Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом
Аналитическим методом впервые определены и исследованы свойства внутреннего (химического)
 давления Pi, создаваемое кислородом в ВТСП YBa₂Cu₃O₇₋y и Tl₂Ba₂CuO₆₊x образцах. Предсказаны критические температуры Тс, значения величины dTc /dPi для главных кристаллографических осей, а также
...
Saved in:
| Published in: | Физика низких температур |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128232 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом / В.Ф. Хирный // Физика низких температур. — 2015. — Т. 41, № 11. — С. 1126–1132. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860262771998851072 |
|---|---|
| author | Хирный, В.Ф. |
| author_facet | Хирный, В.Ф. |
| citation_txt | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом / В.Ф. Хирный // Физика низких температур. — 2015. — Т. 41, № 11. — С. 1126–1132. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика низких температур |
| description | Аналитическим методом впервые определены и исследованы свойства внутреннего (химического)
давления Pi, создаваемое кислородом в ВТСП YBa₂Cu₃O₇₋y и Tl₂Ba₂CuO₆₊x образцах. Предсказаны критические температуры Тс, значения величины dTc /dPi для главных кристаллографических осей, а также
возможность синтезировать соединения YBa₂Cu₃O₇₋y и Tl₂Ba₂CuO₆₊x, у которых Тс равна 166 и 92,3 К
соответственно.
Аналітичним методом вперше визначено та досліджено властивості внутрішнього (хімічного) тиску,
створюваного киснем в ВТНП YBa₂Cu₃O₇₋y і Tl₂Ba₂CuO₆₊x зразках. Передбачені критичні температури
Тс, значення величини dTc /dPi для головних кристалографічних вісей, а також можливість синтезувати
сполуки YBa₂Cu₃O₇₋y і Tl₂Ba₂CuO₆₊x, у яких Тс дорівнює 166 та 92,3 К відповідно.
The internal (chemical) pressure Pi created by oxygen
in YBa₂Cu₃O₇₋y and Tl₂Ba₂CuO₆₊x samples is
determined for the first time using the analytical method,
its properties are studied. Predicted are the critical
temperatures Тс , the values of / c i dT dP for the main
crystallographic axes, as well as the possibility to synthesize
the compounds YBa₂Cu₃O₇₋y and Tl₂Ba₂CuO₆₊x
with Тс ≅ 166 and 92 K, respectively.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:57:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 11, c. 1126–1132
Внутреннее давление в сверхпроводниках,
создаваемое кислородом
В.Ф. Хирный
НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, пр. Ленина, 60, г. Харьков, 61001, Украина
E-mail: khirnyi@isc.kharkov.ua
Статья поступила в редакцию 28 января 2015 г., после переработки 2 июня 2015 г.,
опубликована онлайн 25 сентября 2015 г.
Аналитическим методом впервые определены и исследованы свойства внутреннего (химического)
давления Pi, создаваемое кислородом в ВТСП YBa2Cu3O7–y и Tl2Ba2CuO6+x образцах. Предсказаны кри-
тические температуры Тс, значения величины dTc /dPi для главных кристаллографических осей, а также
возможность синтезировать соединения YBa2Cu3O7–y и Tl2Ba2CuO6+x, у которых Тс равна 166 и 92,3 К
соответственно.
Аналітичним методом вперше визначено та досліджено властивості внутрішнього (хімічного) тиску,
створюваного киснем в ВТНП YBa2Cu3O7–y і Tl2Ba2CuO6+x зразках. Передбачені критичні температури
Тс, значення величини dTc /dPi для головних кристалографічних вісей, а також можливість синтезувати
сполуки YBa2Cu3O7–y і Tl2Ba2CuO6+x, у яких Тс дорівнює 166 та 92,3 К відповідно.
PACS: 74.62.Fj Эффекты давления;
74.72.–h Купратные сверхпроводники;
74.72.Jt Другие купраты, включая Tl и купраты на основе ртути.
Ключевые слова: внутреннее (химическое) давление, критические температуры, производная температу-
ры по давлению, купраты.
