Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением

Исследовано влияние высокого гидростатического давления на температурные зависимости электросопротивления в базисной плоскости монокристаллов YBa₂Cu₃O₇₋x с дефицитом кислорода. Установлено, что внешнее гидростатическое давление Р ≈ 7 кбар существенно интенсифицирует процесс диффузионной коалесценции...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автори:	Бойко, Ю.И., Богданов, В.В., Вовк, Р.В., Хаджай, Г.Я., Савич, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2018
Назва видання:	Физика низких температур
Теми:	Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175763
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением / Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 1. — С. 53-58. — Бібліогр.: 39 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-175763
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1757632021-02-03T01:29:38Z Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением Бойко, Ю.И. Богданов, В.В. Вовк, Р.В. Хаджай, Г.Я. Савич, С.В. Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная Исследовано влияние высокого гидростатического давления на температурные зависимости электросопротивления в базисной плоскости монокристаллов YBa₂Cu₃O₇₋x с дефицитом кислорода. Установлено, что внешнее гидростатическое давление Р ≈ 7 кбар существенно интенсифицирует процесс диффузионной коалесценции кислородных кластеров, т.е. обусловливает рост их среднего размера. Это, в свою очередь, приводит к увеличению числа отрицательных U-центров, наличие которых приводит к появлению фазы, способной генерировать спаренные носители электрического заряда и, соответственно, характеризующейся большей температурой перехода Тс. В рамках этой же гипотезы о механизме диффузионной коалесценции кислородных кластеров обсуждается изменение вида температурных и временных зависимостей электросопротивления в условиях действия внешнего гидростатического давления. Досліджено вплив високого гідростатичного тиску на температурні залежності електроопору у базисній площині монокристалів YBa₂Cu₃O₇₋x з дефіцитом кисню. Встановлено, що зовнішній гідростатичний тиск Р ≈ 7 кбар істотно інтенсифікує процес дифузійної коалесценції кисневих кластерів, тобто зумовлює зростання їх середнього розміру. Це, в свою чергу, призводить до збільшення числа від’ємних U-центрів, наявність яких призводить до появи фази, здатної генерувати спарені носії електричного заряду та, відповідно, що характеризується більшою температурою переходу Тс. В рамках цієї ж гіпотези про механізм дифузійної коалесценції кисневих кластерів обговорюється зміна виду температурних та часових залежностей електроопору в умовах дії зовнішнього гідростатичного тиску. The effect of high hydrostatic pressure on the temperature dependences of the electrical resistivity in the basal plane of YBa₂Cu₃O₇₋x single crystals with oxygen deficiency is studied. It is established that the external hydrostatic pressure Р ≈ 7 kbar substantially intensifies the process of diffusion coalescence of oxygen clusters, that is, it causes the growth of their average size. This, in turn, leads to an increase in the number of negative U-centers, the presence of which leads to the appearance of a phase capable of generating paired carriers of electric charge and, accordingly, characterized by a higher transition temperature Тс. Within the framework of the same hypothesis on the mechanism of diffusion coalescence of oxygen clusters, a change in the form of the temperature and time dependences of the electrical resistivity under the action of external hydrostatic pressure is discussed. 2018 Article Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением / Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 1. — С. 53-58. — Бібліогр.: 39 назв. — рос. PACS: 74.72.–h http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175763 ru Физика низких температур Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная
spellingShingle	Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная Бойко, Ю.И. Богданов, В.В. Вовк, Р.В. Хаджай, Г.Я. Савич, С.В. Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением Физика низких температур
description	Исследовано влияние высокого гидростатического давления на температурные зависимости электросопротивления в базисной плоскости монокристаллов YBa₂Cu₃O₇₋x с дефицитом кислорода. Установлено, что внешнее гидростатическое давление Р ≈ 7 кбар существенно интенсифицирует процесс диффузионной коалесценции кислородных кластеров, т.е. обусловливает рост их среднего размера. Это, в свою очередь, приводит к увеличению числа отрицательных U-центров, наличие которых приводит к появлению фазы, способной генерировать спаренные носители электрического заряда и, соответственно, характеризующейся большей температурой перехода Тс. В рамках этой же гипотезы о механизме диффузионной коалесценции кислородных кластеров обсуждается изменение вида температурных и временных зависимостей электросопротивления в условиях действия внешнего гидростатического давления.
format	Article
author	Бойко, Ю.И. Богданов, В.В. Вовк, Р.В. Хаджай, Г.Я. Савич, С.В.
author_facet	Бойко, Ю.И. Богданов, В.В. Вовк, Р.В. Хаджай, Г.Я. Савич, С.В.
author_sort	Бойко, Ю.И.
