CC BY
15
УДК 537.312.62
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПРОВОДИМОСТИ ШСеСиО НА ВЕРХНЕЕ КРИТИЧЕСКОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Нс2
Н. П. Шабанова, В. С. Ноздрин, С. И. Красносвободцев, В. А. Дравин,
А. И. Головашкин
На основе исследований температурной зависимости верхнего критического магнитного поля НС2(Т) вблизи критической температуры Тс рассмотрена проблема отсутствия его чувствительности к рассеянию и изменению параметров электронной структуры высокотемпературного сверхпроводника NdCeCuO. Показано, что вклад рассеяния в изменение Нс2 в результате ионного облучения несущественен. При этом отсутствие изменения наклона —¿НС2/(1Т с точки зрения микротеории можно объяснить взаимно компенсирующим изменением параметров электронной структуры.
Исследования верхнего критического магнитного поля пленок высокотемпературного сверхпроводящего соединения ЫдСеСиО, подвергнутых ионному облучению, показали отсутствие классического роста Нс2 [1], обычно связываемого с увеличением рассеяния электронов на внесенных радиационных дефектах [2]. Если полагать, как утверждается в [3], что ионное облучение приводит к росту рассеяния при сохранении электронной структуры, то этот результат ставит под сомнение применимость микротеории (например, теории Гинзбурга - Ландау - Абрикосова - Горькова) к ВТСП. В работе [1] было сделано предположение, что такое поведение Н& связано со слабым изменением рассеяния при ионном облучении.
В настоящей работе исследуется механизм изменения Нс2 и удельного сопротивления при изменении кислородного содержания, соотношения Л^/Се и ионном облучении пленок ЫдСеСиО. Рассматривается роль рассеяния и параметров электронной структуры.
Исследовались эпитаксиальные пленки .Л/"^1-85Се0 ^СиО^-в и Л^ ^СеолзСиС^-г, ориентированные осью с перпендикулярно поверхности подложки [4]. Облучение пленок ионами Не+ с энергией 200 кэВ проводилось при комнатной температуре и при тем пературе кипения жидкого азота на ионном ускорителе. Температурная зависимость Нсъ(Т) определялась по температурному сдвигу резистивного сверхпроводящего пере хода в перпендикулярном пленке магнитном поле [5].
Исследования пленок, подвергнутых облучению при комнатной температуре, пока зал и, что даже при малых дозах облучения происходит сильный рост величины удель ного сопротивления и наклона его температурной зависимости ¿р/(1Т в нормальном состоянии (рис. 1). При этом отношение сопротивлений при комнатной температуре к сопротивлению перед сверхпроводящим переходом 7 остается практически неизменным.
Если облучение приводит только к возникновению рассеивающих центров, то для многократного увеличения удельного сопротивления при дозах 1013 — 1014 см~2 необходим материал изначально с уникально низкой концентрацией дефектов [6]. Это представляется маловероятным поскольку даже лучшие эпитаксиальные пленки ВТСП не являются идеальными монокристаллами. К тому же, при неизменной электронной структуре наклон ¿р/с1Т должен сохраняться. Действительно, в обычных сверхпроводниках облу чение приводит к росту остаточного сопротивления при сокращении длины свободного пробега электронов из-за рассеяния на дефектах. При слабом изменении электронно): структуры с1р/(1Т меняется незначительно, а отношение сопротивлений 7 снижается (рис. 2).
Таким образом, рост удельного сопротивления и наклона его температурной зависимости в результате облучения даже малыми дозами указывают на существенные изменения электронной структуры N¿СеСиО.
Известно, что небольшое уменьшение кислородного содержания в ВТСП относитель но оптимального ведет к значительному уменьшению числа носителей [7]. Поэтому даже малое число радиационных вакансий по кислороду способно вызвать сильное снижение концентрации носителей. Наблюдавшееся значительное уширение индуктивного перехода при повышении дозы свидетельствовало о возрастающей неоднородности пленок. По-видимому, ионная бомбардировка стимулирует выход и перераспределение относительно слабосвязанного кислорода в решетке. Для минимизации этих эффектов и по вышения радиационной устойчивости (достижения большей дозы до потери сверхпро водимости) с целью создания большей концентрации центров рассеяния температура образцов во время облучения была снижена до 77 К.
Скорость деградации критической температуры пленок N ¿СеСиО в результате облучения при комнатной температуре хорошо согласовывалась с литературными данными [2]. Понижение температуры образцов до 77 К позволило более чем на порядок увеличить дозу, при которой еще сохранялась сверхпроводимость. Улучшилась объемная однородность пленок по сравнению с облученными без охлаждения, о чем свидетельствует слабое уширение индуктивного прехода. При этом характер изменения температурной зависимости удельного сопротивления при облучении остался неизменным (см. рис. 1).