1. Введение
Поиск и обнаружение новых сверхпроводников не-
возможны без выяснения влияния на критическую тем-
пературу сТ высокого давления P и легирования об-
разцов металлами или другими веществами [1]. Это
происходит из-за того, что, несмотря на почти тридца-
тилетнюю историю изучения ВТСП, отсутствует теория
этого явления, которая предсказывала бы появление
сверхпроводимости в том или ином веществе. Поэтому
большое количество теоретических и эксперименталь-
ных работ по изучению сверхпроводимости посвяще-
ны определению вида зависимостей /cdT dP и /cdT dх,
где х — концентрация легирующей примеси. Нагляд-
ным примером изменения сТ в результате применения
внешнего давления Р служит сверхпроводящее соеди-
нение YBa2Cu3O7. Так, в работе [2] найдено, что Р =
= 2 ГПа повышает величину сТ на 1–1,5 К. Такая сла-
бая зависимость ( )сТ Р , как это было предположено в
работе [2], обусловлена влиянием на сТ сильного
внутреннего («химического») давления, которое воз-
никает в образце из-за малого размера радиуса иона
иттрия.
Во многих случаях изменение давления внутри
YBa2Cu3O7–у образцов создают легированием. В зави-
симости от размера примеси можно получать положи-
тельные или отрицательные давления. Внедрение в
образцы атомов с малым радиусом, меньшим, чем ра-
диус атомов хозяина, по воздействию на кристалличе-
скую решетку эквивалентно положительному внешнему
давлению. При введении же атомов с большим радиу-
сом появляются отрицательные давления [3]. Были вы-
полнены многочисленные эксперименты по замене эле-
ментов в манганитах, кобальтитах и ВТСП образцах.
Полученные результаты часто объясняли, привлекая
концепцию внутреннего давления iP . Так, в работе [4]
исследовали свойства сверхпроводящего соединения
Y(Ba,М)2Cu3O9–y при легировании его металлами М = Sr,
La. Примеси могли селективно замещать Ва до 35% без
произвольной замены Y на Sr или La. Замена Ва на Sr
создавала обычное химическое давление. Подстановка
же La привносила в кристаллическую решетку допол-
© В.Ф. Хирный, 2015
Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом
нительный кислород, создающий добавочное внутрен-
нее давление к тому, которое появлялось после замены
Ва на La.
Величину внутреннего давления iP выражают в ви-
де [5]
( ) ( ) ( )1/ 1– 0 / 0i i i iP k a x a x= ≠ = , (1)
где ik — коэффициенты сжимаемости: объемный —
kv , и линейные — в направлении сжимаемости вдоль
главных кристаллографических осей «а» — ak , «b» —
bk , «c» — ck ; ia — параметры кристаллической ре-
шетки a, b, c или объем элементарной ячейки V. Через
х обозначено количество легирующей примеси (М) в
Y(Ba1–xМx)2Cu3O7–y соединении.
Исследование свойств купратных ВТСП с кисло-
родной нестехиометрией имеет ключевое значение в
плане понимания механизма сверхпроводимости [6–9].
Тем не менее до сих пор изменение внутреннего дав-
ления, создаваемого легированием кислорода в оксид-
ных купратах при их переходе в ВТСП состояние, не
исследовалось. Это сделано аналитически в настоящей
работе для ВТСП YBa2Cu3O7–y и Tl2Ba2CuO6+x по ана-
логии с работами [1,5] и др., в которых обнаружено,
что с увеличением степени легирования металлами в
YBa2Cu3O7–y изменяется внутреннее (химическое) дав-
ление, а в работе [4] отмечено и появление кислорода.
Исходное давление кислорода без учета его давления,
как координаты, в несверхпроводящем YBa2Cu3O7–y
равно 0,21 атм. [10].
