Механизмы магниторезистивного эффекта в гранулярны высокотемпературных сверхпроводниках

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

01.04.07 - физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

МЕХАНИЗМЫ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОГО ЭФФЕКТА В ГРАНУЛЯРНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ

Балаев Дмитрий Александрович

Красноярск - 2010

Работа выполнена в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН, г. Красноярск

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор Вальков В.В.

доктор физико-математических наук, Мирмельштейн А.В.

доктор технических наук, Михайлов Б.П.

Ведущая организация:

Институт сверхпроводимости и физики твёрдого тела РНЦ "Курчатовский институт", г. Москва

Защита состоится " " 2010 года в часов на заседании диссертацинного совета Д 003.055.02 при Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, главный корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН

Автореферат разослан " " 2010 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Поликристаллические материалы на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) представляют интерес для исследователей как с сугубо научной точки зрения, так и для практического применения. Исследование влияния внешнего магнитного поля на резистивное состояние ВТСП является одним из инструментов изучения вихревого состояния в этих материалах. В поликристаллических материалах такие исследования осложняются двумя факторами: во-первых, ВТСП - кристаллиты (анизотропные по своим свойствам) ориентированы хаотически, а во-вторых, доминирующим влиянием межгранульных границ. Перенос сверхпроводящего тока через эти границы происходит посредством эффекта Джозефсона. Исследования магниторезистивных (МР) явлений в объёмных материалах (поликристаллах ВТСП), проведённые в первые годы после открытия ВТСП, зачастую носили характер "констатации фактов" и не выявили физических механизмов указанных явлений. Так, например, не ясно, какой именно механизм (закрепление вихрей в межгранульной среде, либо закрепление вихрей в ВТСП-гранулах, либо их обоюдное влияние) приводит к таким эффектам, как гистерезис магнитосопротивления и релаксация остаточного сопротивления после воздействия магнитного поля. Не выявлен механизм возникновения участка с отрицательным магнитосопротивлением, который иногда наблюдается в области слабых магнитных полей. На некоторых классах материалов (текстуры на основе висмутового ВТСП) гистерезис магнитосопротивления целенаправленно не исследовался. Поэтому с начала 2000-ых годов наблюдается всплеск интереса к исследованию магниторезистивных явлений в гранулярных ВТСП, целью которых является установление физических механизмов, ответственных за указанные выше эффекты. Для выявления этих механизмов целесообразно исследовать материалы с различной энергией джозефсоновской связи между сверхпроводящими кристаллитами, а также ВТСП различных систем. Объёмные композитные материалы на основе ВТСП, наряду с поликристаллами, полученными по стандартной технологии приготовления, могут являться объектами таких исследований, поскольку возможно проследить влияние энергии джозефсоновской связи на перечисленные выше эффекты и определить механизмы, ответственные за магнитосопротивление гранулярных ВТСП.

Известно, что поликристаллические ВТСП демонстрируют достаточно значительный МР эффект в области температур вблизи температуры сверхпроводящего перехода (Т_С), который обусловлен влиянием джозефсоновских связей в межкристаллитных границах. Это даёт потенциальную возможность практического применения таких материалов в качестве датчиков магнитного поля, работающих при криогенных температурах. Однако температурный диапазон, в котором наблюдается значительное магнитосопротивление, достаточно узок, и для классических ВТСП систем он не превышает нескольких градусов ниже температуры сверхпроводящего перехода. Кроме того, характеристики этих материалов, как активных элементов датчиков магнитного поля (избыточное удельное сопротивление, обусловленное магнитным полем, необходимая плотность транспортного тока через образец), также не очень удобны для возможного практического применения. Поэтому актуальным является поиск ВТСП - материалов, обладающих значительным магнитосопротивлением в слабых магнитных полях уже в широкой области температур ниже Т_С (включая удобную для практических применений температуру кипения жидкого азота) и высокими значения избыточного удельного сопротивления, обусловленного магнитным полем. В этом плане перспективным является исследование композитных материалов на основе ВТСП, в которых межгранульные границы модифицируются за счёт добавления несверхпроводящего ингредиента.

Целью данной диссертационной работы является изучение механизмов, определяющих магниторезистивный эффект в гранулярных ВТСП.

В связи с этим были поставлены следующие задачи.

1. Исследовать магниторезистивный эффект при различных ориентациях внешнего поля и транспортного тока в композитах на основе ВТСП Y-Ba-Cu-O и несверхпроводящего ингредиента (CuO, BaPb_1-xSn_xO₃), представляющих сеть джозефсоновских переходов, в которых джозефсоновская энергия связи уменьшена по сравнению с обычными поликристаллическими ВТСП.

2. Установить механизмы, определяющие магниторезистивный эффект в этих объектах в различных диапазонах магнитных полей.

3. Провести измерения гистерезисных зависимостей магнитосопротивления "модельных" гранулярных ВТСП (композиты с редуцированной энергией джозефсоновской связи), а также "чистых" ВТСП поликристаллов классических систем (Y-Ba-Cu-O, La-Sr-Cu-O, Bi-Ca-Sr-Cu-O) с целью установления механизма гистерезиса магнитосопротивления.

4. Развить модель гистерезисного поведения магнитосопротивления гранулярного ВТСП на основе известного гистерезисного поведения намагниченности этих объектов, и предложить параметр, характеризующий гистерезис магнитосопротивления, который может служить критерием влияния захвата потока в межгранульной среде или гранулах на гистерезис R(H).

5. Исследовать анизотропию гистерезиса магнитосопротивления в текстурированных ВТСП на основе висмута при различных ориентациях внешнего поля и кристаллографических осей кристаллитов.

