WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Сверхпроводящие состояния нановключений свинца в полупроводниковой матрице PbTe © Л.А. Дарчук¶, С.Д. Дарчук, Ф.Ф. Сизов, А.Г. Голенков Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева Национальной академии наук Украины, 03028 Киев, Украина (Получена 19 июня 2006 г. Принята к печати 20 июня 2006 г.) Исследованы фазовые состояния нановключений свинца в стехиометрическом теллуриде свинца в магнитных полях от 0 до 1 кЭ в области температур ниже температуры перехода свинца в сверхпроводящее состояние (T = 1.7-6.5K). Показано, что включения свинца ведут себя как сверхпроводники первого рода.

Размеры включений свинца, которые находятся в сверхпроводящем состоянии при 1.7 K, составляют не менее 200 нм. Полученная экспериментально температурная зависимость диамагнитной добавки может быть объяснена в рамках модели, учитывающей существование „промежуточного“ сверхпроводящего состояния, обусловленного геометрической формой включений свинца.

PACS: 74.70.Ad, 74.78.Na, 74.81.Bd 1. Введение на эта работа. При таких исследованиях существенную роль играет конечность размеров включений, так как Применение полупроводников AIVBVI в качестве, на- условия проникновения магнитного поля в сверхпроводпример, многоэлементных фотоприемных устройств ин- ник зависят от его размеров [14]. Низкотемпературные фракрасного (ИК) диапазона с кремниевыми устрой- исследования электрических параметров прессованных ствами считывания относительно ограничено вследствие образцов n-PbTe с примесью иода и с несколько большим плохого согласования этих материалов по температур- содержанием избыточного свинца показали скачок увеным коэффициентам расширения [1]. Однако они исполь- личения электропроводности при температурах T < 7K, зуются в качестве полупроводниковых излучателей ИК что было объяснено существованием тонких прослоек диапазона для целей сверхтонкой ИК спектроскопии [2]. свинца на границах кристаллитов [15].

Эффективность излучателей на основе этих материалов является не очень высокой, что вызвано наличием в за2. Эксперимент прещенной зоне состояний, обусловленных присутствием микровключений металлической компоненты даже в Для обнаружения нановключений свинца и изучестехиометрических образцах [3,4].

ния проявления размерных эффектов были исследоваРанее было показано [5,6], что в случае выращивания ны монокристаллы PbTe n-типа проводимости стехиообъемных кристаллов теллурида свинца с избытком метрического состава. Исследуемые образцы вырезаметаллической фазы наличие макроскопических вклюлись в плоскости (001) из монокристаллов теллурида чений Pb легко обнаруживается. В то же время при свинца, полученных из стехиометрических расплавов выращивании кристаллов из стехиометрических расметодами Бриджмена или Чохральского и подвергтворов такое выпадение металлической фазы далеко нутых термическому отжигу в парах металла. Конне всегда обнаруживается макроскопическими методацентрация свободных носителей при 77 K составляла ми исследований. В работах [7–9] при исследовании N =(3-5) · 1017 см-3. Образцы имели форму параллераспада микровключений металлической фазы, которые лепипеда с размерами от 2 3 5 до 24 5мм (объем не обнаруживались структурными исследованиями, под 30-40 мм3). Исследования электрических характеристик действием маломощного лазерного излучения в области образцов теллурида свинца с помощью эффекта Холла прозрачности матрицы косвенно показано наличие мипоказали, что их удельное сопротивление составляло кровключений как металлической компоненты этих по =(2-4) · 105 Ом · см при температуре T = 4.2K, т. е.

лупроводников [10], так и примесей в них [11,12]. В частполупроводниковая матрица ведет себя как диэлектрик.

ности, впервые обнаружено сверхтонкое и суперсверхНа этих образцах были проведены структуртонкое расщепление сигналов парамагнитных примесей ные измерения на рентгеновском микроанализаторе в решетке теллурида свинца после гомогенизации этих Superprobe-733 для возможного обнаружения комплеккристаллов под действием лазерного излучения в обласов, содержащих свинец. Исследования проводились пусти прозрачности полупроводниковой матрицы [12,13].

тем сканирования пучком электронов с энергией 2кэВ Альтернативным методом обнаружения нановключений по площади 25 75 мкм в четырех точках каждого свинца в матрице PbTe может быть исследование сверхисследованного образца. Диаметр сканирующего пучпроводящих свойств таких включений, чему и посвящека 0.2 мкм, глубина его проникновения в исследуемый ¶ E-mail: offtopic@yahoo.com материал 1 мкм. В результате проведенных структурСверхпроводящие состояния нановключений свинца в полупроводниковой матрице PbTe рассчитать, воспользовавшись эмпирически установленным параболическим законом [16]:

Hc(T ) =Hc(0)[1 - (T /Tc)2]. (1) С использованием зависимостей диамагнитной добавки от магнитного поля при разных температурах (рис. 2) была построена экспериментальная зависимость Hc(T ) для образцов PbTe и расчетная зависимость Hc(T ) для макроскопического образца свинца (рис. 3). Хорошее согласие экспериментальных и расчетных значений зависимости Hc(T ) свидетельствует о том, что явления сверхпроводимости в PbTe обусловлены переходом включений Pb в сверхпроводящее состояние.