title	Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением
title_short	Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением
title_full	Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением
title_fullStr	Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением
title_full_unstemmed	Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением
title_sort	перераспределение ионов кислорода в монокристаллах yba₂cu₃o₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/175763
citation_txt	Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением / Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 1. — С. 53-58. — Бібліогр.: 39 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT bojkoûi pereraspredelenieionovkislorodavmonokristallahyba2cu3o7xobuslovlennoevnešnimgidrostatičeskimdavleniem AT bogdanovvv pereraspredelenieionovkislorodavmonokristallahyba2cu3o7xobuslovlennoevnešnimgidrostatičeskimdavleniem AT vovkrv pereraspredelenieionovkislorodavmonokristallahyba2cu3o7xobuslovlennoevnešnimgidrostatičeskimdavleniem AT hadžajgâ pereraspredelenieionovkislorodavmonokristallahyba2cu3o7xobuslovlennoevnešnimgidrostatičeskimdavleniem AT savičsv pereraspredelenieionovkislorodavmonokristallahyba2cu3o7xobuslovlennoevnešnimgidrostatičeskimdavleniem
first_indexed	2025-07-15T13:10:20Z
last_indexed	2025-07-15T13:10:20Z
_version_	1837718698727571456
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 1, c. 53–58 Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa2Cu3O7–x, обусловленное внешним гидростатическим давлением Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61022, Украина E-mail: rvvovk2017@gmail.com; gkhadjai@univer.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 8 июня 2017 г., после переработки 31 июля 2017 г., опубликована онлайн 28 ноября 2017 г. Исследовано влияние высокого гидростатического давления на температурные зависимости электро- сопротивления в базисной плоскости монокристаллов YBa2Cu3O7–x с дефицитом кислорода. Установле- но, что внешнее гидростатическое давление Р ≈ 7 кбар существенно интенсифицирует процесс диффузи- онной коалесценции кислородных кластеров, т.е. обусловливает рост их среднего размера. Это, в свою очередь, приводит к увеличению числа отрицательных U -центров, наличие которых приводит к появле- нию фазы, способной генерировать спаренные носители электрического заряда и, соответственно, харак- теризующейся большей температурой перехода Тс. В рамках этой же гипотезы о механизме диффузион- ной коалесценции кислородных кластеров обсуждается изменение вида температурных и временных зависимостей электросопротивления в условиях действия внешнего гидростатического давления. Досліджено вплив високого гідростатичного тиску на температурні залежності електроопору у базис- ній площині монокристалів YBa2Cu3O7–x з дефіцитом кисню. Встановлено, що зовнішній гідростатичний тиск Р ≈ 7 кбар істотно інтенсифікує процес дифузійної коалесценції кисневих кластерів, тобто зумовлює зростання їх середнього розміру. Це, в свою чергу, призводить до збільшення числа від’ємних U-центрів, наявність яких призводить до появи фази, здатної генерувати спарені носії електричного заряду та, від- повідно, що характеризується більшою температурою переходу Тс. В рамках цієї ж гіпотези про механізм дифузійної коалесценції кисневих кластерів обговорюється зміна виду температурних та часових залеж- ностей електроопору в умовах дії зовнішнього гідростатичного тиску. PACS: 74.72.–h Купратные сверхпроводники. Ключевые слова: монокристаллы YBa2Cu3O7–x, гидростатическое давление, коалесценция, дефицит ки- слорода, однофайловая диффузия. Введение Как известно, присутствие лабильного кислорода [1,2] в высокотемпературных купратах (ВТСП соединениях) может способствовать возникновению неравновесного состояния, которое может проявляться в результате при- ложения высокого давления [3,4], скачкообразного из- менения температуры [5,6] и длительного хранения [7–9] и, в свою очередь приводить к фазовому расслоению [10,11], восходящей диффузии [12,13] и возникновению разного рода сверхструктур [14–16]. Все эти процессы оказывают существенное влияние на физические свой- ства ВСТП в нормальном и сверхпроводящем состоя- ниях и наиболее ярко проявляются в случае образцов нестехиометрического по кислороду состава [17–20]. Кристалл YBa2Cu3O7–x — широко известное и наибо- лее исследованное ионное соединение, характеризующе- еся «высокотемпературной» сверхпроводимостью [21]. Важным параметром, изменение которого существен- но сказывается на основных константах, описывающих проводимость этого кристалла (температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тс, электрическое со- противление R, плотность критического тока Jc и др.), является параметр х, который характеризует степень на- полнения данного соединения ионами кислорода. На- пример, при изменении величины этого параметра от © Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич, 2018 Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич минимального значения х ≈ 0 до х ≈ 0,4 наблюдается уменьшение температуры перехода от Тс ≈ 92 К до Тс ≈ 45 К, а при х > 0,6, т.