6. Провести измерения временной эволюции магнитосопротивления в постоянных внешних полях (включая релаксацию остаточного сопротивления после воздействия внешнего поля) различных гранулярных ВТСП и интерпретировать полученные результаты на основе развиваемой модели (п.4).

7. Исследовать серию поликристаллов ВТСП, различающихся диамагнитными свойствами, с целью установления взаимосвязи между этими свойствами и существованием участка с отрицательным магнитосопротивлением.

8. Для выполнения поставленных задач отработать методики измерения транспортных свойств твёрдых тел в магнитных полях, а именно:

а). адаптировать установку "вибрационный магнетометр со сверхпроводящим соленоидом" для измерений магнитосопротивления (внешние поля - до 65 kOe) и изготовить модификацию установки для измерений в полях до 7 kOe на основе сверхпроводящего соленоида, помещающегося в транспортный гелиевый дьюар.

б). создать установку, позволяющую проводить измерения транспортных свойств твёрдых тел в области температур 77-300К, во внешних полях до 15 kOe на основе магнита ФЛ-1.

Научная новизна.

1. Впервые исследован МР-эффект в композитных материалах на основе ВТСП (Y-Ba-Cu-O) и несверхпроводящих ингредиентов (CuO, BaPbO₃, BaPb_0.75Sn_0.25O₃). Обнаружено, что данные материалы проявляют значительный эффект магнитосопротивления в слабых магнитных полях (десятки Эрстед) и широком диапазоне температур ниже T_C ВТСП - ингредиента.

2. Проведён анализ зависимостей R(T), соответствующих резистивному переходу в подсистеме межгранульных границ в композитах Y_3/4Lu_1/4Ba₂Cu₃O₇ + CuO, в широком диапазоне внешнего поля (как в области слабых полей до ~10 ² Oe, так и в полях до 6Ч10⁴ Oe). Сделан вывод о смене механизмов диссипации с ростом магнитного поля: для диапазона сильных магнитных полей и широкого диапазона температур, магнитосопротивление обусловлено классическим крипом магнитного потока, в то время как в диапазоне слабых полей (область высоких температур), экспериментальные результаты описываются моделью Амбегаокара - Гальперина применительно к джозефсоновской среде. Показано, что механизмом, определяющим значительный МР-эффект в данных материалах в области слабых магнитных полей, является течение магнитного потока в межгранульной среде.

3. Предложен критерий выявления механизма, определяющего гистерезисное поведение магнитосопротивления гранулярных ВТСП. Он основан на экспериментальном определении зависимости (или отсутствия зависимости) полевой ширины гистерезиса R(H) от транспортного тока.

4. Впервые обнаружено, что как для композитов на основе ВТСП (являющихся "модельными" гранулярными ВТСП с ослабленными джозефсоновскими связями между ВТСП - кристаллитами), так и для гранулярных ВТСП классических систем (YBa₂Cu₃O₇, Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_х, La_1.85Sr_0.15CuO₄) наблюдается независимость полевой ширины гистерезиса от транспортного тока. Это является доказательством того, что доминирующим механизмом гистерезисного поведения магнитосопротивления в исследованных ВТСП - материалах, является влияние потока, захваченного в сверхпроводящих гранулах, на эффективное поле в межгранульных границах, а влияние захвата магнитного потока в межгранульных границах несущественно для гистерезиса R(H). Показано, что получаемый из экспериментальных данных параметр - полевая ширина гистерезиса, характеризует внутригранульный пиннинг и сжатие магнитного потока в межгранульной среде.

5. Обнаружена и объяснена анизотропия гистерезиса магнитосопротивления текстурированных керамик Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_x + Ag по отношению к взаимной ориентации внешнего поля и кристаллографических осей кристаллитов Bi2223. Для этой системы (ВТСП на основе висмута) впервые продемонстрировано, что переход от режима диссипации в межкристаллитных границах к режиму диссипации в сверхпроводящих кристаллитах проявляется только при больших (~ j_C(H = 0)) плотностях транспортного тока.

6. Установлена взаимосвязь между релаксационными процессами намагниченности гранулярных ВТСП и временной эволюцией магнитосопротивления в постоянных приложенных внешних магнитных полях, и впервые экспериментально продемонстрирована смена характера зависимости R(t) для различных участков гистерезисной зависимости R(H) (при H = const). Показано, что определение величины внутригранульного пиннинга из измерений релаксации магнитосопротивления (проведённое ранее рядом авторов) по зависимости андерсоновского типа приводит к ошибочной оценке этой величины.

Практическая значимость работы.

Обнаружено, что композитные материалы на основе ВТСП Y-Ba-Cu-O и несверхпроводящих ингредиентов CuO, BaPbO₃, приготовленные методом быстрого спекания, обладают значительным магниторезистивным эффектом в диапазоне слабых магнитных полей (десятки Эрстед) в широкой области температур ниже T_C ВТСП - ингредиента (93.5 K) (что включает удобную для практических применений температуру кипения жидкого азота 77.4 К). Этот факт, а также продемонстрированная в работе возможность управления величиной МР - эффекта и значением ₀(H) = ((H) - (H=0)) / (H=0) транспортным током, и экспериментально установленная функциональная зависимость магнитосопротивления от угла между направлением внешнего магнитного поля и транспортного тока R ~ sin², дают потенциальные возможности применения данных материалов в качестве высокочувствительных датчиков магнитного поля для области слабых полей, работающих при криогенной температуре.

Создана новая установка по измерению транспортных свойств твёрдых тел в магнитных полях (H - до 15 kOe, 77.4K T 360 K, I - до 3 А, U - до 600 V).