Исследование зависимости магнитной добавки от внешнего магнитного поля для образца нелегированРис. 1. Магнитополевые зависимости намагниченности M(H) ного свинца (его объем составлял 2.18 · 10-1 мм3) при монокристаллического образца n-PbTe при температурах T, K:

T = 4.2K (рис. 2) позволило построить ход m(H), 1 —1.7, 2 —4.2, 3 —5.5, 4 —6.5, 5 —8.

типичный для сверхпроводников 1-го рода. Как видно ных исследований не выявлены кластеры свинца. Этот результат можно объяснить тем, что либо размеры включений меньше диаметра сканирующего пучка, либо концентрация свинца во включениях ниже границы чувствительности микроанализатора (чувствительность прибора 1019 см-3).

На этих же образцах монокристаллов теллурида свинца были выполнены исследования магнитополевых зависимостей намагниченности с помощью СКВИД-магнетометра. Измерения проводились при температурах ниже температуры перехода свинца в сверхпроводящее состояние Tc = 7.19 K в диапазоне температур T = 1.7-6.5K в магнитных полях напряженностью от 0 до 1 кЭ.

Исследование зависимостей намагниченности от внешнего магнитного поля M(H) при температурах Рис. 2. Зависимость диамагнитной добавки намагниченности ниже 7.2 K выявило наличие добавки намагниченноm для PbTe от магнитного поля H при температурах T, K:

сти (рис. 1). Как видно из рис. 1, зависимость M(H) — 1 —1.7, 2 —4.2, 3 —5.5, 4 —6.5. 5 —чистый Pb.

нелинейная, что можно объяснить присутствием металлических включений в матрице халькогенида свинца и переходом этих включений в сверхпроводящее состояние.

Чтобы построить зависимость добавки намагниченности, связанной со сверхпроводящими состояниями включений свинца, от внешнего магнитного поля, из линейной зависимости M(H), полученной при T = 8K (штриховая линия на рис. 1), вычиталась экспериментальная зависимость M(H) при T < Tc. Полученные таким образом зависимости диамагнитной добавки от внешнего магнитного поля m(H) для различных температур приведены на рис. 2.

Свинец относится к сверхпроводникам 1-го рода, с температурой перехода в сверхпроводящее состояние Tc = 7.19 K и термодинамическим критическим магнитным полем массивного материала, экстраполированным к абсолютному нулю температуры, Hc(0) =803 Э. За- Рис. 3. Зависимость критического поля Hc от температуры:

висимость критического поля Hc(T ) для свинца можно сплошная линия — расчет, точки — эксперимент.

2 Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 146 Л.А. Дарчук, С.Д. Дарчук, Ф.Ф. Сизов, А.Г. Голенков из рис. 2, экспериментальная зависимость m(H) для образцов стехиометрического n-PbTe при T = 4.2 K отличается от хода m(H) для нелегированного образца Pb (при тех же условиях проведения эксперимента) — наблюдается плавное уменьшение диамагнитной добавки и „хвост“ сверхпроводящего состояния, существующего при внешних магнитных полях H > Hc(T ), превышающих термодинамическое критическое поле (Hc(4.2K) =530 Э).

3. Обсуждение результатов В предыдущих работах [4,17] факт несовпадения зависимости m(H) для образцов стехиометрического теллурида свинца и образца нелегированного свинца связывался с переходом включений свинца в сверхпроводящее состояние 2-го рода.

Однако более детальный анализ зависимостей m(H) при температурах ниже критической Tc показал, что, если бы включения свинца вели себя как сверхпроводники 2-го рода, должен был бы наблюдаться „хвост“ диамагнитной добавки, связанный с существованием смешанного сверхпроводящего состояния, вплоть до вторых критических полей Hc2, которые должны существенно превышать термодинамические критические поля.

Однако такого эффекта не наблюдается. Исчезновение магнитной добавки происходит при внешних магнитных полях порядка Hc2 =(1.1-1.2) · Hc(T ), что может соответствовать параметру Гинзбурга–Ландау = 0.8-0.9.

Чистый свинец относится к сверхпроводникам 1-го рода с = 0.43, однако даже незначительное введение примеси другого металла приводит к тому, что легированный свинец ведет себя как сверхпроводник 2-го рода. НаРис. 4. Зависимости концентрации сверхпроводящей фазы от пример, для Pb : Tl (3.42% Tl) наблюдаются зависимости магнитного поля H. a: эксперимент при T = 1.7 и 6.5 K. b:

m(H), близкие к полученным нами экспериментальным 1 — эксперимент при T = 1.7K, 2 — расчет для сферических зависимостям m(H), при этом параметр Гинзбурга– объектов, 3 — расчет для цилиндрических объектов, располоЛандау = 1.04 [18,19]. Исследованные нами образцы женных перпендикулярно магнитному полю, 4 —расчет для стехиометрического теллурида свинца являются нелеги- цилиндрических объектов, расположенных вдоль магнитного поля, 5 — результирующая зависимостей 2, 3 и 4.