е. при большом дефиците ионов кислорода, сверхпроводимость этого кристалла вообще исчезает [22]. Кроме того, по мере насыщения кристалла YBa2Cu3O7–x кислородом, т.е. при х → 0, одновременно происходит трансформация его струк- турного состояния: тетрагональная кристаллическая решетка превращается в орторомбическую перовкси- топодобную решетку. При этом характерное время, не- обходимое для формирования орторомбической струк- туры, зависит от температуры и величины парциального давления кислорода в процессе термообработки [23]. Указанное структурное превращение сопровождается изменением параметров кристаллической решетки, что, в свою очередь, обусловливает появление механических напряжений, релаксация которых приводит к пласти- ческой деформации кристалла механизмом двойнико- вания [24,25]. Из общих соображений ясно, что изучение влияния различных воздействий, в частности влияния внешнего гидростатического давления на структурное состояние и стехиометрический состав кристалла YBa2Cu3O7–x, является источником важной информации, необходимой для выяснения микроскопического механизма «высоко- температурной» сверхпроводимости, который до настоя- щего времени остается невыясненным [26]. С учетом этого факта, особое значение получили эксперименталь- ные методы, позволяющие выявить параметры сверхпро- водников, которые существенно влияют на их физиче- ские характеристики в нормальном и сверхпроводящем состояниях. Одним из важнейших методов в этом аспек- те является использование высокого давления, посколь- ку это не только позволяет прояснить роль и влияние структурных особенностей системы на формирование сверхпроводящего состояния, но и дает возможность моделирования проводящих характеристик и критиче- ских параметров сверхпроводника. В данной работе обсуждаются результаты исследо- ваний, полученные нами в разные годы [27,28], в которых изучалось влияние внешнего гидростатического давле- ния Р на величину температуры перехода Тс, а также на параметры зависимостей электрического сопротив- ления от температуры R(T) в интервале температур от комнатной вплоть до температуры перехода в сверхпро- водящее состояние. Изучались кристаллы YBa2Cu3O7–x, характеризующиеся существенным дефицитом ионов кислорода (х ≈ 0,4). Обнаружено (см. рис. 1, 2), что внешнее гидростати- ческое давление Р ≈ 7 кбар обусловливает увеличение температуры перехода Тс, уменьшает величину элек- трического сопротивления R(Т) и изменяет параметры кривой, описывающей изменение сопротивления R от времени t при постоянной температуре (Т = 300 К). Основной причиной указанных изменений, наблю- давшихся нами в условиях действия давления, по наше- му мнению, является интенсификация процесса пере- распределения ионов кислорода в объеме исследуемого кристалла, что способствует формированию дополни- тельного количества специфических структурных об- разований (отрицательных U-центров), способных ге- нерировать спаренные носители заряда [29]. Обсуждается механизм перераспределения ионов кислорода в исследуемом монокристалле, а также роль давления в этом процессе. 1. Эксперимент и его результаты В работе приведены и обсуждены результаты экс- периментального исследования влияния внешнего гид- ростатического давления до 7 кбар на температурные зависимости электрического сопротивления R(T) в ab- плоскости монокристаллов YBa2Cu3O7–x (х ≈ 0,4) в Рис.1. Температурные зависимости удельного электрического сопротивления ρ(T) при различных давлениях Р, кбар: 0 (1), 4,2 (2), 6,3 (3) и непосредственно после снятия давления (4). Вставка: резистивные переходы в сверхпроводящее состоя- ние при тех же давлениях. Рис. 2. Зависимость температуры перехода Тс от величины приложенного внешнего гидростатического давления Р. 54 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 1 Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa2Cu3O7–x интервале температур от 300 К до температуры перехо- да в сверхпроводящее состояние Тс. Кристаллы выращивали по технологии «раствор– расплав» в золотом тигле по методике, описанной в ра- боте [30]. Образцы имели форму параллелепипеда с размерами ≈ 2×1,5×0,2 мм. Наибольшая площадь об- разца соответствовала кристаллографической плоско- сти ab. Первоначально образцы подвергали термооб- работке в потоке кислорода при Т = 400 °С в течение пяти суток для их полного насыщения кислородом, т.