Применение модели U-минус-центров к объяснению транспортных свойств нормальной фазы халькогенидных стеклообразных полупроводников и высокотемпературных сверхпроводников

• Автор: Барыгин, Илья Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 126 с. : ил.

Оглавление

1 Обзор литературы

1.1 Общие свойства ВТСП

1.1.1 Кристаллическая структура

1.1.2 Фазовая диаграмма

1.1.3 Сверхпроводящие свойства

1.2 Теории сверхпроводимости

1.2.1 Теория БКШ

1.2.2 Спин-флуктуационная сверхпроводимость

1.2.3 Другие модели

1.3 {7-минус-центры

1.3.1 Введение
1.3.2 Механизмы возникновения
1.3.3 Влияние на концентрацию носителей
1.3.4 Сверхпроводимость с локальными парами
1.4 Псевдощелевые особенности
1.4.1 Псевдощелевые особенности: введение
1.4.2 ARPES
1.4.3 Туннельная спектроскопия
1.4.4 Проводимость
1.4.5 Другие проявления
1.5 Теории псевдощели
1.5.1 Флуктуации ближнего порядка
1.5.2 RVB

1.5.3 Циркулирующие токи
1.5.4 Волны (-плотности
1.5.5 Кроссовер БКШ—ВЭК
1.5.6 Модель узкой зоны
1.6 Модель (/-минус-центров, статистически взаимодействующих с валентной зоной
1.7 Постановка задачи
2 Модель с двумя уровнями
2.1 Постановка задачи
2.2 Низкотемпературный предел
2.3 Высокотемпературный предел
2.4 Результаты
2.5 Удельное сопротивление
2.6 Выводы к главе
3 Модель с квадратичным законом дисперсии
3.1 Уравнение нейтральности
3.2 Низкотемпературный предел
3.2.1 -«Полупроводниковый» случай
3.2.2 «Металлический» случай
3.3 Высокотемпературный предел
3.4 Результаты
3.5 Выводы к главе
4 Сопоставление с экспериментальными данными
4.1 Коэффициент Холла
4.2 Ьа2_1Зг1Си04
4.3 УВазСизО*
4.4 Анализ полученных результатов
4.5 Критическая температура
4.6 Выводы к главе

Введение
Актуальность темы. Природа высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) остается одной из важных и до сих пор не решенных задач физики твердого тела. Среди множества открытых сверхпроводящих материалов особую роль занимают купраты. Несмотря на то, что исследование высокотемпературной сверхпроводимости в купратах ведется с момента их открытия в 1986 году [1], на сегодняшний день общепринятая теория этого явления отсутствует. К числу проблем, вставших перед исследователями, относятся аномально высокое по сравнению с обычными сверхпроводниками значение критической температуры, а также ее характерная зависимость от химического состава вещества. Предложенные теории ВТСП можно разделить на две группы. Теории одной группы являются модификациями теории Бардина—Купера— Шриффера (БКШ) [2] и основываются на различных механизмах спаривания электронов, при этом бозеконденсация образующихся пар идет одновременно с их образованием. Другая группа теорий основывается на предположении о существовании связанных электронных пар, при определенной температуре претерпевающих бозе-конденсацию и тем самым обеспечивающих сверхпроводимость.
Одной из таких моделей сверхпроводимости является модель II-минус-центров, первоначально сформулированная для халькогенидных стеклообразных проводников (ХСП). В структуре ХСП существуют особые элементы (/У-минус-центры), обеспечивающие такие их свойства, как невозможность легирования. Существованием £/-минус-центров была объяснена и сверхпроводимость в ХСП, возникающая под воздействием давления. Цэндин и Попов применили модель П-минус-центров к объяснению зависимости температуры сверхпроводящего перехода в ВТСП от степени допирования [3]. Отличительной особенностью модели /7-минус-цен-тров является возможность совместного объяснения как сверхпроводя-щнх, так и нормальных свойств материалов. В частпости, транспортные свойства нормальной фазы ВТСП и ХСП демонстрируют ряд особен-

Nd!_xCexCu04 [91, 92], La2_xSrxCuO,i [93]. В спектре потерь энергии электронов Bi2Sr2CaCu208, g пик начинается не с уровня Ферми, а смещен на расстояние порядка 25 мэВ [94]. ARPES показывает, что сверхпроводящая щель анизотропна и обладает (/-волновой симметрией [30, 95]. В отличие от БКШ-сверхпроводников, величина сверхпроводящей щели практически не меняется с температурой [96]. Проявление псевдощеле-вого поведепия заключается в том, что при температурах выше температуры сверхпроводящего перехода был обнаружен аналогичный сдвиг пика в спектре Bi2Sr2CaCu208 i s [97, 98], имеющий тот же порядок величины и также обладающий (/-волновой симметрией (см. рис. 1.14). Он присутствует только в недодопированных образцах, а температура, ниже которой он проявляется, примерно соответствует температуре сверхпроводящего перехода в оптимально допированных образцах. Величина щели в недодопированных образцах Bi2Sr2CaCu208.fj уменьшается при увеличении допирования (и, соответственно, увеличении температуры сверхпроводящего перехода) [99]. В передопированных образцах в нормальном состоянии щель не наблюдается, а в сверхпроводящем размер щели также уменьшается с увеличением допирования [100].
1.4.3 Туннельная спектроскопия
Туннельная спектроскопия позволяет получить информацию об электронной структуре вещества по результатам измерения туннельной проводимости. Одним из типов туннельной спектроскопии является SIM-спектроскопия (semiconductor - insulator - metal), когда на поверхность исследуемого образца наносится тонкий слой диэлектрика (оксида), а на него — металлический слой. В обычном сверхпроводнике регистрируются пики дифференциальной проводимости при приложении смещения Д/е (Д — ширина сверхпроводящей щели) в любом направлении. При смещении больше этой величины в одном направлении возникает возможность туннелирования из занятых состояний в металле в незанятые состояния в сверхпроводнике, в обратном — из занятых состояний в