2. Внутреннее давление в YBa2Cu3O7–y соединении
2.1. Модель
При определении внутреннего давления, создавае-
мого кислородом, необходимо знать соотношение ме-
жду кислородным индексом, постоянными кристалли-
ческой решетки и ее объемом. Для YBa2Cu3O7–y оно
было определено с помощью рентгеновских исследо-
ваний при 300 К, например в работе [11], где (7 – )у
изменяли от 6,2 до 6,9. В результате оказалось, что
постоянные а и с уменьшались, а b увеличивалось. На-
ступало искажение кристаллической решетки с дефор-
мацией. Вдоль направлений осей а и с происходило
сжатие, а вдоль оси b — растяжение. Понятия «сжа-
тие» и «растяжение» в данном случае являются отно-
сительными, поскольку, предполагая, что (7 – )у изме-
няется от 6,9 до 6,2, получаем противоположный по
знакам результат, т.е. это скажется лишь на знаках iР ,
/с idТ dP и др. с варьированием (7 – )у .
Внутреннее давление, создаваемое кислородом в
сверхпроводящем YBa2Cu3O7–y, в настоящей работе
определяли при изменении кислородного индекса от
6,2 до 6,9 с интервалом 0,1. При этом следовали мето-
дике, применяемой в работах [1,5], т.е. предполагали,
что нет принципиального различия в способе создания
химического давления легированием катионами или
анионами. Поэтому в формуле (1) величины ( )0iа x ≠
заменяли на )–(7ia у , a ( )0V x ≠ на ( )7 –V у , получен-
ные в работе [11] для отмеченных выше значений ки-
слородного индекса. )0(iа и (0)V принимали равными
ia и V в образце YBa2Cu3O6,3 [11]. Значения коэффи-
циентов сжимаемости ik даны в работе [12] для соеди-
нений YBa2Cu3O6,6 и YBa2Cu3O6,93. Так как kV линей-
но увеличивается с уменьшением (7 – )у от 7,0 до 6,0 и
a b ck k k k= + +V [12], то было установлено (cм. табл. 1),
что каждое из этих слагаемых также линейно зависит
от (7 – )у . Чтобы их определить, выполняли линейную
экстраполяцию. Через два известных значения ki со-
единений YBa2Cu3O6,6 и YBa2Cu3O6,93 при (7 – )у , рав-
ных 6,6 и 6,93 [12], проводили прямую линию.
Таблица 1. Линейные коэффициенты сжимаемости вдоль
главных кристаллографических осей YBa2Cu3O7–y образцов,
определенные для различных значений ( )7 – у
7 – у kV, 10–3
ГПа–1
kс,10–3
ГПа–1
kа,10–3
ГПа–1
kb, 10–3
ГПа–1
Ссылки
6,93 8,1 3,0 2,9 2,3 [9]
6,8 8,4 3,04 2,94 2,41 Эта работа
6,7 8,6 3,07 2,97 2,5 –"–
6,6 8,8 3,1 3,0 2,6 [9]
6,5 9,0 3,13 3,03 2,74 Эта работа
6,4 9,1 3,17 3,06 2,81 –"–
6,3 9,5 3,2 3,1 2,9 –"–
6,2 9,6 3,25 3,13 3,04 –"–
На рис. 1 даны графики зависимостей от кислород-
ного индекса внутреннего давления, создаваемого кис-
лородом, направленного вдоль главных осей a, b и c
Pa, (–Pb), Pc, а также объемного внутреннего давления
VP при Т = 300 К, рассчитанные по видоизмененной
фоpмуле (1). Знак минус обозначает, что происходит
Рис. 1. Изменения внутреннего давления iP c варьированием
кислородного индекса. аР (1), сР (2), ( bР ) (3) — знак минус
обозначает расширение и PV (4).
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 11 1127
В.Ф. Хирный
растяжение вдоль оси b и сжатие вдоль осей а и с, так
как рассматривается случай, когда количество леги-
рующей примеси кислорода в образце увеличивается.
На рис. 1 видно, что внутреннее давление изменяется
неравномерно, о чем сообщалось ранее для образцов
Ge1–xYxBa2Cu3O7–δ при легировании их Y [3]. Отме-
тим появление на графиках рис. 1 особенности в виде
изменения наклона прямых при (7 – )у = 6,5.
