Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте физические методы получения тонких ВТСП пленок.

2. В чем заключается суть метода магнетронного получения ВТСП пленок?

3. Охарактеризуйте химические методы получения тонких ВТСП пленок.

4. В чем заключается методы пиролиза и термолиза?

5. Как получают толстые ВТСП пленки?

6. Как влияет материал подложки на качество пленки?

7. Назовите материалы подложки для различных пленок.

2.5. Основные свойства сверхпроводников

В этом разделе мы рассмотрим основные свойства высокотемпературных сверхпроводников. В главе 1 мы останавливались на особенностях, которые отличают такие сверхпроводники от классических, низкотемпературных (п. 1.7). В данном разделе будут более подробно рассмотрены электрические и магнитные параметры обычных и пленочных ВТСП материалов, мы приведем справочные данные о свойствах наиболее популярных сверхпроводников, оценим технологические параметры, влияющие на состояние сверхпроводников.

2.5.1. Переход металл-изолятор

По своим электрическим свойствам оксидные ВТСП лежат в сравнительно небольшой области фазовой диаграммы, близкой переходу металл-изолятор (рис. 2.15). На рисунке показаны диаграммы электрических и магнитных свойств ВТСП в зависимости от состава и температуры.

Рис. 2.15. Фазовые диаграммы магнитных и электрических свойств для различных сверхпроводников: AF– антиферромагнитное состояние;SC– сверхпроводящее состояние;I– изолятор;M– металл

Варьируя состав ВТСП, легко перевести их из сверхпроводящего в диэлектрическое состояние. На фазовой диаграмме температура – состав сверхпроводящее состояние возникает на грани перехода металл – изолятор. При достаточно низких температурах можно реализовать переход изолятор – сверхпроводник, минуя металлическую фазу.

Из сказанного можно сделать вывод об информативности такого параметра как удельное сопротивление материалав нормальном состоянии (рис. 2.16). Если это сопротивление велико и близко к сопротивлению диэлектрика, то переход в сверхпроводящее состояние маловероятен. Такая оценка является недостаточной, но позволяет оценить перспективность материала для ВТСП на практике.

Рис. 2.16. Зависимость электропроводности YBa₂Cu₃O_x от содержания кислорода.Т=100 К

2.5.2. Терморезистивные характеристики

Рассмотрим температурные зависимости электросопротивления ВТСП материалов для различных составов – терморезистивные характеристики (ТРХ). Рассмотрение начнем с диэлектрических областей фазовых диаграмм – левее границы графиков (рис. 2.15). Это состояние реализуется либо при уменьшении содержания кислорода в Y-123, либо гетеровалентным замещениемLa³⁺наSr²⁺вLa₂Cu₂O₄, либо замещениемCa²⁺наY³⁺вBi-2212 и т.д. Необходимо отметить, что изовалентное замещение как на магнитные, так и на немагнитные ионы дает совершенно разные результаты в зависимости от того, где находится замещаемый ион : в медь – кислородном слое или вне его. В первом случаеТ_Спадает независимо от магнитных свойств атомов. Во втором случае влияние ионов на сверхпроводимость гораздо слабее.

Как видно из фазовых диаграмм (рис. 2.15), влияние состава на свойства оксидных соединений аналогично для разных материалов. Этот факт еще раз свидетельствует о том, что материалы имеют сходную структуру и механизмы их электропроводимости похожи. Рассмотрим, как изменяются электрофизические характеристики оксидных материалов при изменении их состава. Известно, что характеристика температурной зависимости сопротивления материала (ТРХ) может указать на механизмы электропроводности. Так, ТРХ YBa₂Cu₃O_xдля различных х имеют существенные отличия (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Зависимость относительного электросопротивления YBa₂Cu₃O_xот температуры при различных содержаниях кислорода: 1 –x=6,53; 2 –x=6,5; 3 –x=6,44; 4 –x=6,32; 5 –x=6,25; 6 –x=6,17

Анализ графиков позволяет говорить о различных механизмах электропроводности. Образцы с минимумом кислорода (x<6,2) показывают экспоненциальный рост сопротивления с уменьшением температуры (рис. 2.17,6).

, (2.8)

где α = 0,4…0,5;

Т₀– параметр модели.

Аналогичная зависимость наблюдалась и в системах La_2-x Sr_xCuO₆. Величина показателяαблизка к теоретическому значению, полученному Шкловским и Эфросом для прыжковой проводимости в условиях, когда из-за кулоновских корреляций на уровне Ферми образуется мягкая квадратичная щель (q= 2) в плотности состояний:

g(t)~|E-E_Ф|^q. (2.9)

Параметр Т₀(2.8) позволяет оценить радиус локализованного состоянияа_Н:

, (2.10)

где е– заряд электрона;

ε– диэлектрическая проницаемость.

Оценка радиуса локализации дает величину 20 – 30 Аº. По мере приближения к точке перехода металл – изолятор, температурные зависимости ρ(T) трансформируются следующим образом. Вначале вместо закона Шкловского – Эфроса (α = ½) реализуется зависимость Мотта (α= ¼) для пиковой проводимости. В этом случае параметр Т₀выражается, как

, (2.11)

где А=16;

d=3;

q(Е_ф) – плотность состояний на уровне Ферми.

Еще ближе к точке перехода температурные кривые описываются степенным законом:

, (2.12)

где β– параметр, зависящий от расстояния между дном зоны проводимости и уровнем Ферми.

При переходе к металлической фазе ТРХ приобретают линейный характер в нормальной области (рис. 2.17, 1, 2) и появляется переход в сверхпроводящее состояние. С увеличением содержания кислорода х температура перехода увеличивается.

Итак, анализ ТРХ позволяет составить следующую картину изменения ρ(T) при варьировании состава ВТСП. Приминимальномсодержании кислорода, концентрация носителей заряда весьма мала, их кулоновский потенциал экранируется слабо, поэтому дляρ(T) выполняется закон Шкловского–Эфроса, отвечающий прыжковой проводимости в условиях образования мягкой щели из-за дальнодействующих кулоновских корреляций типа отталкивания.

Когда число носителей заряда возрастает, кулоновский потенциал начинает экранироваться и транспортные свойства отвечают режиму моттовской прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка. Несмотря на слоистое строение ВТСП, чаще всего наблюдается трехмерный закон Мотта (α = ¼), поскольку из-за увеличения длины прыжка (Т→0) начинаются межслоевые перескоки, приводящие к изотропизации процессов прыжковой проводимости. Наиболее широкий температурный интервал, где выполняется эта зависимость, характерен для Bi-2212 с большим расстоянием между слоями Cu-О. В области высоких температур происходит переход от режима прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка (R~T^-1/4) к режиму прыжковой проводимости на соседние центры с постоянной энергией активации (Е_а).

Вблизи переходаметалл – изолятор наблюдаются степенные зависимости ρ(T) (2.12).

На металлической сторонеперехода с ростом концентрации кислорода становится возможен переход в сверхпроводящее состояние, вначале при низких, а затем при более высоких температурах. Нормальное состояние ВТСП характеризуется линейной, «металлической» зависимостью ρ(T).