Охлаждение образцов позволило повысить дозы облучения почти до 10'' см~2. Для достаточно чистых сверхпроводников такое количество радиационных центров рассеяния оказывается достаточным для заметного изменения верхнего критического магнитного поля НС2 вблизи Тс [6]. Однако в случае N ¿СеСиО мы не обнаружили изменений наклона из-за рассеяния. По-видимому, рост Нс2 с повышением концентрации рассеива ющих центров пренебрежимо мал по сравнению с эффектом от изменения электронной структуры Аг ¿СеСиО.
Действительно, даже в случае грязного сверхпроводника, когда Нс2 наиболее сильно зависит от длины свободного пробега, величина верхнего критического поля чувствительна и к изменениям электронной структуры, так что —с1Нс2/с1Т ~ p(N,^)N(0) [2, 6]. Здесь удельное сопротивление является функцией концентрации электронов проводимости N и длины свободного пробега I. Причем, в отличие от обычных сверхпроводников, где основной вклад вносит изменение /, в данном случае определяющую роль играет изменение концентрации и плотности электронных состояний на уровне Ферми N(0). Согласно [8], такие изменения имеют место в N¿СеСиО при отклонении кислородного состава от оптимального. Как показывают настоящие исследования, верхнее критическое магниное поле Ясг(Т) облученных пленок N ¿СеСиО меняется так же, как в результате изменения кислородного состава и соотношения атомов N(1 и Се (рис. 3).
Однако остается непонятным, почему не меняется наклон температурной зависимости НС2{Т) при сильном изменении электронной структуры. В представлениях микротеории в общем случае верхнее критическое магнитное поле определяется изменением электронных характеристик, так что —¿На/йТ ~ аТс/(ь2) -+- /Зр№(0), где V - средний по поверхности Ферми квадрат скорости Ферми, а и /3 - численные коэффициенты [2]. Одним из возможных объяснений такого поведения верхнего критического магнитного поля может быть предположение, что изменения слагаемых взаимно компенсируют друг друга вследствие особенностей электронной структуры МйСеСиО. Если окажет-
р, МКП" ""
р, мкОм-см
300
200
400
100
0
О
100 200 300
т, к
100 200 300 5 10 15 20
25
Т, К
т, К
Рис. 1. Температурные зависимости удельного сопротивления эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника N¿х ^Се^ ^СиО^б, облученных различными дозами ^ ионов Не+. 1 - Г = 0, ¿8 - Г = 1 • Ю13 см'2, 3 -Г = 1 • 1014 см'2.
Рис. 2. Температурные зависимости удельного сопротивления пленок сверхпроводника МЬС, облученных различными дозами .Г ионов Не+. 1 - Г = О, 2-Е — 3 • 1014сл<~3 Г = 1.5 ■ 1015 см~2.
Рис. 3. Температурные зависимости верхнего критического магнитного поля Нс2 эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника N¿СеСиО с различным содержанием кислорода и редкоземельных элементов и облученных различными дозами ионами Не+. (о,о) - пленки [Се] = 0.15 с различным кислородным содержанием, (о) - пленка [Се] = 0.13, (•,о) - пленки [Се] = 0.15, облученные различными дозами Р ионов Не+. 1 - Г = 1 • 101"1 см~~, 2 - Г = 1 • 1014 см~2, 5 - Г = 3 ■ 1014 см'2, 4 - Г = 1 ■ 1015 см~2 (облучалась при 77 К), - [Се] = 0.15 с недостатком и избытком кислорода по работе [7].
ся, что наклон —¿Н^/йТ других ВТСП также нечувствителен к глубоким изменениям в системе электронов проводимости, это поставит под сомнение справедливость обычных представлений микротеории для высокотемпературных сверхпроводников.
Работа выполнена при поддержке Научного совета РНТП Актуальные направления физики конденсированных сред, направление Сверхпроводимость, грант N 98027 и Рос сийского фонда фундаментальных исследований.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Красносвободцев С. И., Шабанова Н. П., Ноздрин В. С., Головашкин А. И. ФТТ, 41, 1256 (1999).
[2] Ш а б а н о в а Н. П., Красносвободцев С. И., Ноздрин В. С., Головашкин А. И. ФТТ, 38, 1969 (1996).
[3] Woods S. I. et al. Phys. Rev. В, 58, 8800 (1998).
[4] H о з д p и н В. С. и др. Письма в ЖТФ, 22, 1 (1996).
[5] К г a s п о s v о b о d t s е v S. I. et al. Physica С, 282-287, 1291 (1997).
[6] S h a b a n о v a N. P. et al. Czech. J. Phys., 46, 853 (1996).
[7] H e r r m a n n J. et al. Phys. Rev. B, 54, 3610 (1996).
[8] M а г s h a 1 1 D. S. et al. Phys. Rev. Lett., 76, 4841 (1996).
Поступила в редакцию 12 ноября 1999 г.