Известно [11], что соединение YBa2Cu3O7–у суще-
ствует в трех модификациях. Это сверхпроводящая ор-
торомбическая-I фаза, у которой 7 – 7,0 (6,8 – 6( ) ,75)у = −
и 90 КсТ ≅ . Орторомбическая-II фаза с 60 40 КсТ = − ,
характеризующаяся изменением (7 – )у от 6,65 до 6,4.
И тетрагональная несверхпроводящая модификация с
выполнением условия (6,0 (7 – ) 6,25 ,3)– 6у< < . Струк-
турные превращения в YBa2Cu3O7–у происходят без
скачкообразного нарушения параметров решетки, со-
става и свойств образцов. Их относят к фазовым пере-
ходам второго или более высокого порядка. Поэтому
особенность на рис. 1, по-видимому, появляется в ре-
зультате перехода орто-I–орто-II. Переходу соответст-
вует изменение кривизны у кривых зависимостей ia от
(7 – )у [11], что особенно заметно при варьировании
( )0ia x ≠ с х в легированных металлами образцах, см.,
например, в образцах YBa2(Cu1–xFex)3O7–у [13].
Имеется несколько моделей [8], предложенных с
целью определения вида носителей электрического
заряда в купратах. Если воспользоваться концепцией
«кислород–дырка», то внутреннее давление есть дав-
ление газа носителей положительных электрических
зарядов — дырок, которое, по аналогии с давлением
газа электронов в металлах, запишем в виде [14]:
0,4 i
i FP nE= , (2)
где n — эффективная концентрация подвижных дырок,
определенная из измерений эффекта Холла [15,16], а
i
FE — энергия Ферми дырок. Предполагаем идентич-
ность поведения энергии Ферми у электронов и дырок,
т.е. практическую неизменность FЕ с температурой.
Тогда из формулы (2) следует взаимная зависимость
между внутренним давлением и концентрацией под-
вижных дырок, а Рi можно принять как давление газа
дырок при Т = 0 К. То есть, зная изменение n от вели-
чины (7 – )у [16] и слабое ее изменение с температу-
рой, из формулы (2) можно оценить EF (без учета
взаимодействия между электронами) и ее зависимость
от дефицита кислорода, см. рис. 2. Это очень грубая
оценка (завышена на порядок [14]), но она качественно
показывает, что энергия Ферми в соединении
YBa2Cu3O7–у зависит от концентрации кислорода и его
давления.
В YBa2Cu3O7–у ВТСП образцах наблюдается уни-
версальная корреляция сТ с количеством кислорода,
который находится в этих соединениях [11]. Следова-
тельно, можно определить зависимость сТ от iP (см.
рис. 3) и /i
c idT dP в интервале значений кислородного
индекса от 6,3 до 6,9. Здесь в качестве i фигурируют
постоянные кристаллической решетки а, b, с и V. До
этого было установлено [1,17] влияние на производ-
ную /cdT dP изменения содержания кислорода в об-
разцах, подвергнутых внешнему давлению Р. Однако в
работах [1,17] не учитывали, что в результате воздей-
ствия внешнего давления меняется суммарное внут-
реннее давление и кислородный индекс. Поэтому будут
разные значения величины /cdT dP , если внешнее дав-
ление применяют до начала измерений при комнатной,
а затем повторно при низких температурах [18]. На
рис. 4 показаны скорости изменения сТ с варьировани-
ем iP для различных значений (7 – )у . Из рис. 4 следует,
что величина /cdT dPV
V , когда (7 – )у = 6,5–6,6, на два по-
рядка, а при 6,8 на три порядка больше, чем /cdT dP .
Так, у соединения YBa2Cu3O7 /cdT dP = 0,5 К/ГПа (тео-
рия) и 0,4 К/ГПа (эксперимент), и лишь у PrBa2Cu3O7
/cdT dP = 3,5 К/ГПа [19], см. также работу [3].
Согласно рис. 4, / 0a
c adT dP > , / 0c
c cdT dP > и / 0,V
cdT dP >V
а ( )/ 0b
с bdТ d Р < . Знак производной изменяется с поло-
Рис. 2. (Онлайн в цвете) Изменение EF с варьированием ве-
личины ( )7 – у : FEV (1); FEb (2); a
FE (3) и c
FE (4).