Достоверность полученных результатов обеспечена применением стандартных методик измерения транспортных и магнитных свойств твёрдых тел во внешних магнитных полях, использованием охарактеризованных образцов ВТСП, повторяемостью получаемых результатов. Анализ полученных экспериментальных данных проводился с использованием общепринятых теорий и подходов для сверхпроводников II рода. Достоверность также подтверждается тем, что ряд явлений, обнаруженных в работе (анизотропия гистерезиса магнитосопротивления текстур ВТСП на основе висмута, временная эволюция магнитосопротивления в постоянных внешних полях, появление участка с отрицательным магнитосопротивлением), вытекали из развиваемой в ней модели поведения транспортных свойств гранулярного ВТСП в магнитном поле.

На защиту выносятся:

· Результаты исследования МР-эффекта (зависимостей R(T) и R(H)) в широком диапазоне внешнего магнитного поля в двухфазных композитных материалах, состоящих из ВТСП на основе иттрия и несверхпроводящих ингредиентов (CuO, BaPbO₃, BaPb_0.75Sn_0.25O₃). Обнаружена смена механизмов диссипации в джозефсоновской среде под действием внешнего магнитного поля для образцов ВТСП + CuO. Установлен физический механизм, обуславливающий значительный МР-эффект в данных материалах (процессы течения магнитного потока в межгранульной среде).

· Результаты исследования гистерезисных зависимостей магнито-сопротивления R(H) и критического тока J_C(H) от магнитного поля следующих ВТСП материалов: композитов на основе Y_3/4Lu_1/4Ba₂Cu₃O₇, поликристаллов YBa₂Cu₃O₇, Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_х, La_1.85Sr_0.15CuO₄, текстурированных керамик Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_x + Ag, а также висмутовых ВТСП низкой плотности.

· Результаты анализа полученных гистерезисных зависимостей R(H) и J_C(H) в рамках развиваемой в работе модели гранулярного ВТСП. Показано, что такая характеристика гистерезисной зависимости магнитосопротивления, как полевая ширина гистерезиса R(H), является параметром, независимым от величины транспортного тока для всех исследованных в работе систем, и отражает внутригранульный пиннинг. Доминирующим механизмом формирования гистерезиса R(H) является влияние магнитных моментов ВТСП гранул на эффективное поле в межгранульной среде; кроме того, вклад от магнитных моментов ВТСП гранул может приводить к появлению участка с отрицательным магнитосопротивлением. Влияние пиннинга в межгранульных границах не вносит заметного вклада в гистерезисное поведение магнитосопротивления, а имеет место течение потока в джозефсоновской среде.

· Результаты исследования взаимосвязи анизотропных характеристик (от взаимного направления поля и кристаллографических осей кристаллитов Bi-2223) гистерезиса намагниченности и гистерезиса магнитосопротивления текстурированных образцов Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_x + Ag. Показано, что эти зависимости обладают гистерезисом в одинаковых диапазонах внешнего поля. Экспериментально определены условия (плотность "измерительного" тока j порядка j_C(H=0)), при которых наблюдается переход от режима диссипации в межкристаллитных границах к режиму диссипации в кристаллитах Bi2223 для ВТСП-текстур на основе висмута.

· Результаты исследования временной релаксации магнитосопротивления в магнитных полях ВТСП - композитов, поликристаллов YBa₂Cu₃O₇ и Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_х при различных плотностях транспортного тока. Установлено, что релаксация остаточного электросопротивления является "реакцией" джозефсоновской среды на уменьшение в ней поля, индуцированного магнитными моментами сверхпроводящих гранул, вследствие процессов релаксации в самих гранулах. Установлена причина различия величин "потенциала пиннинга", получаемых из измерений релаксации намагниченности и релаксации электросопротивления (при "формальном" применении результатов теории Андерсона-Кима для анализа зависимостей R(t)).

· Экспериментально продемонстрирована и объяснена в рамках развитой в работе модели поведения гранулярного ВТСП во внешнем поле смена характера временной эволюции магнитосопротивления R(t) в постоянных полях (H = const) для различных случаев магнитной предыстории (внешнее поле возрастает, либо убывает).

Апробация работы. Полученные в диссертационной работе результаты были представлены и обсуждались на следующих международных и российских конференциях и симпозиумах:

· Международной байкальской научной конференции "Магнитные материалы", Иркутск, 2001 г.

· XVIII международной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" НМММ-XVIII, Москва 2002 г.

· 7-th International workshop High-Temperature Superconductors and Novel Materials Engineering MSU-HTSC VII, Moskow, June 20-25, 2004, P.35.

· Евро-азиатских симпозиумах "Trends in magnetism" EASTMAG-2004, Krasnoyarsk 2004, "Magnetism on a nanoscale" EASTMAG-2007, Kazan 2007.

· Workshop on Weak Superconductivity (WWS'05) - Bratislava, Slovakia, 2005 г.

· Международных конференциях "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" ФПС 06, Москва, Звенигород 2006 г., ФПС 08, Москва, Звенигород 2008 г.

· International Conferences on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (M2S-HTSC) M2S-RIO-VII, - Rio de Janeiro, Brazil, 2003 г., M2S-HTSC-VIII, - Dresden, Germany, 2006.

· 25-th International Conference on Low Temperature Physics, Amsterdam, Netherlands, 2008.

· 12 международном симпозиуме "Упорядочение в минералах и сплавах" ОМА-12, Ростов-на-Дону, Лоо, 2009 г.

· 12 международном симпозиуме "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" ODPO-12, Ростов-на-Дону, Лоо, 2009 г.

Результаты работы также докладывались на семинарах в Казанском Государственном Университете (Городской магнитный семинар), в Институте Металлургии и Материаловедения им. А.А. Байкова РАН (Москва).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 работа в рецензируемых научных журналах, получен патент РФ.

