CC BY
15
УДК 535.33; 539.2
МОДУЛЯЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРЫ
NbC И Nb3Sn
А. М. Герасимов, А. И. Головашкин, А. П. Короткое, А. Л. Шелехов
Разработана комплексная автоматизированная оптическая установка, позволяющая проводить измерения спектров образцов с металлической проводимостью как термомодуляционным, так и \-модуляционным методами С помощью этой установки получены модуляционные спектры образцов NbC и NbsSn, отражающие их сложную электронную структуру.
Изучение оптических свойств металлических соединений позволяет делать определенные выводы об их электронной структуре. Интерес к соединениям ниобия связан с тем, что среди них имеется довольно много сверхпроводников с относительно высок: ми критическими температурами Тс, достигающими 24 К (Nb3Ge) [1]. Электрон и структура ряда ниобиевых соединений также необычна. Так, в ниобиевых сое;; и ниях с решеткой типа А15, имеющих общую форму Nb3X, к которым принадлежи iNb^Sn, имеется пик плотности электронных состояний N(E) вблизи энергии Ф< ми Ef [2]. Считается, что высокие Тс соединений А15 связаны именно с их высокой плотностью электронных состояний на поверхности Ферми N(Ep). В сверхпрово щих карбидах, к которым принадлежит NbC, напротив, наблюдается довольно низко, отношение N(Ep)/Tc■ В каком-то смысле такие материалы являются подлинными вы сокотемпературными сверхпроводниками, т.к. на зависимости Тс от N(Ep) их крш иче-ские температуры выделяются над средним уровнем, т.е. их Тс превосходят величины критических температур других сверхпроводников с близкими значениями N(Ep-).
Одним из наиболее перспективных методов для получения электронных xap¡t ь. ристик и особенностей электронной структуры является модуляционный оптм чо метод [3]. Этот метод позволяет изучать тонкие особенности спектров металлов и единений, определяя производную коэффициента отражения по параметру модуля!
В качестве параметра модуляции может выступать как внутренний параметр образ ца (температура Г), так и внешний параметр (длина волны излучения Л). Каждый вариант модуляционной методики имеет свои преимущества и недостатки. В целом же модуляционные методики позвволяют существенно повысить точность и разрешающую способность оптических измерений.
В настоящей работе на модернизированной автоматической установке, созданной в лаборатории сверхпроводимости ФИ АН [4], получены модуляционные спектры соединений УУЬС и АГЬзбп.
Как известно, модуляционный спектр представляет собой частотную зависимость производной логарифма оптической характеристики по какому-либо параметру. На таком спектре более отчетливо проявляются спектральные особенности исследуемой характеристики. Особенный интерес представляют модуляционные спектры отражения, т.е. такие, где исследуемый оптической характеристикой является коэффициент отражения света или Л(\). Здесь ш - круговая частота излучения. В этом случае
модуляционный спектр отражения определяется выражением
ЛпД(и;) 1 Щи)
= ¿в = ди м (1)
или
Л пД(А) 1 сШ(А)
рх = = ш( }
где в - модулируемый параметр (Т,А,и>).
Как уже было сказано, каждый вид модуляции имеет свои достоинства и недостатки. Модуляция по температуре (или термомодуляция) достаточно хорошо работает в тех случаях, когда коэффициент отражения сильно зависит от температуры. Метод модуляции длины волны излучения (А-модуляция) позволяет выделять особенности, связанные с наличием широких полос поглощения, что типично для многих металлов и металлических соединений. Как правило, такие полосы относительно слабо зависят от температуры. В случае наличия сложных, перекрывающихся полос поглощения в спектре необходимо применять оба варианта модуляционного метода.
Наши измерения проводились на комплексной автоматизированной оптической модуляционной установке, позволяющей модулировать как температуру, так и длину волны излучения. Оптическая схема установки приведена на рис. 1. Свет от источника Я (положение 1) или й1' (положение 2), пройдя через систему зеркал попадает на входную щель монохроматора. В положении 1 свет проходит мимо образца О, который
находится в стороне. В положении 2 свет отражается от образца (положение образца О'). Оптические пути одинаковы в обоих положениях (за исключением дополнительного отражения от исследуемого образца в положении 2). Это позволяет определи гь абсолютное значение коэффициента отражения.
Рис. 1. Оптическая схема модуляционной установки. 0,0' - столик с образцом; 5,5' источник излучения; Zl,Z'1,Z2,Z3 - зеркала; гп - колеблющееся зеркало; МДР - монохромато; МДР-3; ФП - фотоприемник; <1 - дифракционная решетка.