Рис. 3. Зависимости сТ от iP : VP (1), bP (2), aP (3) и cP (4).
1128 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 11
Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом
жительного вдоль осей а и с на отрицательный вдоль
направления оси b, оставаясь положительным для слу-
чая объемного внутреннего давления PV . На рис. 4
имеются два максимума, разделенные узким миниму-
мом при (7 – у) = 6,7. Первый — широкий и низкий со
значением в максимуме max( )/ 65 К / ГПаV
cdT dP ≅V —
расположен в области существования орто-II фазы. Вто-
рой — узкий и высокий с max( / 166,7 К/ГП) аV
cdT dP =V —
находится в районе фазы орто-I. Cледовательно, можно
достигнуть значения 166 КсТ ≅ в образцах YBa2Cu3O7–у,
и в зависимости от степени окисления, количества ио-
нов легирующей примеси и размера их радиусов будет
наблюдаться то или иное изменение производных
/i
c idT dP (см. рис. 4). Производные /i
c idT dP будут уве-
личиваться или уменьшаться. Если образец существует
в орто-II модификации, то при увеличении (7 – )у от
6,4 до 6,5, /i
c idT dP растут. Затем эти производные,
уменьшаясь, достигают минимума при ( )7 – у = 6,7. С
дальнейшим ростом (7 – )у от 6,7 до 6,8 они опять бу-
дут увеличиваться. Однако при ( )7 – 6,8у = и в макси-
муме /i
c idT dP при малейших изменениях количества
кислорода, легирования и/или iP , производные начнут
уменьшаться, т.е. вести себя нестабильно. Из рис. 4
следует, что для каждого из направлений главных кри-
сталлографических осей существует свое предельное
значение критической температуры i
сТ : 108 Кc
cT ≅ ,
125 Кa
cT ≅ , и 139 Кb
cT ≅ .
C изменением сТ в образцах YBa2Cu3O7–у универ-
сально изменяется и число дырок hn на элементарную
ячейку [15]. На рис. 5 даны зависимости i
hn от iP . Видно,
что при малых значениях iP имеется пороговое давле-
ние n
iP . Для главных кристаллографических осей по-
роговые давления равны 1,55 ГПаn n
a cP P= = ,
1,25 ГПаn
bP = , а для случая объемного внутреннего дав-
ления nP =V 0,5 ГПа.= Начиная с этого момента под
влиянием внутреннего давления, создаваемого кисло-
родом, заметно изменяется число дырок на элементар-
ную ячейку со скоростью /i
ihdn dP . Количество дырок
вдоль осей a, c и во всем объеме растет, а вдоль оси b
убывает. С увеличением числа дырок i
hn уменьшается
ki. О пороговом эффекте в экспериментах с примене-
нием внешнего давления Р сообщалось в работе [1].
На рис. 6 даны скорости /i
ihdn dP изменения числа
дырок на элементарную ячейку, зависящие от величи-
ны (7 – )у . Как и ожидалось, их вид коррелирует с по-
ведением зависимостей /i
c idT dP от кислородного ин-
декса. Поэтому все, что было сказано о поведении
/i
c idT dP , относится в некоторой мере и к /i
ihdn dP . Экс-
периментально было обнаружено [1,17] существование
только одного максимума при (7 – ) 6,8y = в зависимо-
сти /dn dP , где n — концентрация подвижных дырок в
плоскостях CuO2. Различие происходит по следующей
причине. В настоящей работе учтено влияние на сТ
всех дырок hn . Поэтому сТ почти линейно изменяется
с hn [15]. А в работах [1,17] учитывались только под-
вижные дырки n, находящиеся в сверхпроводящих пло-
скостях CuO2. В этом случае соотношение между сТ и n
имело вид перевернутой параболы. При min 0,06n =
дырок на плоскость CuO2 образец YBa2Cu3O7–у —
Рис. 4. Изменение производных /i
c idT dP c варьированием
показателя кислородного индекса ( )7 – у : /а
c adT dP (1),
/с
c cdT dP (2), /b
c bdT dP (3) и /cdT dPV
V (4). Рис. 5. Зависимости числа дырок на элементарную ячейку i
hn
от iP : hnV от РV (1), 2) b
hn от bP (2), a
hn от aP (3) и c
hn от cP
(4)
Рис. 6. Зависимости скорости изменения числа дырок на
элементарную ячейку /i
ihdn dP от изменения кислородного
индекса. /a
ahdn dP (1), /c
chdn dP (2), /b
bhdn dP (3) и /hdn dPV
V (4).