е. уменьшали параметр х до значения ≈ 0 – 0,1. Температурные зависимости электрического сопро- тивления R(T) измеряли стандартным четырехзондовым методом при постоянном токе. Температура перехода в сверхпроводящее состояние образцов, прошедших пер- воначальную термообработку в потоке кислорода, до- стигала значения ≈ 92 К. Для того чтобы уменьшить содержание кислорода в исследуемых образцах, про- водили их дополнительный отжиг в течение двух суток в атмосфере воздуха при температуре 500 °С. Темпера- тура Тс для образцов с дефицитом кислорода понижа- лась до значения ≈ 45 К. Согласно литературными данными, такая температура перехода соответствует величине параметра х ≈ 0,4 [31]. Образцы именно тако- го стехиометрического состава были предметом наших исследований в условиях действия внешнего гидроста- тического давления на электрическую проводимость изучаемого кристалла [27,28]. Давление создавали с помощью мультипликатора по методике, описанной в работе [32]. Величину прикла- дываемого давления P измеряли с помощью мангани- нового манометра и варьировали в интервале 0–7 кбар. Температуру Тс определяли по середине резистивного перехода в сверхпроводящее состояние, т.е. на уровне / 2nR R= , где Rn — величина электрического сопро- тивления образца в нормальном (несверхпроводящем) состоянии. Температурные зависимости R(T) вначале измеряли в процессе нагрева мультипликатора при атмосферном давлении. Затем давление постепенно повышали при комнатной температуре. При достижении желаемой ве- личины давления мультипликатор охлаждали до темпе- ратуры Т < Тс и уже после этого проводили измерения R(T). После измерения при максимальном давлении его понижали до величины атмосферного давления и повторно проводили измерение зависимости R(T). Кроме зависимостей R(T), были проведены изотер- мические измерения изменения величины электрическо- го сопротивления R при температуре 300 К как функ- ции времени t при действии давления 4,3 кбар, а также после его снятии. В этом эксперименте время макси- мальной выдержки достигало ≈ 80 часов. На рис. 1 представлены зависимости R(T), наблюдаю- щиеся при различных давлениях Р (0–6,3 кбар). Сплош- ная кривая соответствует измерениям, проведенным не- посредственно после снятия давления. На вставке рис. 1 изображены резистивные переходы в сверхпроводящее состояние при различных давлениях. Полученные экспериментальные данные свидетель- ствуют о том, что уменьшение содержания кислорода, кроме понижения температуры перехода от Тс ≈ 92 К до Тс ≈ 45 К и увеличения абсолютного значения элек- трического сопротивления от R ≈ 0,1 Ом до R ≈ 3,2 Ом (Т = 300 К), приводит также к изменению характера зависимостей R(T) при Т > Тс. При этом линейные за- висимости R(T), характерные для металлической про- водимости, превращаются в зависимости, имеющие специфический термоактивационный прогиб. Умень- шение содержания кислорода в образце сопровождает- ся также увеличением ширины резистивного перехода в сверхпроводящее состояние от значения ∆Тс ≤ 0,3 К при х ≈ 0 до ∆Тс ≈ 10 К при х ≈ 0,4. При этом сам пере- ход приобретает ступенчатую форму (см. вставку на рис. 1). С увеличением величины давления увеличива- ется также и температура перехода Тс (см. рис. 2). Вся совокупность полученных экспериментальных результатов хорошо согласуется, если предположить, что внешнее гидростатическое давление интенсифици- рует появление в исследуемых образцах нескольких (как минимум двух) фаз, характеризующихся различным значением температуры перехода Тс. По нашему мне- нию, это связано с процессом перераспределения ионов кислорода в объеме кристалла YBa2Cu3O7–x (х = 0,4). Давление ускоряет процесс диффузионной коалесцен- ции микроскопических скоплений кислородных вакан- сий различного размера, образующихся в исследуемом кристалле в связи с дефицитом кислорода. В результате коалесценции происходит перераспределение ионов кис- лорода в кристалле, что приводит к увеличению количе- ства достаточно больших по размерам упорядоченных одномерных скоплений ионов кислорода (кластеров). Одновременно происходит уменьшение параметра х. Со- ответственно, увеличивается число специфических струк- турных образований — отрицательных U-центров, спо- собных генерировать спаренные носители заряда [29]. При этом большей концентрации U-центров соответст- вуют более высокие значения Тс сверхпроводящей фазы. Обоснованию правомерности использования вы- двинутой гипотезы для объяснения полученных экспе- риментальных результатов посвящен следующий пара- граф данной статьи. 