Рис. 2. Термомодуляционный спектр образца МЬС.
Модуляция длины волны излучения осуществляется с помощью колеблющегося зор кала т, находящегося внутри монохроматора непосредственно перед выходной щелью. Модуляция температуры осуществляется специальным нагревателем, встроенным в держатель образца и питаемым переменным током низкой частоты (на рис. 1 не показан). На выходе из монохроматора свет поступает на фотоприемник, сигнал с котор' го после усиления и детектирования поступает в электронную систему обработки рез\ татов. Более подробное описание установки см. в [4]. Одним из основных достоит р* нашей установки является возможность проводить измерения спектров отражения
модуляционных спектров образцов с металлической проводимостью. Электронная схема системы автоматизации установки также более подробно описана в [4]. Установка работает в комплексе с персональной ЭВМ, используемой как для автоматизации эксперимента, так и для обработки спектров.
Измерения модуляционных спектров выполнены для пленок NbC и Nb3Sn при комнатной температуре. Пленки ЫЬС наносились на полированные сапфировые подложки методом реактивного лазерного испарения [5]. Пленки имели удельное сопротивление р & 120 мк Ом • см при комнатной температуре. Температура перехода в сверхпроводящее состояние составляла около 12 К. Пленки Абзйп получены методом электроннолучевого испарения [6] на полированных рубиновых подложках. Толщина пленки сплава составила 0.25 мкм, площадь - 50 мм2. Температура перехода в сверхпроводящее состояние составляла 17.8 К.
Для МЬС был получен термомодуляционный спектр отражения,/, для NbзSn - Л-модуляционный спектр.
Рис. 3. Х-модуляционный спектр образца МЬ^Бп.
На рис. 2 приведен термомодулированный спектр образца МЬС в интервале 0.6 3.62 эВ. Видна довольно сложная структура спектра. На спектре отчетливо проявляются особенности, соответствующие полосам поглощения при Кио = 1.0 эВ и 3.4 эВ (К постоянная Планка, ш = 2пс/Х, с - скорость света). Наблюдается тонкая структура в спектре в областях 0.7 эВ и 2.9 эВ, а также смена знака в районе 1.8 эВ.
На рис. 3 показан Л-модуляционный спектр образца NbзSn в интервале длин волн 5500 - 10 ООО А (1.25 — 2.25 эВ). На спектре выделяются особенности, соответствую-
о
щие перекрывающимся широким полосам поглощения в области длин волн 6500 А • 9000 А (энергии 1.9 эВ и 1.4 эВ). Анализ этого спектра показывает, что существуй дополнительные полосы поглощения как в области более низких, так и более высоких частот.
Полученные спектры демонстрируют возможности модуляционной методики и ■ зданной оптической установки [4]. Спектры этих соединений ниобия представляю: мостоятельный интерес. Результаты их обработки будут опубликованы дополни гель
Таким образом, разработана комплексная автоматизированная оптическая устанон ка, позволяющая проводить измерения спектров образцов с металлической проводимостью как термомодуляционным, так и А-модуляционным методами. С помощью установки получены модуляционные спектры образцов ЫЬС и тУбз^п, отражающие их сложную электронную структуру.
Авторы выражают благодарность С. И. Красносвободцеву и Е. В. Печеню за предоставленные образцы для измерений.
ЛИТЕРАТУРА
[1]Головашкин А. И., Печень Е. В., Скворцов А. И., X л ы б о в а Н. Е. ФТТ, 23, 1324 (1981).
[2] Тестарди Л., В е г е р М.,Гольдберг И. Сверхпроводящие соединения со структурой /^-вольфрама, М., Мир, 1977; Головашкин А. И., Кузнецова Т. И. Препринт ФИАН N 156, М., 1978; Головашкин А И., П е ч е н ь Е. В.,
Шабанова Н. П. ЖЭТФ, 82, 850 (1982).
[3] К а р д о н а М. Модуляционная спектроскопия. М., Мир, 1972.
[4] Головашкин А. И., Кузнецов Г. И., Шелехов А. Л. Препринт ФИАН, М., 1999 (в печати).
[5] Г о л о в а ш к и н А. И. и др. ФТТ, 28, 3342 (1986).
[6] Головашкин А. И., Левченко И. С., Мотулевич Г. П. ФММ, 33, 1213 (1972).
Поступила в редакцию 9 июля 1999 г