Личный вклад автора. При непосредственном участии автора были проведены модификации установки "Вибрационный магнетометр со сверхпроводящим соленоидом" для измерения магнитосопротивления во внешних полях. При участии и под руководством автора создана новая установка для измерения транспортных свойств твёрдых тел в магнитных полях (H - до 15 kOe, 77.4K T 360 K, I - до 3 А, U - до 600 V), работающая в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН. Автором была сделана постановка задач проведённых исследований, проведён ряд измерений транспортных свойств и намагниченности образцов в магнитных полях, проведён анализ полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем составляет 243 страниц, включая 97 рисунков. Список цитированной литературы состоит из 224 наименований.

Первая глава посвящена обзору литературных данных, посвящённых исследованиям МР - эффекта в гранулярных ВТСП, особое внимание уделено влиянию свойств сети джозефсоновских переходов на межгранульных границах. Приведены основные теоретические воззрения о механизмах диссипации в сверхпроводниках II рода, включая взаимосвязь критического тока и намагниченности, а также процессов релаксации намагниченности. В конце сделана постановка задачи, сформулирована цель работы и определены задачи исследования.

Во второй главе описаны методики приготовления образцов ВТСП, исследованных в данной работе, а также методики измерения.

Поликристаллические ВТСП (без добавок несверхпроводящего ингредиента) YBa₂Cu₃O₇, Y_3/4Lu_1/4Ba₂Cu₃O₇ (далее YBCO), Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_х, La_1.85Sr_0.15CuO₄ (далее BSCCO, LSCO соответственно) приготавливались стандартным методом твёрдофазного синтеза. На дебаеграммах YBa₂Cu₃O₇, Y_3/4Lu_1/4Ba₂Cu₃O₇, присутствуют только рефлексы от структуры 1-2-3. Для ВТСП Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_х рентгеноструктурный анализ показал, что доминирующей является фаза 2223; из анализа интенсивности рефлексов, доля фазы 2212 составляет менее 5%. Дебаеграмма La_1.85Sr_0.15CuO₄ также показала только рефлексы от данной структуры.

Композиты на основе ВТСП Y_3/4Lu_1/4Ba₂Cu₃O₇ были приготовлены методом, названным авторами "метод быстрого спекания", который заключается в 1). приготовлении исходных ингредиентов Y_3/4Lu_1/4Ba₂Cu₃O₇, BaPbO₃ и BaPb_0.75Sn_0.25O₃ (методом твёрдофазного синтеза); 2). совместном перетирании исходных компонентов, взятых в нужной пропорции; 3). отжиге при 910-930⁰С в течении 2-5 мин. (образцы помещаются в предварительно разогретую печь); 4) отжиге при 350-400⁰С (образцы перемещаются в другую печь, предварительно разогретую до указанной температуры, а затем, после отжига охлаждаются вместе с печью). Далее композитные образцы обозначены как YBCO + V X, где V - объёмное содержание несверхпроводящего ингредиента X. Дебаеграммы полученных композитов содержали рефлексы от исходных ингредиентов. Посторонних рефлексов обнаружено не было.

Текстурированные ВТСП Bi_1.8Pb_0.3Sr_1.9Ca₂Cu₃O_х + 30 Vol.% Ag (далее BSCCO + Ag) приготовлены из пористого ВТСП того же номинального состава путём одноосного прессования (при давлении до 500 МПа) в жидкой среде (этиловый спирт) [1]. Из анализа данных рентгеноструктурного анализа по методу Лотеринга определена степень текстуры P = 0.980.01, результаты сканирующей электронной микроскопии показали высокую степень текстуры данных образцов. Методика приготовления пористого ВТСП на основе висмута описана в [2].

Температура перехода Т_С, определённая из магнитных измерений, составила ? 92 K для YBa₂Cu₃O₇, ? 93.5 K для Y_3/4Lu_1/4Ba₂Cu₃O₇ и композитов на его основе, ? 108 K для BSСCO и текстурированных висмутовых ВТСП, и ? 35 K для LSCO.

Измерения транспортных свойств в магнитных полях проводились стандартным четырёхзондовым методом. Для проведения измерений была проведена следующая модификация установки Вибрационный магнетометр (ВМ) для транспортных измерений. Для изготовленной автором вставки-дьюара (В-Д), позволяющей изменять температуру образца от 4.2 до 360 К, изготовлено 2 соленоида - медный и сверхпроводящий (Nb-Ti), которые могли закрепляться на В-Д, а вся система В-Д + соленоид могла помещаться в транспортный гелиевый дьюар. Варьируя соленоиды можно получать поля до 7 kOe (возможное замороженное поле - до ~ 10 Oe), либо до 300 Oe (для медного соленоида). Кроме того, отработана методика измерения магнитосопротивления в полях до 65 kOe используя сверхпроводящий соленоид установки ВМ [3].

При непосредственном участии автора была создана новая автономная установка для измерения транспортных свойств твёрдых тел в магнитных полях до 15 kOe на основе электромагнита ФЛ-1 и В-Д. Система сбора данных основана на современных вольтметрах Agilent 34401A. Данные с вольтметров регистрируются на современную ЭВМ. В лаборатории Сильных Магнитных Полей была разработана программа сбора данных и управления температурой и полем на основе ЦАП ICP CON I-74 и указанных вольметров. Имеется возможность задавать скорость развёртки магнитного поля и температуры, а также стабилизации температуры с помощью ЭВМ. Транспортный ток через образец задаётся управляемым ЭВМ источником Keithley 2430. Погрешность измерения падения напряжения - 0.1 V. Погрешность измерения сопротивления - 10^-4-10^-5 (при транспортном токе 10^-3-10^-2 А). Диапазон изменения тока - до 3 А, напряжения - до 100 V; есть возможность использовать источник напряжения УИП-2 с выходным напряжением до 600 V, диапазон изменения температуры 77.4-360 К, есть возможность вращать магнит, т.е., изменять направление поля в ходе эксперимента. На установке были проведены тестовые измерения R(T), R(H) гранулярных ВТСП, манганитов (поликристаллов La_0.7Ca_0.3MnO₃ и монокристалла (La_0.5Eu_0.5)_0.7Pb_0.3Mn_0.3O₃). В пределах точности эксперимента данные совпали с данными, полученными на модификации установки ВМ и установке PPMS-6000 (Quantum Design).