2. Перераспределение ионов кислорода в кристаллах YBa2Cu3O7–x (х = 0,4) и интенсификация этого процесса внешним гидростатическим давлением Как уже отмечалось, кристалл YBa2Cu3O7–x с су- щественным дефицитом ионов кислорода (x > 0,4) яв- ляется соединением с ионно-ковалентной связью и ха- рактеризуется дефектной по кислороду тетрагональной Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 1 55 Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич кристаллической решеткой. В процессе термообработ- ки, по мере насыщения кристалла ионами кислорода, происходит превращение исходной решетки в ортором- бическую перовкситоподобную решетку. Для этой кри- сталлической структуры характерным является «слои- стое» строение в виде медно-кислородных плоскостей СuO2, а также наличие упорядоченных цепочек ионов кислорода (кластеров), ориентированных в определен- ных кристаллографических направлениях [33]. Именно эта структура, реализующаяся при значении величины параметра х ≈ 0, определяет сверхпроводимость кри- сталла YBa2Cu3O7–x с максимальной температурой пе- рехода Тс ≈ 92 К. Нами изучались кристаллы, характеризующиеся значением параметра х ≈ 0,4 и температурой перехода Тс ≈ 45 К. Естественно, что в структуре этих кристал- лов в связи с дефицитом ионов кислорода присутство- вало определенное количество кластеров, не полностью укомплектованных до оптимального стехиометриче- ского состава. По существу, исследуемый кристалл представлял собой термодинамически неравновесную систему, имеющую в своей структуре дефекты в виде различных по размерам микроскопических скоплений кислородных вакансий. Поведение такой системы на пути к установлению равновесного состояния можно описать в рамках теории диффузионной коалесценции выделений посторонней фазы из пересыщенного рас- твора [34]. Применительно к рассматриваемому нами случаю посторонней фазой является пустота, связанная с наличием скоплений, образованных кислородными вакансиями. При этом реализуется ситуация, соответ- ствующая заключительной стадии процесса эволюции двухфазной системы, когда выделения посторонней фа- зы (скопления вакансий) уже сформировались, и про- исходит лишь изменение их размеров. Согласно работе [35], диффузионный поток вещест- ва пересыщенной фазы (в нашем случае поток вакан- сий) на единичную поверхность скопления, описыва- ется выражением ( ) ( )/ ( ) / v v r L v LJ D dс dr D L C C== ≈ − . (1) Здесь Dv — коэффициент диффузии вакансий, L — эффективный размер скопления, С — концентрация вакансий в кристалле, СL — концентрация вакансий непосредственно вблизи скопления, r — координата. Величина СL определяется известной формулой: 0 1 )/(LС C L≈ + α , где С0 — равновесная концентрация вакансий, α = 2γΩ∕kТ (γ — удельная поверхностная энергия, k — постоянная Больцмана, Т — температура). Учитывая соотношение (1), а также то, что в нашем случае «пересыщение» вакансиями в кристалле харак- теризуется параметром 0 0( ) /–х С С С= , изменение раз- мера скопления со временем t может быть описано сле- дующим образом: / /( ) ( / )dL dt D L x L≈ −α , (2) где 0/vD D C= — коэффициент диффузии ионов кис- лорода. Из соотношения (2) следует, что при каждой величи- не «пересыщения» кристалла неравновесными (несте- хиометрическими) вакансиями, т.е. при каждом значе- нии параметра x > 0, существуют скопления вакансий, которые находятся в равновесном состоянии. Для них выполняется условие: dL∕dt = 0. Эти скопления вакан- сий характеризуются некоторым критическим разме- ром L: L* = α/x. (3) Существование критического размера L* означает, что при L > L* в связи со стремлением системы устано- вить равновесное состояние скопление вакансий уве- личивает свой размер, а при L < L* уменьшает его, т.е. растворяется. Заметим, что величина «пересыщения», характеризуемая параметром х, и, соответственно, ве- личина L* изменяются со временем и по мере прибли- жения к равновесию, когда х → 0, L* → ∞. Таким об- разом, в равновесном состоянии все имеющиеся в кристалле скопления нестехиометрических вакансий кислорода должны исчезнуть диффузионным путем, объединившись с самым большим «скоплением пусто- ты» — поверхностью кристалла. Если к кристаллу приложено всестороннее (гидро- статическое) давление Р, то в связи с уменьшением концентрации вакансий вблизи скопления СL величина «пересыщения» кристалла вакансиями уменьшается. Соответственно, увеличивается величина критического размера скопления L. Легко показать, что между крити- ческим размером скопления в отсутствие давления L и при его наличии * рL существует связь: * ( ) / 1 )–(рL L P= β , (4) где / 2Lβ = γ . Отсюда следует, что под влиянием дав- ления скопления вакансий «надкритического» размера ( * pL L> ) переходят в разряд «подкритических» ( * pL L< ), т.