рахимбеков А.Ж., Уразалиев У.И.

Жетысуский Государственный университет им. И. Жансугурова,

Республика Казахстан

Управление уровнем Ферми в ВТСП с помощью суперионика

В настоящей работе предложен электролитический способ управления уровнем Ферми, использующий транспортные свойства твердых оксидных суперионных проводников (ТОСП). Это примесные ионные проводники, называемые высокотемпературными или оксидными твердыми электролитами. Речь идет, главным образом, о стабилизированной двуокиси циркония, проявляющей наряду с прекрасными огнеупорными свойствами ионную электропроводность, которая не зависит от парциального давления кислорода в окружающем газе и экспоненциально растет с температурой.

Настоящий метод управления уровнем Ферми, чувствителен к структурным фазовым переходам, деталям электронной структуры и электрон – решеточного взаимодействия. В герметизированном тигле из ТОСП [1] (рис. 1) расплавлен и отвержден ВТСП (высокотемпературный сверхпроводник) – образец 2. Соответственно снаружи нанесен платиновый электрод 3. Электроды 4 и 5 служат для контроля за равновесием между образцом и газовой фазой над ним. Платиновые зонды 6 выполняют роль токоотвода при дозировании кислорода в образце. При «низких» же температурах они используются для измерения проводимости и температуры сверхпроводящего перехода в образце с предварительно заданным содержанием кислорода [2].

Изменение числа атомов кислорода в образце ∆n приводит к изменению уровня Ферми ∆Е_F, которое проявляется в изменении разности электрических потенциалов между электродом 3 и образцом ∆φ=∆Е_F. Поляризация электродов слабо зависит от φ и вкладом ее в ∆Е_F можно пренебречь.

По значениям ∆n и ∆Е_F можно построить зависимость

D(Е_F)= 2∆n / ∆Е_F

где 2 ∆n - число «валентных» электронных состояний, внесенных ∆n атомами кислорода в образец единичного обьема при изменении уровня Ферми от Е_F до Е_F + ∆Е_F.

Рис. 1 Электрохимическая ячейка из ТОСП.

Величина D(Е_F) имеет размерность плотности электронных состояний. Привлекая рентгеновские измерения, можно построить зависимость

где ∆υ – изменение рентгеновского обьема элементарной ячейки, связанное с изменением уровня Ферми от Е_F до Е_F + ∆Е_F. Функция ν имеет размерность деформационного потенциала – величины пропорциональной константе электрон – фононного взаимодействия. Для γ- ВТСП образцов обнаружены аномально высокие значения этой величины ≈ 40эВ [3].

На рис.2 приведены экспериментальные зависимости от уровня Ферми плотности электронных состояний D и температуры сверхпроводящего перехода Т_с, полученные на образцах состава Ві_1,82 Sr_1,73 Ca_1,25 Cu_2,2 O_x.

Рис. 2 Зависимость уровня Ферми Е_F, плотности электронных состояний D и температуры сверхпроводящего перехода Т_с.

Здесь, как и для γ- ВТСП, на оси Е_F можно выделить два участка, соответствующих Т_с ≈ 90 и 70К. Зависимость площади под кривой от Е_F показывает, что после откачки из образца 0,15 атома кислорода на элементарную ячейку образец переходит из состояния с Т_с ≈ 90 в состояние Т_с ≈ 70К. Последующая откачка из образца 0,3 атома кислорода переводит образец в диэлектрическую фазу с энергией активации проводимости ≈20 мэВ. Кроме того площадь под кривой D свидетельствует, что при переходе в диэлектрическую фазу почти половина состояний одной из электронных зон пересекает уровень Ферми и концентрируется близи него [4]. Этот экспериментальный факт указывает на возможность формирования высокотемпературной сверхпроводимости как смешанного электрон – структурного фазового перехода, концентрирующего электронные состояния в окрестности уровня Ферми [5]. Предложена феноменологическая модель такого перехода. В простейшем случае

где ŋ – параметр порядка, связанный с мягкой модой на границе зоны Бриллюэна и электронной щелью исходного сверхпроводящего перехода.

Литература

1. Гербштейн Ю.М., Тимощенко Н.Е., Чудновский Ф.А., ЖЭТФ. – 1990., 98, №10 стр.1975-1379

2. Гербштейн Ю.М., Вихнин В.С., Тимощенко Н.Е., Чудновский Ф.А., доклады АН СССР – 1992., №10

3. Тимощенко Н.Е. О возможности регулирования кислорода в потоке инертного газа с помощью твердого килород – ионного электролита. – Электрохимия, 1974, т.10, №4, стр. 527-535.

4. Тимощенко Н.Е., Стерлядкина О.Г. Вольт-амперная характеристика керамического кислородного насоса. – Электрохимия, 1975, т. 11, №1, стр 65-70.

5. Андреев В.Н., Черненко И.М., Тимощенко Н.Е., Чудновский Ф.А., ЖТФ, 1981г., т 51, вып. 8, стр. 1685-1689.