В третьей главе приводятся результаты исследования МР эффекта в композитах на основе YBCO и несверхпроводящих ингредиентов (CuO, металлооксиды BaPbO₃, BaPb_0.75Sn_0.25O₃). Типичные результаты влияния внешнего поля на резистивный переход (зависимости (T) для образца YBCO + 30 CuO) показаны на рис.1. Резкое уменьшение сопротивления при Т_С = 93.5К (совпадающее со значением T_C из магнитных измерений) соответствует переходу ВТСП гранул, а вторая, плавная "ступень" (T) переходу сети слабых связей в композите. Характерной особенностью композитов является широкий температурный диапазон (десятки градусов) МР эффекта в полях до ~ 10² Oe. В "чистых" поликристаллах ВТСП эта область составляет единицы градусов [4]. Типичные зависимости (Н) при Т = 77.4 K, измеренные при различных плотностях транспортного тока j, приведены на рис.2. Для всех исследованных композитов наблюдалось совпадение прямого и обратного хода зависимостей (H) в полях Н 37 Oe. Если j < j_C (j_C - критическая плотность тока при H=0 по критерию 1V/cm), то существует участок, на котором 10^-6 cm. Начиная с некоторой величины Н_С (определяемой содержанием не-сверхпроводящего ингредиента в композите), имеет место нелинейная зависимость сопротивления от магнитного поля. В случае j j_C, зависимость (Н) начинает возрастать из начала координат. А при j > j_C магнитосопротивление начинает изменяться с некоторого значения (Н=0), и в этом случае зависимость (Н) линейна в диапазоне 0ч14 Oe. Величина d/dН на линейном участке зависимости (Н) может считаться чувст-вительностью удельного электро-сопротивления материала к магнитному полю. Значения d/dН композитов YBCO + 15CuO и YBCO + 30CuO составили 2.5 m cm/Oe (при j = 0.37 A/cm², I = 10 mA) и 17.5 m cm/Oe (при j = 0.032 A/cm², I = 1 mA) соответственно, что на несколько порядков превосходит подобные величины, получаемые на "чистых" ВТСП керамиках [5].

Важным техническим параметром, характеризующим МР эффект, является величина ₀ = ((H) - (H=0)) / (H=0). Для данных рис.2 (YBCO + 15CuO) при j > j_C в поле 37 Oe сопротивление увеличивается в ~7 раз относительно значения (Н=0), что соответствует ₀(H)100%=700 %. Значение r₀(H) зависит от транспортного тока; для извлечения этой зависимости были измерены ВАХ композитов при различных величинах внешнего поля. Из ВАХ были получены величины r_{_}(j)_{H = const} = [r(j)_{H = const} - r(j)_{H = 0}] / r(j)_H=0 как функции транспортного тока для области тока j > j_C. Значения r_{_}(j)_{H = const} в различных полях для композита YBCO + 15CuO, приведены на рис.3а. Величины r(j)_{H = 0}, т.е., удельного сопротивления при H = 0 (j > j_C) приведены на рис.3b. Отметим, что величины аппаратурного транспортного тока, необходимые для получения указанных значений r_{_} (рис.2,3) составляют единицы mA. Для получения подобных величин r_{_} и r(H) при T = 77.4K на "чистых" поликристаллах ВТСП необходимы на 2-3 порядка большие транспортные токи.

Указанные факты (значительное уширение резистивного пере-хода в магнитном поле, высокие значения резистивного отклика композитов, возможность "управления" относительным магнитосопротивлением транспортным током) дают потенциальную возможность практического применения этих материалов в качестве датчиков слабых магнитных полей, работающих при криогенной температуре, включая удобную для технических применений температуру жидкого азота. Причиной наблюдаемого значительного МР - эффекта является ослабление джозефсоновских связей на границах между ВТСП - гранулами благодаря внедрению несверхпроводящего ингредиента.

Исследования влияния взаимной ориентации внешнего магнитного поля и направления транспортного тока через образец на зависимости R(T), ВАХ и зависимости R(H) композитов показали, что 1). магнитосопротивление есть для обоих случаев: H || j и H j ; 2). при одинаковых внешних условиях (H = const, T = const) R_{H j} > R_{H || j} . Зависимость магнитосопротивления R() = U() / I от угла ( = H, j ) при фиксированных внешних условиях (T, I, H) приведены на рис.4. Зависимость R() = U() / I описывается функцией

R() = R_is + R_anis sin², (1)

где R_is - изотропная часть магнитосопротивления (R(H) при H || j), R_anis - зависящее от угла H, j магнитосопротивление, т.е. R_anis = R(H j) - R(H || j). Зависимость R ~ sin² была впервые предсказана в теории Бардина-Стефена (Bardeen-Stephen) [6] для процессов течения потока. Значит, в нашем случае при 77 K имеет место надбарьерное течение вихрей потока - flux flow в межгранульной среде. Отметим, что функциональная зависимость R() может быть полезна для конструирования датчиков слабых магнитных полей, регистрирующих не только величину, но и вектор магнитного поля.