е. растворяющихся. Таким образом, давление интен- сифицирует процесс растворения скоплений вакансий в кристалле. Теперь учтем тот факт, что поток вакансий в любом направлении обусловливает поток ионов кислорода в противоположном направлении: 0–vJ J= . Следователь- но, процесс коалесценции скоплений вакансий (про- * Величина L имеет смысл некоторого эффективного размера скопления вакансий: 1/3 1/33 /4 3 / 4( ) ( )L V N≈ π ≈ Ω π , где V — объем скопления, образованного N вакансиями, Ω — объем, приходящийся на одну вакансию. 56 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 1 Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa2Cu3O7–x цесс их растворения вплоть до полного исчезновения) одновременно означает коалесценцию кислородных кластеров, т.е. по мере приближения кристалла к рав- новесному состоянию кислородные кластеры должны увеличивать свои размеры (расти). Таким образом, при достижении равновесного стехиометрического состоя- ния, т.е. при достижении величины параметра х ≈ 0, исчезает дефицит ионов кислорода и одновременно все упорядоченные цепочки ионов кислорода (кластеры) становятся полностью укомплектованными. Соответ- ственно, установление равновесного состояния в кри- сталле должно способствовать формированию допол- нительного количества отрицательных U -центров, так как именно полностью укомплектованные кислород- ные кластеры являются основным составляющим зве- ном этих центров [29]. Естественно, в этом состоянии кристаллы YBa2Cu3O7–x должны характеризоваться максимальной температурой перехода в сверхпрово- дящее состояние. Таким образом, в соответствии с приведенными выше рассуждениями, внешнее гидростатическое дав- ление способствует процессу коалесценции кислород- ных кластеров и, следовательно, должно интенсифи- цировать процесс формирования фазы, обладающей более высокой температурой перехода Тс. Именно это мы наблюдали в наших экспериментах (см. рис. 2). Заметим, что в процессе установления равновесного состояния параметр х, характеризующий степень «пе- ресыщения» кристалла вакансиями кислорода, а также средний размер скоплений Lmid зависят не только от температуры, но и от времени: х ≈ λ t–1∕3, где λ ≈ (α2 ∕3D–1 ∕3); Lmid ≈ (Dα)1 ∕3 t1 ∕3 [34]. Кроме того, диффузия ионов кислорода в исследуемом кристалле на разных этапах установления равновесного состоя- ния может реализовываться как обычным классиче- ским механизмом, так и более ускоренным механиз- мом «однофайловой» диффузии [35]. Указанное обстоятельство усложняет характер ки- нетических зависимостей х(t) и Lmid(t), которые в ко- нечном итоге определяют характер релаксационных кривых R(T). В условиях действия давления процесс заполнения кластеров ионами кислорода ускоренным механизмом «однофайловой» диффузии реализуется только на начальном этапе, а в дальнейшем этот про- цесс и, соответственно, уменьшение электрического сопротивления лимитируются более медленным меха- низмом классической диффузии. После снятия же дав- ления процесс более интенсивного увеличения разме- ров кислородных кластеров приостанавливается. При этом с течением времени увеличивается число не пол- ностью укомплектованных кластеров и, соответствен- но, происходит релаксация сопротивления R. В этих условиях перемещение ионов кислорода реализуется на значительно меньшие расстояния и может осущест- вляться в режиме «однофайловой» диффузии практи- чески до полного установления равновесного значения R(t → ∞). Определенную роль при этом может играть присутствие в системе структурной и кинематической анизотропии [36–39]. В заключение приведем некоторые количественные оценки, подтверждающие действенность предлагаемо- го нами механизма коалесценции (увеличения разме- ров) кислородных кластеров в исследуемом кристалле, а также роль давления в этом процессе. В соответствии с формулой (3), величину критиче- ского размера скопления вакансий можно оценить с помощью соотношения L* ≈ 2γΩ ∕ kTx . Подставляя в это соотношение значения констант γ ≈ 10–1 Дж/м2, Ω ≈ 3⋅10–29 м3, kТ ≈ 3⋅10–21 Дж (T ≈ 300 К), а также х ≈ 0,4, получаем L* ≈ 5⋅10–9 м, что разумно. Кроме того, из соотношения (4) следует, что при давлении * * 2 / pР L≈ γ величина L* обращается в беско- нечность, т.