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 11 1129
В.Ф. Хирный
не металл и не сверхпроводник [20] c сТ = 0. сТ рас-
тет с увеличением n и достигает максимального зна-
чения max
cT при оптимальном значении optn =
min max( )/2 0,25n n= + = дырок на CuO2. С дальней-
шим ростом n сТ уменьшается и стремится к нулю при
maxn n= . Изменение сТ с варьированием ( )7 –n у в ра-
боте [20] было записано в виде min( – )сТ a n n= ×
max( – )n n× , где α — коэффициент, учитывающий влия-
ние внешнего давления.
Следовательно, за появление сверхпроводимости (в
орто-II фазе) ответственны дырки, которые находятся в
цепочках CuO. С дальнейшим окислением в механизм
сверхпроводимости (в орто-I фазе) включаются под-
вижные дырки, расположенные в плоскостях CuO2, а
цепочки CuO становятся резервуарами зарядов. Подоб-
ным образом будут изменятьcя свойства YBa2Cu3O7–у,
если рассматривать вариации /i
ihdn dP , см. рис. 6.
2.2. Обсуждение
В настоящей работе не рассматривается влияние на
внутреннее давление и величину сТ внешнего давле-
ния из-за значительной сложности этого явления, по-
скольку отсутствуют данные по влиянию внутреннего
давления на термодинамические и кинематические фак-
торы и, следовательно, на зависимость ( )сТ Р . Поэтому
возможно только качественное рассмотрение. Это сле-
дует, в частности, из работы [3], в которой в образцах
Ge1–xYxBa2Cu3O7–δ в зависимости от концентрации Y
экспериментально определено влияние внешнего (фи-
зического) и внутреннего (химического) давлений на
кристаллическую структуру и сверхпроводящие свой-
ства. Выбор такого легирующего элемента был обуслов-
лен тем, что радиусы ионов Y меньше, чем у ионов Ge.
Согласно рентгеновским данным, происходило сжатие
решетки в такой же степени, как при внешнем давле-
нии до 16 кбар. Оказалось [3], что только расстояние
Cu(2)–O(2) внутри плоскости CuO2 имеет качественно
различное поведение в случае внешнего и внутреннего
давлений. В первом случае оно уменьшалось, во вто-
ром оставалось постоянным или увеличивалось. Пара-
метры решетки с ростом х монотонно уменьшались, а —
сильнее, чем b и с. Но в этой области давлений наблю-
далось различное поведение сТ . Под влиянием гидро-
статического давления ( )сТ Р∆ оказалось равным 0,2 К,
а под воздействием внутреннего давления ( )сТ x∆ cо-
ставляла 2 К. Для обоих давлений наблюдалась лишь
корреляция между изменением длины связи Сu(2)–O(4)
и сТ∆ [3], отражая динамику апикальных атомов О(4),
управляемую внешним давлением, которая играет важ-
ную роль в контролировании вида зависимости сТ от
давления. Теоретически объяснение этим особенностям
дано в ряде работ (см., например, [21–23]). В выводах
работы [3] подчеркивалось, что со структурной точки
зрения применение химического давления эквивалент-
но воздействию внешнего, однако с точки зрения сверх-
проводящих свойств их действие противоположно. В
настоящей статье также имеется качественное несоот-
ветствие с экспериментом, поскольку максимумы ба-
рической производной /cdT dP от (7 – )у наблюдаются в
сильно недодопированных иттриевых образцах [24]. Од-
ним из возможных объяснений такого несоответствия
будет то, что зависимость критической температуры (и
других свойств) от давления можно представить в виде
суммы зависимостей от внешнего давления и внутрен-
него (химического): / / /c c c idT dP dT dP dT dP∑ = + . Чем
больше /c idT dP , тем меньше нужна добавка /cdT dP , и
наоборот, чем меньшее /c idT dP , тем больше /cdT dP
для того, чтобы достигнуть необходимого эффекта.