Четвёртая глава посвящена анализу зависимостей R(T) во внешних полях и зависимостей R(H) композитов YBCO + 30 CuO, YBCO + 15 CuO, демонстрирующих значительный МР - эффект (III глава). В рамках классических теорий диссипации Кима - Андерсона [7] и Амбегаокара - Гальперина (АН) [8] анализировались участки зависимостей R(T), соответствующих диссипации в границах между ВТСП - кристаллитами (плавная часть на рис.1). В полях 10³610⁴ Oe и широком диапазоне температур диссипация описывается выражением, следующим из теории Кима-Андерсона:

R(T) ~ exp( - U(H) / kT) (2)

для случая классического крипа потока с температурно-независимым потенциалом пиннинга - см. рис.5a. В области полей до 10³ Oe экспериментальные данные не описываются зависимостью (2) (см. рис.5b), и для описания в рамках этой теории необходимо вводить дополнительный подгоночный параметр - показатель степени q (зависящий от внешнего поля) в температурной зависимости потенциала пиннинга, определяемой обычно в виде U(T) = (1-T/T_C)^q.

Однако в области слабых полей (до ~ 10² Oe) зависимости R(T) удовлетворительно описываются в рамках теории AH, рассматривающей влияние тепловых флуктуаций на ВАХ джозефсоновских переходов. Как показал Тинкхам [6], применительно к сети джозефсоновских переходов в гранулярном ВТСП джозефсоновская энергия связи E_J(T)= I^*_C(T)/e (I^*_C - критический ток в отсутствии тепловых флуктуаций) однозначно сопоставляется с энергией пиннинга Up(T). На рис.6 приведены типичные результаты обработки экспериментальных зависимостей R(T) в магнитных полях по модели AH [8], согласно выражению для случая I << I^*_C :

R = R_N{I₀( / 2)}^-2 (3)

(где R_N - "нормальное" сопротивление сети джозефсоновских переходов - величина R, соответствующая плавной части R(T), = Up(T) / kT). Подгоночным параметром служит величина Up(0K), а в качестве зависимости Up(T) взята классическая зависимость критического тока туннельного контакта Амбегаокара-Баратова [9]. Такой выбор основан на том, что в исследованных образцах YBCO + CuO несверхпроводящий ингредиент формирует диэлектрические прослойки между ВТСП - кристаллитами. Значения энергии пиннинга при T = 0K от величин внешнего поля для образцов YBCO + CuO представлены на рис.7. Результаты обработки зависимостей R(Т), а также различные функциональные зависимости Up(H) в диапазонах внешнего поля H ? 10² Oe и H > 10³ Oe (рис.7) указывают на то, что в полях до ~ 10 ² Oe диссипация в сети джозефсоновских переходов происходит по сценарию модели AH, в сильных магнитных полях, больших ~ 10³ Oe наблюдается поведение, характерное для классического крипа магнитного потока, а в промежуточной области 10²10³ Oe происходит смена механизмов диссипации.

В рамках модели АН координатная функция Up - периодическая, а для модели К-А нет строгих ограничений центров пининнга друг относительно друга, поэтому вывод о смене механизмов диссипации с ростом внешнего поля представляется логичным. Была также проведена обработка изотерм R(H) образцов YBCO + CuO в области высоких температур (77-83К) и слабых полей (до 10² Oe), где исследованные материалы демонстрируют наибольший МР эффект. Полученные значения (Н) ( < 10) свидетельствуют о том, что наблюдаемый в слабых магнитных полях значительный МР эффект в композитах вызван процессами течения вихрей (flux creep) в межгранульной среде, что коррелирует с результатами III главы.

В пятой главе развита модель гистерезисного поведения магнитосопротивления R(H) гранулярного ВТСП во внешнем магнитном поле и приведены результаты экспериментов по исследованию гистерезисных зависимостей R(H) различных гранулярных ВТСП - систем.

Можно упрощённо представить гранулярные ВТСП как двухуровневую сверхпроводящую систему [10]: ВТСП - кристаллиты с сильной сверхпроводимостью и межкристаллитные границы, формирующие слабые связи джозефсоновского типа. Практически всегда выполняются соотношения j_CJ << j_CG (индексы J и G здесь и далее относятся к джозефсоновской среде и гранулам соответственно), j << j_CG, H << H_C2G. Поэтому если гранулярный ВТСП обладает ненулевым электросопротивлением, то вся диссипация как в присутствии внешнего магнитного поля, так и без него, происходит только в джозефсоновской среде. Поле, большее H_C1J (значения H_C1J составляют величины порядка ~ 10⁰ Oe или меньше [11]), проникает в систему межкристаллитных границ в виде гипервихрей или джозефсоновских вихрей [11,12]. Вначале упростим вышеупомянутую двухуровневую систему, считая, что пиннинг в джозефсоновской среде пренебрежимо мал и магнитный поток захватывается только внутри сверхпроводящих гранул (при H > H_C1G ~ 10¹10² Oe [13,14]). Примем также, что и вклад межгранульных границ в диамагнитный отклик образца пренебрежимо мал. В этом случае при H > H_C1J на каждую точку джозефсоновской среды действует локальное поле B_local(r) - векторная сумма внешнего поля H и поля B_ind, индуцированного диамагнитным откликом гранул, окружающих данную точку:

B_local(r) = H + B_ind(r) = H + 4M^*_G K(r) , (4)

(K(r) определяет направление поля B_ind, индуцированного магнитными моментами соседних гранул; величина K(r) зависит от расположения и формы гранул, окружающих данную точку, М^*_G - эффективный магнитный момент гранул ВТСП, соседних с данной точкой межгранульной границы). Свяжем величину усредненных по пространству межгранульных границ индуцированных полей с магнитным моментом образца. На рис.8 схематично показаны линии магнитной индукции B_ind в области границ, возникшие от диамагнитного отклика ВТСП гранул при H j с учётом знака М - рис.9. На рис.9 показан типичный вид гистерезисной зависимости магнитного момента М(Н) ВТСП - образца от внешнего поля. В случае, когда внешнее поле убывает, H = H, и значение H достаточно далеко от H_max, величина М принимает положительные значения (такое поведение описывается моделью критического состояния [15] или её модификациями). Эффективное поле B_eff, в области межгранульных границ определяется усреднением локальных полей B_local (4) по всем границам, через которые туннелируют носители. С учётом знака М(Н) (рис.8,9) можно записать:

B_eff = <B_{i local}> = H - 4 M(Н) (Н). (5)

возникает при усреднении K(r) в (4). В выражении (5) B_eff - скалярная величина, поскольку магнитосопротивление определяется модулем B_eff.