е. все имеющиеся в кристалле скопления не- стехиометрических вакансий должны раствориться диф- фузионным механизмом, превратившись в кислородные кластеры. Полагая * * pL L≈ (начальная стадия процесса коалесценции) и подставив это значение в формулу для *Р , имеем 8 2Н / м10 1 кбарР ≈ ≈ . Сделанная гру- бая оценка означает, что давление в несколько килобар может повлиять на процесс коалесценции кислород- ных кластеров в исследуемом кристалле. Именно этот эффект мы и наблюдали экспериментально. Выводы На основании обработки полученных эксперимен- тальных результатов и их обсуждения можно сделать следующие выводы. Внешнее гидростатическое давление Р ≈ 7 кбар су- щественно интенсифицирует процесс диффузионной ко- алесценции кислородных кластеров, т.е. обусловливает рост их среднего размера. В свою очередь, увеличение размеров кислородных кластеров приводит к увеличе- нию числа отрицательных U-центров, наличие которых приводит к появлению фазы, способной генерировать спаренные носители электрического заряда и, соответ- ственно, характеризующейся большей температурой пе- рехода Тс. Все другие плученные в наших экспериментах ре- зультаты, а именно изменение параметров зависимо- стей R(T) и R(t), также объясняются в рамках гипотезы о механизме диффузионной коалесценции кислородных кластеров в кристалле YBa2Cu3O7–x в условиях дейст- вия внешнего гидростатического давления. 1. J. Kircher, M. Cardona, A. Zibold, K. Widder, and H.P. Geserich, Phys. Rev. B 48, 9684 (1993). 2. R.V. Vovk, M.A. Obolenskii, A.A. Zavgorodniy, I.L. Goulatis, and A.I. Chroneos, J. Mater. Sci.: Mater Electron 22, 20 (2011). 3. S. Sadewasser, J.S. Schilling, A.P. Paulicas, and B.M. Veal, Phys. Rev. B 61, 741 (2000). Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 1 57 http://dx.doi.org/10.1007/s10854-010-0076-0 Ю.И. Бойко, В.В. Богданов, Р.В. Вовк, Г.Я. Хаджай, С.В. Савич 4. R.V. Vovk, G.Ya. Khadzhai, O.V. Dobrovolskiy, S.N. Kamchatna, and A. Chroneos, Mod. Phys. Lett. B 30, 1650188 (2016). 5. J.D. Jorgencen, Pei Shiyou, P. Lightfoot, H. Shi, A.P. Paulikas, and B.M.W. Veal, Physica C 167, 571 (1990). 6. R.V. Vovk, N.R. Vovk,·and O.V. Dobrovolskiy, J. Low Temp. Phys. 175, 614 (2014). 7. B. Martinez, F. Sandiumenge, S. Pinol, N. Vilalta, J. Fontcuberta, and X. Obradors, Appl. Phys. Lett. 66, 772 (1995). 8. R.V. Vovk, N.R. Vovk, G.Ya. Khadzhai, Oleksandr V. Dobrovolskiy, and Z.F. Nazyrov, J. Mater. Sci.: Mater. Electron 25, 5226 (2014). 9. D.A. Lotnyk, R.V. Vovk, M.A. Obolenskii, A.A. Zavgorodniy, J. Kováč, M. Kaňuchová, M. Šefciková, V. Antal, P. Diko, A. Feher, and A. Chroneos, J. Low Temp. Phys. 161, 387 (2010). 10. R. Menegotto Costa, F.T. Dias, P. Pureu, and X. Obradors, Physica C 495, 202 (2013). 11. R.V. Vovk, G.Ya. Khadzhai, O.V. Dobrovolskiy, S.N. Kamchatna, and V.M. Pinto Simoes, Phys. B: Cond. Matter 518, 47 (2017). 12. R.V. Vovk, Z.F. Nazyrov, M.A. Obolenskii, I.L. Goulatis, A. Chroneos, and V.M. Pinto Simoes, Philos. Mag. 91, 2291 (2011). 13. A. Solovjov, M. Tkachenko, R. Vovk, and A. Chroneos, Physica C 501, 24 (2014). 14. M. Sarikaya, R. Kikuchi, and I.A. Aksay, Physica C 152, 161 (1988). 15. А.В. Бондаренко, В.А. Шкловский, Р.В. Вовк, М.А. Оболенский, А.А. Продан, ФНТ 23, 1281 (1997) [Low Temp. Phys. 23, 962 (1997)]. 16. R.V. Vovk, M.A. Obolenskiy, A.A. Zavgorodniy, D.A. Lotnyk, and K.A. Kotvitskaya, Physica B 404, 3516 (2009). 17. W.H. Fietz, R. Quenzel, K. Grube, J. Metzger, T. Weber, and H.A. Ludwig, Physica С 235–240, 1785 (1994). 18. R.V. Vovk, G.Ya. Khadzhai, I.L. Goulatis, and A. Chroneos, Physica B 436, 88 (2014). 19. R.V. Vovk, M.A. Obolenskii, A.A. Zavgorodniy, I.L. Goulatis, A.I. Chroneos, and V.M. Pinto Simoes, J. Mater. Sci.: Mater. Electron 20, 858 (2009). 20. R.V. Vovk, G.Y. Khadzhai, Z.F. Nazyrov, and S.N. Kamchatnaya, Solid State Commun. 255–256, 20 (2017). 21. A.L. Solovyov, L.V. Omelchenko, V.B. Stepanov, R.V. Vovk, H.-U. Habermeier, P. Przyslupski, and K. Rogacki, Phys. Rev. B 94, 224505 (2016). 22. G. Fuchs, A. Gladun, R. Mueller, M. Ritschel, G. Krabbes, P. Verges, and H. Vinzelberg, J. Less-Common Metals 151, 103 (1989). 23. H. Krebs, J. Less-Common Metals 150, 269 (1989). 24. А.М. Косевич, Дислокации в теории упругости, Наукова думка, Киев (1978). 25. Ju. Boyko, H. Jaeger, M. Aslan, K. Schulze, and G. Petzow, Mater. Lett. 11, Nos. 5, 6, 7, 207–211 (1991). 26. J.G. Bednorz and K.A. Muller, Z. Phys. B 64, 189 (1986). 27. D.D. Balla, A.V. Bondarenko, R.V. Vovk, M.A. Obolenskii, and A.A. Prodan, Fiz. Nizk. Temp. 23, 1035 (1997) [Low Temp. Phys. 23, 777 (1997). 28. Р.В. Вовк, М.А. Оболенский, А.В. Бондаренко, ФНТ 33, 126 (2007) [Low Temp. Phys. 33, 94 (2007)]. 29. К.В. Мицен, О.М. Иваненко, УФН 174, 545 (2004). 