Кроме того, несовпадение происходит из-за влияния на
изменение ( )сТ Р не только величины внутреннего дав-
ления, созданного кислородом, но и различных термо-
динамических и кинематических факторов, что было
учтено в работе [20], в которой зависимости ( )сТ Р и
/cdT dP были даны для YBa2Cu3O7–у соединения в
виде:
( )max max /( ) ( )с с с c cТ Р Т Т T T P= + ∆ +
( )max opt( ) 2 – ( ) ( )cT P n n n P n P + β − ∆ ∆
, (3)
max/ ( )) /(с cdТ Р dP dT P dP= +
( )max opt 2 – ( ) /cT n n n P dn P dP + β − ∆ , (4)
где сТ – максимальное значение сТ в этом соединении
с количеством n дырок при Р = 0, min max 2 1 / ( )n nβ = + ,
max max max( ) ( )c c cT P T T P= + ∆ , a ( ) ( )n P n n P= + ∆ .
Второе слагаемое в формулах (3) и (4) характеризу-
ет вклады от изменения параметров решетки, связей
между слоями и т.д., т.е. «истинный» эффект давления.
Третье учитывает изменение количества носителей за-
ряда в CuO2 плоскостях под влиянием внешнего дав-
ления. Это «релаксационный» эффект, обусловленный
перераспределением лабильного кислорода. В работах
[1,17], а в [20] из уравнения (4) при Р → 0 было полу-
чено максимальное значение ( )/dn P dP при (7 – ) 6,8,у =
что совпадает с полученным в этой статье. Поэтому для
объяснения аномального роста / (7 )cdT dP y− необхо-
димо привлечь третье слагаемое в уравнениях (3) и (4),
т.е. учесть перераспределение лабильного кислорода.
Таким образом, с предположением, что не только
подвижные, но и все дырки в YBa2Cu3O7–y образцах
влияют на сТ , предсказано, что: 1) можно обнаружить
сверхпроводящий материал с 166 КсТ ≅ ; 2) производ-
ные /i
c idT dP изменяют свою величину при различном
внутреннем давлении кислорода, определяемом на-
чальными окислением, легированием и/или внешним
давлением и 3) для каждого из направлений главных
кристаллографических осей существует свое сТ .
1130 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 11
Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом
3. Внутреннее давление в Tl2Ba2CuO6+x соединении
Выбор таллиевого образца обусловлен отличием его
свойств от свойств соединений YBa2Cu3O7–у. Так,
Tl2Ba2CuO6+x.(Tl-2201) образцы имеют большой отри-
цательный коэффициент давления [25]. Было предпо-
ложено [25,26], что под влиянием внешнего давления
сТ уменьшается в результате увеличения концентра-
ции дырок в двумерных CuO2 плоскостях. В таких об-
разцах переход от металлического несверхпроводящего
состояния к сверхпроводящему происходит в резуль-
тате уменьшения содержания кислорода х. Сверхпро-
водящие свойства теряются в результате легирования
дополнительными дырками в этом нестехиометриче-
ском соединении, содержащем СuO6 октаэдры. В рабо-
тах [27,28] сообщалось об увеличении длины главной
кристаллографической оси c c ростом сТ , тогда как ось а
изменялась на величину на два порядка меньшую. Кро-
ме того, у образцов Tl2Ba2CuO6+x, полученных всего
лишь при различных условиях, « ( )сТ х не является од-
нозначной функцией» [29]. Учитывая изложенное вы-
ше, для оценки внутреннего давления сР , создаваемого
вдоль оси с кислородом и, фактически, в объеме об-
разца, использовали зависимости длины оси с и изме-
нения концентрации дырок на атом меди c
hn∆ от сТ и х,
полученные в работе [28].