Рис.8. Схематическое представление гранулярного ВТСП во внешнем поле H. Сверхпроводящие гранулы - овалы, фон - межгранульные границы. j - направление плотности транспортного тока, j H. а - внешнее поле возрастает (H = H), b - внешнее поле убывает (H = H) после приложения некоторого поля H_max. M_G - магнитный момент гранул ВТСП, на рис.b показан случай, когда M(H) принимает положительные значения (рис.9). M_J - магнитный момент от джозефсоновской среды; |M_J| << |M_G|. Пунктиром показаны линии напряжённости магнитной индукции в межгранульной среде, индуцированной магнитным откликом ВТСП гранул.

Поскольку R ~ B_eff, то выражение (5) объясняет известный гистерезис R(H) гранулярных ВТСП ввиду гистерезиса М(Н): действительно, если |M(H)| > |M(H)| (см. рис.9), B_eff(H) > B_eff(H) (в случае H = H индуцированное поле B_ind || H - см. рис.8), а поскольку R ~ B_eff , значит R(H) > R(H). В случае учёта пиннинга в межгранульной среде выражение для эффективного поля усложнится:

B_eff = H - 4 M_G(Н) (Н) + М_J(H, j) . (6)

Здесь M_J - магнитный момент от джозефсоновской среды (рис.8). Согласно представлениям о поведении вихрей в сверхпроводнике в случае протекания транспортного тока в присутствии магнитного поля, ток, больший критического, кардинально изменяет профиль координатной функции потенциала пиннинга [16]. Поэтому M_J будет функцией транспортного тока, и если пиннинг в джозефсоновской среде значителен, то можно ожидать, что транспортный ток будет влиять на эффективное поле B_eff в джозефсоновской среде.

Равенство сопротивлений в полях H и Н , R(H) = R(Н), означает равенство эффективных полей в этих точках : B_eff(H) = B_eff(Н). В случае когда пиннинг в джозефсоновской среде и вклад в магнитный момент образца от неё малы, из (5) получим :

B_eff(H) = H - 4 M(H) (Н),

B_eff(Н) = H - 4 M(H) (Н). (7)

Из (7) получим параметр - полевую ширину гистерезиса магнитосопротивления Н = Н - H (при R = const):

H_R=const = H - H = 4 (M(H) (Н) - M(H) (Н)). (8)

Видно, что параметр Н_R=const зависит только от намагниченности и не зависит от транспортного тока. Для случая, когда закрепление вихрей в джозефсоновской среде может дать заметный вклад в локальные поля (4), из уравнения (6) получим :

H_R=const = H - H = 4 (M_G(H) (Н) - М_J(H, j)) -

- 4 (M(H) (Н) - М_J(H, j)).

В этом случае ширина гистерезиса магнитосопротивления должна зависеть от транспортного тока ввиду зависимостей M_J(H,j).

Были проведены измерения гистерезисных зависимостей R(H) следующих гранулярных ВТСП - систем: 1). композиты YBCO + CuO, YBCO + BaPbO₃ (при T = 4.2 K, H_max (максимальная величина введённого поля) = 1.0, 2.0.., 7.0 kOe, T = 77.4 K, H_max = 220 Oe); 2). YBa₂Cu₃O₇ (T = 77.4 K, H_max = 220, 250 Oe, 1700 Oe), 3). BSCCO T = 77.4 K, H_max = 220, 250 Oe), 5). LSCO (T = 4.2 K, H_max = 2.0, 3.0.., 6.0 kOe), 6). текстуры BSCCO + Ag (T = 77.4 K, H_max = 250, 1600 Oe). В большинстве случаев значения транспортного тока варьировались на порядок и более, и исследованы случаи как I < I_C(H=0), так и I > I_C(H=0). Типичные гистерезисные зависимости R(H) приведены на рис.10. На этом рисунке показан пример определения параметра Н при H_max = 7 kOe, Н = Н = 5 kOe. Видно, что при указанных параметрах Н (длина горизонтального отрезка на рис.10) не меняется от величины транспортного тока.

Рис.10. Гистерезисные зависимости R(H) образца YBCO + 30CuO при различных значениях I (2, 4, 7, 10 mA - снизу вверх) и различных величинах H_max = 1, 2,… 7 kOe при T = 4.2 K. Зависимости R(H) (поле возрастает) показаны закрытыми символами, а зависимости R(H) (поле убывает) - открытыми символами. Каждое измерение для нового значения H_max и I проведено после снятия магнитной предыстории. Штриховые линии поясняют определение значения полевой ширины гистерезиса H_R=const = H - H при H = 5 kOe. В этом случае при H_max = 7 kOe величина H(H = 5 kOe) 4 kOe для всех зависимостей R(H) на этом рисунке).

Рис.11. Полевая ширина гистерезиса магнитосопротивления H = H - H при R = const (транспортный ток 2ч10 mA ) в зависимости от значений H для данных R(H) рис.10.

Зависимости Н от Н при различных H_max и I для данных рис.10 приведены на рис.11. Видно, что имеет место независимость предложенного параметра - полевой ширины гистерезиса от транспортного тока (при одинаковых внешних условиях - H_max, T). Подобные результаты были получены для всех указанных выше ВТСП - систем.