30. R.V. Vovk, G.Ya. Khadzhai, and O.V. Dobrovolskiy, Appl. Phys. A 117, 997 (2014). 31. Physical Properties High-temperature Superconductors I, D.M. Ginsberg (ed.), Singapore: Word Scientific, Singapore (1989). 32. A.L. Solovjov, L.V. Omelchenko, R. Vovk, O.V. Dobrovolskiy, Z.F. Nazyrov, S.N. Kamchatnaya, and D.M. Sergeyev, Phy- sica B 493, 58 (2016. 33. Р. Эванс, Введение в кристаллохимию, Госхимиздат, Мо- сква (1948). 34. I.M. Lifshitz and V.V. Slezov, Sov. Phys. JETP 35, 331 (1959). 35. R.V. Vovk, Yu.I. Boyko, V.V. Bogdanov, S.N. Kamchatnaya, I.L. Goulatis, and A. Chroneos, Physica C 536, 26 (2017). 36. A. Chroneos and R.V. Vovk, Solid State Ionics 274, 1 (2015). 37. R.V. Vovk, C.D.H. Williams, and A.F.G. Wyatt, Phys. Rev. B 68, 134508 (2003). 38. R.V. Vovk, G.Ya. Khadzhai, and O.V. Dobrovolskiy, Mod. Phys. Lett. B 28, 1450245 (2014). 39. R.V. Vovk, C.D.H. Williams, and A.F.G. Wyatt, Phys. Rev. Lett. 91, 235302 (2003). Redistribution of oxygen ions in YBa2Cu3O7–x single crystals due to external hydrostatic pressure Yu.I. Boiko, V.V. Bogdanov, R.V. Vovk, G.Ya. Khadzhai, and S.V. Savich The effect of high hydrostatic pressure on the tem- perature dependences of the electrical resistivity in the basal plane of YBa2Cu3O7–x single crystals with oxy- gen deficiency is studied. It is established that the ex- ternal hydrostatic pressure Р ≈ 7 kbar substantially in- tensifies the process of diffusion coalescence of oxygen clusters, that is, it causes the growth of their average size. This, in turn, leads to an increase in the number of negative U-centers, the presence of which leads to the appearance of a phase capable of generating paired carriers of electric charge and, accordingly, character- ized by a higher transition temperature Тс. Within the framework of the same hypothesis on the mechanism of diffusion coalescence of oxygen clusters, a change in the form of the temperature and time dependences of the electrical resistivity under the action of external hydrostatic pressure is discussed. PACS: 74.72.–h Cuprate superconductors. Keywords: single crystals YBa2Cu3O7–x, hydrostatic pressure, coalescence, oxygen deficiency, single-file diffusion. 58 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 1 http://dx.doi.org/10.1007/s10909-014-1121-9 http://dx.doi.org/10.1007/s10909-014-1121-9 http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Martinez,%20B..QT.&newsearch=partialPref http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Martinez,%20B..QT.&newsearch=partialPref http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Pinol,%20S..QT.&newsearch=partialPref http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Vilalta,%20N..QT.&newsearch=partialPref http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Fontcuberta,%20J..QT.&newsearch=partialPref http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Obradors,%20X..QT.&newsearch=partialPref http://ieeexplore.ieee.org/search/searchresult.jsp?searchWithin=p_Authors:.QT.Obradors,%20X..QT.&newsearch=partialPref http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038109814001549 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038109814001549 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038109814001549 http://dx.doi.org/10.1007/s10854-014-2292-5 http://dx.doi.org/10.1007/s10854-014-2292-5 https://www.researchgate.net/author/D.+A.+Lotnyk https://www.researchgate.net/author/R.+V.+Vovk https://www.researchgate.net/author/M.+A.+Obolenskii https://www.researchgate.net/author/A.+A.+Zavgorodniy https://www.researchgate.net/author/J.+Kov%C3%A1%C4%8D https://www.researchgate.net/author/M.+Ka%C5%88uchov%C3%A1 https://www.researchgate.net/author/M.+%C5%A0efcikov%C3%A1 https://www.researchgate.net/author/V.+Antal https://www.researchgate.net/author/P.+Diko http://dx.doi.org/10.1007/s10909-010-0198-z http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2017.05.020 http://dx.doi.org/10.1007/s10854-008-9806-y http://dx.doi.org/10.1007/s10854-008-9806-y http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038109814001549 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038109814001549 http://dx.doi.org/10.1142/S%200217984914502455 http://dx.doi.org/10.1142/S%200217984914502455 Введение 1. Эксперимент и его результаты 2. Перераспределение ионов кислорода в кристаллах YBa2Cu3O7–x (х = 0,4) и интенсификация этого процесса внешним гидростатическим давлением Выводы bojk.pdf Выводы

Перераспределение ионов кислорода в монокристаллах YBa₂Cu₃O₇₋x, обусловленное внешним гидростатическим давлением

Репозитарії

Схожі ресурси