектом. Справа в тім, що в характеристиках тунельних контактів купратов щілинна особливість сильно розмита, тому вже позначення величини при P = 0 викликає певні труднощі. Тим більше складно з таких вимірів коректно знайти малі зміни s від P. Прив'язка ж різких особливостей динамічного руйнування при V = Vd до енергетичної щілини дозволяє визначити похідну d/dР з точністю до десяти відсотків.