Такое поведение свидетельствует о том, что доминирующим механизмом формирования гистерезиса зависимости R(H) классических гранулярных ВТСП - систем является влияние захвата потока в сверхпроводящих гранулах, а влияние захвата потока в межгранульной среде несущественно для гистерезиса R(H). Введённый параметр - полевая ширина гистерезиса определяется магнитным моментом материала (выражение (8)) и характеризует внутригранульный пиннинг.

Развиваемая в работе модель гистерезисного поведения магнитосопротивления предсказывает анизотропию гистерезиса R(H) для текстурированных ВТСП. Были исследованы зависимости R(H) текстуры BSCCO + Ag при T = 77.4 K и ориентациях H || c - оси кристаллитов Bi2223 и H с; направление тока j || с.

Отметим интересную особенность, наблюдающуюся на зависимостях R(H) исследованных текстур. При плотностях транспортного тока, сравнимых с j_C(H=0), зависимости R(H) демонстрируют резкий рост в слабых полях, затем тенденцию к насыщению и смену знака кривизны при ~ 2 kOe и ~ 4 kOe для направлений поля H || c и H || a-b соответственно, после чего наблюдается рост магнитосопротивления. При малых значениях j смены знака кривизны зависимостей R(H) не наблюдается. Такое поведение позволяет охарактеризовать режимы диссипации в данной системе следующим образом. В диапазоне H < 2 kOe для H || c и H < 4 kOe для H || a-b диссипация происходит в межкристаллитных границах; в диапазоне H > 2 kOe для H || c и H > 4 kOe для H || a-b диссипация происходит в сверхпроводящих кристаллитах Bi2223, однако если при малых значениях j процессы диссипации в межкристаллитных границах также имеют место в указанном диапазоне, то при j ~ j_C(H=0) резистивный отклик от подсистемы межкристаллитных границ близок к насыщению. Последнее проявляется в смене знака кривизны R(H) в окрестности указанных величин Н.

Рассмотрим поведение R(H) в области полей, в которой диссипация происходит только в подсистеме границ. В работе были получены данные, что при T = 77.4 K магнитный гистерезис наблюдается в диапазонах до 1800±100 Oe при H || c и 3800±200 Oe при H || a-b, а гистерезис R(H) имеет место в диапазонах до 1750 ± 150 Oe для H || c и до 3600±200 Oe для H || a-b, т.е., получено дополнительное подтверждение развиваемой модели, в которой гистерезис магнитосопротивления вызван только влиянием магнитных моментов ВТСП - гранул на эффективное поле в межгранульной среде.

На рис.12 приведены гистерезисные зависимости R(H) и M(H) при указанных выше ориентациях. Имеет место следующая корреляция параметров R(H) и M(H): в диапазоне слабых магнитных полей R(H || c) > R (H || a-b), M(H || c) > M (H || a-b) а в полях Н > 400 Oe R(H || c) < R (H || a-b), M(H || c) < M (H || a-b). Подобный характер анизотропии намагниченности висмутовых текстур на основе ВТСП известен [17], анизотропия гистерезиса R(H) была обнаружена впервые. Принимая во внимание, что R ~ B_eff из (7) получаем при H = H :

R(H) = R(H) - R(H) ~ |B_eff(H)| - |B_eff (H)| ~ |M(H)| - |M(H)|. (9)

Следовательно, R(H) ~ M(H), что и наблюдается в эксперименте (рис.12).

Рис.12. Гистерезисные зависимости R(H) (а) и М(Н) (с) текстурированного образца Bi2223 + Ag при различных ориентациях внешнего поля и кристаллографических осей кристаллитов Bi2223. Стрелки показывают направление изменения Н. На (b) и (d) разница R(H) = R(H) - R(H) и M(H) = |M(H)| - |M(H)| для данных (а) и (b) соответственно.

В шестой главе приводятся результаты исследования временной эволюции электросопротивления R(t) различных гранулярных ВТСП (композиты на основе YBCO, "чистые" YBCO, BSCCO) во внешних магнитных полях включая случай H = 0 (т.е., релаксацию остаточного сопротивления R_rem после воздействия внешнего поля).

Рассмотрим поведение R(t) при H = const. Измерения были проведены для образцов YBCO + 22.5 CuO (T = 4.2 K, H = 3, 4.5 kOe, H = 4.5, 3.0, 0.5, 0 kOe, H_max = 7 kOe), YBCO, BSCCO (T = 77.4 K, H = 100, 150 Oe, H = 150, 100, 30, 0 Oe, H_max = 250 Oe). Из измерений R(t) H = const в работе было получено экспериментальное подтверждение того, что 1). при возрастании, а затем остановке внешнего поля (H = const) магнитосопротивление релаксирует (уменьшается со временем), 2). после ввода поля до некоторого максимального значения H_max, а затем уменьшения и установке внешнего поля (H = const) магнитосопротивление возрастает со временем, и 3). в полях, меньших поля, при котором зависимость R(H) демонстрирует минимум (см. рис.10), зависимость R(t) вновь уменьшается со временем. Естественно, что наблюдаемое поведение релаксационных процессов не противоречит общему подходу к гистерезисным явлениям, как проявлению метастабильного состояния системы. Тем не менее, перечисленные особенности, в том числе смена характера эволюции зависимостей R(t) на ветви обратного хода зависимости R(H) (экспериментально зафиксированная, по-видимому, впервые) объясняются в рамках предложенной в работе модели гранулярного ВТСП (глава V). Временная эволюция магнитосопротивления R(t) определяется временной зависимостью эффективного поля B_eff(t). Перепишем (7) в виде: