WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 2 Наблюдение бозе-конденсации куперовских пар в полупроводниковых твердых растворах (Pb1-xSnx)1-zInzTe + © С.А. Немов, П.П. Серегин, В.П. Волков, Н.П. Серегин, Д.В. Шамшур Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия Институт аналитического приборостроения Российской академии наук, 198103 Санкт-Петербург, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 июня 2003 г. Принята к печати 18 июня 2003 г.) 73 Методом эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе As(73Ge) установлено, что сверхпроводящий фазовый переход в твердых растворах (Pb1-xSnx)1-z Inz Te (температура фазового перехода 4K) сопровождается возрастанием электронной плотности в катионных узлах, тогда как в анионных узлах изменения электронной плотности не наблюдается.

73 Фазовый переход полупроводников в сверхпрово- пе Ge [8]: разрешающая способность этого изотопа 57 дящее состояние происходит обычно при температу- превышает разрешающую способность изотопов Fe 119 рах 0.1-0.5K [1], и в этом отношении исключе- и Sn по крайней мере в 2000 раз. На рис. 1 приведена 73 нием являются полупроводниковые твердые растворы схема образования мессбауэровского уровня Ge по73 (Pb1-x Snx )1-z Inz Te, которые обладают критической тем- сле радиоактивного распада материнского изотопа As:

73 электронный захват в материнском ядре As сопровопературой Tc 4K [2].

ждается испусканием нейтрино. Как показывают расчеСогласно теории Бардина–Купера–Шриффера (БКШ), 73 ты, энергия отдачи дочерних атомов Ge не превыявление сверхпроводимости объясняется образованием шает энергию смещения атомов из нормальных узлов бозе-конденсата куперовских пар, а распределение элекрешетки и можно ожидать, что радиоактивное превратронной плотности в узлах кристаллической решетки щение не приводит к смещению атомов германия из различно при температурах выше и ниже температуры нормальных узлов кристаллической решетки и, слеперехода в сверхпроводящее состояние [3]. Перспективдовательно, параметры эмиссионных мессбауэровских ным направлением в исследовании свойств бозе-конспектров As(73Ge) должны отражать состояние атоденсата является изучение сверхпроводящих материалов мов Ge, локализованных либо в катионной, либо с помощью эффекта Мессбауэра: в принципе возможно в анионной подрешетках.

обнаружить процесс бозе-конденсации куперовских пар Радиоактивный изотоп As получали по реакпутем измерения температурной зависимости центра тяции Ge(p, 2n)73As, а для выделения безносительного жести S мессбауэровских спектров [4]. Однако, попытки препарата As использовали методику, основанную на обнаружить процесс образования куперовских пар и их большой разнице в летучести атомов мишени и материнбозе-конденсацию как в классических (типа Nb3Sn [5]), ских атомов. С этой целью облученная протонами плентак и в высокотемпературных сверхпроводниках (типа YBa2Cu3O7 [6]) методом измерения температурной зависимости центра тяжести мессбауэровских спектров Sn и Fe не были успешными, что объясняется малой разрешающей способностью мессбауэровской спектроскопии на этих изотопах. В связи с этим для определения изменения электронной плотности в процессе сверхпроводящего перехода было предложено использовать эмиссионную мессбауэровскую спектроскопию (ЭМС) на зонде Zn [4]. Однако было показано, что наблюдаемое изменение электронной плотности на ядрах Zn зависит от температуры фазового перехода Tc, и это ставит вполне определенные препятствия для наблюдения изменения электронной плотности методом ЭМС на изотопе Zn в сверхпроводниках, имеющих температуру фазового перехода ниже 20 K [7].

Именно поэтому для исследования процесса бозеконденсации куперовских пар в материалах типа (Pb1-x Snx )1-z Inz Te была предложена ЭМС на изото- Рис. 1. Схема распада As.

Наблюдение бозе-конденсации куперовских пар в полупроводниковых твердых растворах... измеренных с поглотителем GeTe, Gexp 50 мкм/с, для спектров, измеренных с поглотителем Ge, Gexp 100 мкм/с). В случае поглотителя GeTe это уширение в основном связано с искажением кубической симметрии локального окружения атомов германия в решетке GeTe.

Спектры, полученные с поглотителем Ge, следует приписать центрам Ge0 в анионной подрешетке твердого раствора (Pb1-xSnx )1-z Inz Te (в локальном окружении этих центров находятся атомы свин73 ца), и атомы Ge0 образуются из атомов As, наРис. 2. Зависимость температуры сверхпроводящего перехоходящихся в анионной подрешетке (Pb1-xSnx )1-z Inz Te.

да Tc от состава твердого раствора (Pb1-x Snx )0.84In0.16Te.

Спектр, полученный с поглотителем GeTe, следует приписать центрам Ge2+ в катионной подрешетке (Pb1-xSnx )1-z Inz Te (в ближайшем окружении этих ценка германия, содержащая 98% изотопа Ge, после ее тров находятся атомы теллура) и атомы Ge2+ обвыдержки в течение трех месяцев (для уменьшения соразуются из атомов As, находящихся в катионной держания в ней радиоактивного As) помещалась в эваподрешетке (Pb1-x Snx )1-z Inz Te. Таким образом, можно куированную кварцевую ампулу, и ее конец, содержащий сделать вывод, что примесные атомы мышьяка в решетке мишень, нагревали 5 ч при 900 K в трубчатой печи.

(Pb1-xSnx )1-z Inz Te локализуются как в анионной, так и После вскрытия ампулы 80% атомов As оказывались в катионной подрешетке. Отметим, что такое поведение сорбированными на внутренних стенках кварцевой ампувообще характерно для примесей пятой группы в хальлы и безносительный препарат As смывали раствором когенидах свинца [9,10].

азотной кислоты.

Как отмечалось, для обнаружения процесса бозе-конНа рис. 2 представлена зависимость температуры денсации куперовских пар в сперхпроводниках методом сверхпроводящего фазового перехода от состава твер- мессбауэровской спектроскопии необходимо измерить дых растворов (Pb1-x Snx )0.84In0.16Te, исходя из этой температурную зависимость центра тяжести S мессбаузависимости, для исследований были выбраны два со- эровского спектра, причем при постоянном давлении P става — (Pb0.4Sn0.6)0.84In0.16Te и (Pb0.5Sn0.5)0.84In0.16Te, эта зависимость имеет вид [11] которые переходили в сверхпроводящее состояние S I lnV D I при Tc 4.2 K. В качестве контрольного был вы= + +.

T lnV T T T P T P P V бран твердый раствор (Pb0.4Sn0.6)0.97In0.03Te, который (1) оставался в нормальном состоянии вплоть до 2 K.

Мессбауэровские источники готовили путем диффу- Первый член в (1) представляет зависимость изомерного сдвига I от объема V, второй член есть дозионного легирования поликристаллических образцов (Pb1-x Snx )1-z Inz Te радиоактивным As в вакуумиро- плеровский сдвиг 2-го порядка D и, наконец, третий член описывает температурную зависимость изомерного ванных кварцевых ампулах при 500C в течение 10 ч, сдвига I. Именно этот член характеризует изменение причем концентрация примесных атомов мышьяка не электронной плотности на мессбауэровских ядрах при превышала 1016 см-3. При столь малых концентрациях примеси не следовало ожидать изменения величины Tc переходе матрицы в сверхпроводящее состояние [11]:

и, как результат, контрольные опыты показали, что I = | (0)|2. (2) указанный выше диффузионный отжиг не изменял заметно Tc для (Pb0.4Sn0.6)0.84In0.16Te и (Pb0.5Sn0.5)0.84In0.16Te. Здесь | (0)|2 — разность электронных плотностей на исследуемых ядрах в двух образцах, — постоянная, заМессбауэровские спектры As(73Ge) измерялись на висящая от ядерных параметров используемого изотопа.

промышленном спектрометре СМ-2201 в стандартной Как видно из рис. 3 и 4, экспериментальная темперагеометрии пропускания. Поглотителями служили либо турная зависимость центра тяжести спектра S, отвечаюмонокристаллический Ge (для регистрации спектров 73 щего зонду Ge в катионной и анионной подрешетках для зонда Ge в анионной подрешетке), либо GeTe твердого раствора (Pb0.4Sn0.6)0.97In0.03Te:73As, в темпера(для регистрации спектров для зонда Ge в катионной турном интервале 2-297 K совпадает с теоретической подрешетке). Для всех поглотителей обогащение по зависимостью доплеровского сдвига 2-го порядка от изотопу Ge составляло 90%.

температуры [11]:

Мессбауэровские спектры источников (Pb0.4Sn0.6)0.84In0.16Te:73As, (Pb0.5Sn0.5)0.84In0.16Te:73As D 3kE0 T = - F (3) и (Pb0.4Sn0.6)0.97In0.03Te:73As в интервале температур T 2McP 2-297 K представляют собой одиночные линии, причем ширины спектров существенно превышают естествен- (здесь k — постоянная Больцмана, E0 — энергия изоную ширину спектральной линии Ge (для спектров, мерного перехода, M — масса ядра-зонда, c —скорость Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 192 С.А. Немов, П.П. Серегин, В.П. Волков, Н.П. Серегин, Д.В. Шамшур Как видно из рис. 3, для сверхпроводящих твердых растворов (Pb1-xSnx )1-z Inz Te зависимость S(T) для спектров, отвечающих зонду Ge в катионной подрешетке, при T > Tc также описывается доплеровским сдвигом 2-го порядка (3), однако для области температур T < Tc величина S зависит от температуры более резко, чем это следует из формулы (3), и, очевидно, в выражении (1) следует принимать во внимание температурную зависимость изомерного сдвига: переход в сверхпроводящее состояние сопровождается возрастанием электронной плотности на ядрах Ge в катионной подрешетке.

Иная ситуация возникает для случая зонда Ge в анионной подрешетке сверхпроводящих твердых растворов (Pb1-x Snx )1-z Inz Te. Как видно из рис. 4, экспериментальная температурная зависимость центра тяжести спектра S в этом случае в температурном интервале 2-297 K практически совпадает с теоретической зависимостью доплеровского сдвига 2-го порядка от Рис. 3. Температурные зависимости центра тяжести S температуры. Следовательно, для анионной подрешетки мессбауэровских спектров Ge в катионных узне наблюдается изменения электронной плотности на лах твердых растворов для (Pb0.4Sn0.6)0.84In0.16Te (1), ядрах Ge при переходе соединения в сверхпроводя(Pb0.5Sn0.5)0.84In0.16Te (2) и (Pb0.4Sn0.6)0.97In0.03Te (3), изщее состояние или по крайней мере это изменение меренные относительно их значений при 4.2 K. Сплошной не может быть зарегистрировано методом мессбауэлинией показана теоретическая температурная зависимость S ровской спектроскопии на изотопе Ge. Аналогичное для случая доплеровского сдвига 2-го порядка при = 130 K.

поведение наблюдалось в эмиссионных мессбауэровских спектрах Cu(67Zn) высокотемпературных сверхпроводников на основе металлоксидов меди: для кристаллов, содержащих две структурно-неэквивалентные позиции для атомов меди, изменение электронной плотности, создаваемой бозе-конденсатом куперовских пар, оказалось различным для этих узлов и интерпретировалось как доказательство пространственной неоднородности бозе-конденсата куперовских пар [7]. Очевидно, что и для решеток твердых растворов (Pb1-xSnx )1-z Inz Te имеет место пространственная неоднородность бозе-конденсата (изменение электронной плотности при переходе от нормального к сверхпроводящему состоянию оказывается существенно большим для катионной подрешетки по сравнению с анионной подрешеткой).

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 02-02-17306).

Список литературы Рис. 4. Температурные зависимости центра тяжести S [1] М. Коэн, Г. Глэдстоун, М. Йенсен, Дж. Шриффер, Сверхмессбауэровских спектров Ge в анионных узлах твердых распроводимость полупроводников и переходных металтворов для (Pb0.4Sn0.6)0.84In0.16Te (1), (Pb0.5Sn0.5)0.84In0.16Te (2) лов (М., Мир, 1972).

и (Pb0.4Sn0.6)0.97In0.03Te (3), измеренные относительно их зна[2] R.V. Parfeniev, D.V. Shamshur, M.F. Shakhov. J. Alloys Comp., чений при 4.2 K. Сплошной линией показана теоретическая 219, 313 (1995).

температурная зависимость S для случая доплеровского сдвига [3] Дж. Шриффер. Теория сверхпроводимости (М., Наука, 2-го порядка при = 130 K.

1970).

[4] Н.П. Серегин, П.П. Серегин. ЖЭТФ, 118, 1421 (2000).

[5] J.S. Shier, R.D. Taylor. Phys. Rev., 174, 346 (1968).

света в вакууме, — температура Дебая, F(T /) — [6] Y. Wu, S. Pradhan, P. Boolchand. Phys. Rev. Lett., 67, функция Дебая), если использовать дебаевские темпера3184 (1991).

туры, полученные из измерений теплоемкости [12]. [7] Н.П. Серегин. ФТТ, 45, 12 (2003).

Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Наблюдение бозе-конденсации куперовских пар в полупроводниковых твердых растворах... [8] С.А. Немов, П.П. Серегин, Ю.В. Кожанова, В.П. Волков, Н.П. Серегин, Д.В. Шамшур. ФТТ, 45, 1938 (2003).

[9] С.А. Немов, П.П. Серегин, С.М. Иркаев, Н.П. Серегин.

ФТП, 37, 279 (2003).

[10] С.А. Немов, П.А. Осипов. ФТП, 35, 731 (2001).

[11] Д. Надь. В кн.: Мессбауэровская спектроскопия замороженных растворов, под ред. А. Вертеш, Д. Надь (М., Мир, 1998) с. 11.

[12] Ю.И. Равич, Б.А. Ефимова, И.А. Смирнов. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца (М., Наука, 1968).

Редактор Л.В. Беляков Observing bose condensations of cooper pairs in semiconductor solid solutions (Pb1-xSnx)1-zInzTe S.A. Nemov, P.P. Seregin, V.P. Volkov, N.P. Seregin, D.V. Shamshur+ St. Petersburg State Polytechnical University, 195251 St. Petersburg, Russia Institute for Analytical Instrumentation, Russian Academy of Sciences 198103 St. Petersburg, Russia + Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences 194021 St. Petersburg, Russia

Abstract

It has been established using the emission Mssbauer spectroscopy method on the isotope As(73Ge) that the superconducting transition in the solid solutions (Pb1-x Snx )1-z Inz Te (temperature of phase transition 4K) leads to the change of the electron density in the metal sites, while in the anion sites no change in the electronic density has been observed.




© 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.