рованными, и поэтому можно полагать, что включения свинца не содержат примесь другого металла.

В пользу того, что включения свинца ведут себя как сверхпроводники 1-го рода, свидетельствует и типичная n = 0.5 для цилиндров в перпендикулярном магнитном для сверхпроводников 1-го рода зависимость критичеполе, n = 0 для цилиндра в продольном магнитном поле.

ского магнитного поля от температуры (рис. 3).

Причиной, обусловливающей ход полученной экспе- Для объяснения полученных экспериментальных результатов была предложена модель, в которой предполариментально зависимости m(H) для стехиометрического теллурида свинца, может быть зависимость существо- гается, что в полупроводниковой матрице присутствуют вания сверхпроводящей фазы от геометрии сверхпро- включения сферической формы и хаотически ориенводящих включений и их ориентации по отношению к тированные включения цилиндрической (нитевидной) внешнему магнитному полю. формы.

Переход сверхпроводника произвольной формы в проНа рис. 4, a представлена зависимость концентрации межуточное состояние происходит при внешнем магнитсверхпроводящей фазы от внешнего магнитного поля ном поле [20,21] N(H) при T = 1.7 и 6.5 K. Как видно из этого рисунка, ход зависимостей для T 0K и T Tc незначительно H = Hc(1 - n), (2) различается. Чтобы рассмотреть влияние геометричегде n — размагничивающий фактор, который зависит ской формы включения на его сверхпроводящее состояот формы образца: n = 0.67 для сферических объектов, ние, осуществлялась аппроксимация экспериментальной Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Сверхпроводящие состояния нановключений свинца в полупроводниковой матрице PbTe зависимости концентрации сверхпроводящей фазы от вестно [20,22], что температурная зависимость L(T ) внешнего магнитого поля (H/Hc) для PbTe в диапазоне хорошо описывается эмпирической формулой температур T < Tc с помощью расчетной зависимости 1/для массивного образца свинца сферической формы L(T ) =L(0)/ 1 - (T /Tc)4, (3) (рис. 4, b, кривая 2). Начиная с H = 0.67Hc такая сфера переходила бы в „промежуточное“ состояние, что где L(0) — лондоновская глубина проникновения при проявилось бы в уменьшении диамагнитной добавки. T = 0K (для свинца L(0) 390 ). Расчет глубины Из рис. 4, b видно, что в диапазоне магнитных полей проникновения магнитного поля показал, что в создании (0.5-0.7)Hc экспериментальные значения m(H) ниже, а сверхпроводимости при T = 1.7 K могут принимать учапри полях, близких к Hc, выше теоретических значений стие включения, размеры которых превышают 80 нм, а при T = 6.5 K состояние сверхпроводимости может сонамагниченности для свинца сферической формы. Этот факт можно объяснить присутствием в матрице теллу- храняться во включениях с размерами не менее 135 нм.

рида свинца одновременно сферических и хаотически Для того чтобы в рассматриваемых включениях реарасположенных нитевидных включений свинца. Ните- лизовалось промежуточное сверхпроводящее состояние, видные (цилиндрические) включения свинца переходят необходимо учесть размеры периода доменной структув промежуточное состояние в полях H = 0.5Hc при ры d. При этом d (0L)1/2 (0 d L), где 0 — ориентации внешнего магнитного поля перпендикулярно длина когерентности (0 78 нм для свинца), а L — оси нити. Переход этих включений в промежуточное размер образца (включения) в направлении поля. Учет состояние отразится в уменьшении их вклада в общую периода доменной структуры приводит к оценке нижней намагниченность, начиная с внешних магнитных полей границы размеров включений свинца (радиусов сфер H = 0.5Hc (рис. 4, b, кривая 3). В то же время в матрице и нитевидных включений), регистрируемых с помощью должны присутствовать нитевидные включения, вытя- исследования сверхпроводимости стехиометрического нутые вдоль внешнего магнитного поля, для которых теллурида свинца при T = 1.7K, L 200 нм.

сверхпроводимость разрушается при H = Hc (рис. 4, b, кривая 4). Сверхпроводящие состояния в этих включе4. Заключение ниях дадут добавку в m(H) при полях, близких к Hc, что проявится в увеличении m(H) по сравению с теоретиТаким образом, магнитополевые зависимости намагческими значениями для намагниченности сферического ниченности включений свинца при температурах ниже свинца в этой области магнитных полей. Отсутствие изтемпературы перехода в сверхпроводящее состояние менения хода m(H) от ориентации внешнего магнитного описываются фазовыми переходами, характерными для поля относительно кристаллографических осей кристалсверхпроводников 1-го рода.

ла теллурида свинца позволяет сделать предположение, В исследованных монокристаллах PbTe существучто включения свинца могут иметь как сферическую ет дисперсия формы сверхпроводящих включений Pb.

форму, так и хаотически ориентированную нитевидную Экспериментальные результаты могут быть описаны мо(цилиндрическую) форму. На рис. 4, b представлена делью промежуточных состояний объектов сферической расчетная кривая 5, которая является результирующей и цилиндрической (нитевидной) формы.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.