Как и в разд. 2.1, величину линейного коэффициен-
та сжимаемости ck брали из работы [12], а сР опреде-
ляли по видоизмененной формуле (1). На рис. 7 дана
зависимость сР от (6 )х+ , где имеется особенность при
6,05. На рис. 8 и 9 построены графики зависимостей
– /c
c сdT dP и скорости изменения числа дырок вдоль
оси с в зависимости от кислородного индекса, /c
h cd n dP∆
от (6 + х), на которых при этой же концентрации ки-
слорода наблюдаются максимальное значение про-
изводной max– / 92,3 К/ а( Г) Пc
c сdT dP = и минимальное
min( / ) 0,08c
h cd n dP∆ = дырка/ГПа, соответственно. С
ростом х при 6 + х = 6,07 появляется минимум в произ-
водной min–( / 55 К/Г) Па,c
c сdT dP = см. рис. 8, и мак-
симум max( )/ 0, 20c
h cd n dP∆ = дырка/ГПа, см. рис. 9.
Такое взаимное изменение этих величин — уменьше-
ние сТ с увеличением числа дырок и увеличение Тс с
уменьшением hn получено, следуя работе [28].
4. Заключение
Таким образом, в настоящей работе впервые опре-
делено внутреннее давление, создаваемое кислородом
(дырками), и изучены его свойства в сверхпроводящих
купратах YBa2Cu3O7–y и Tl2Ba2CuO6+x. Показано, что
внутреннее давление играет важную роль в механизме
появления сверхпроводимости. В процессе объяснения
свойств сверхпроводников, находящихся под внешним
давлением, необходимо учитывать внутреннее давле-
ние в образцах, которое создается не только из-за не-
соответствия размера заменяемого и легирующего ио-
нов, но и кислородом. В реальном эксперименте с
высокими давлениями все усложняется из-за влияния
внутреннего и внешнего давлений друг на друга и на
вид различных термодинамических и кинематических
зависимостей.
1. Keizo Murata, Yoshiki Honda, Hiroyki Oyanagi, Yoshikazu
Nishihara, Hideo Ihara, Norio Terada, Ryoji Sugise,
Masayuki Hirabayashi, Madoka Tokumoto, and Yoichi
Kimura, Bull. Electrotech. Lab. 53, 37 (1989).
Рис. 8. Изменение производной ( /c сdT dP− ) c варьированием
показателя кислородного индекса 6у х= + .
Рис. 7. Изменение внутреннего давления сP c варьированием
кислородного индекса. Знак минус обозначает расширение.
Рис. 9. Зависимости скорости изменения концентрации ды-
рок /c
сhd n dP∆ в плоскостях CuO2 от изменения кислородно-
го индекса 6 х+ .
Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 11 1131
В.Ф. Хирный
2. P.H. Hor, L. Gao, R.L.Meng, Z.J. Huang, Y.O. Wang, K.
Forster, J. Vassillious, and C.W. Chu, Phys. Rev. Lett. 58,
1143 (1987).
3. A.A.R. Fernandes, J. Santamaria, S.L. Bud’ko, O. Nakamura,
J. Guimpel, and Ivan K. Shuller, Phys. Rev. B 44, 7601 (1991).
4. H. Fjellvag, P. Karen, A. Kjekshus, and A.F. Andressen,
Physica C 162, 49 (1989).
5. N. Nikseresht, A. Khajehnezhad, H. Hadipour, and M.
Akhavan, Physica C 470, 285 (2010).
6. В.Ф. Хирный, А.А. Козловский, УФН 173, 679 (2003).
7. В.Ф. Хирный А.А. Козловский, УФН 174, 285 (2004).
8. В.П. Семиноженко, В.Ф. Хирный, Диссипативные со-
стояния и нелинейные эффекты в неоднородных сверх-
проводниках, Институт монокристаллов, Харьков (2006).
9. Виталий Хирный, Владимир Семиноженко, Резистивные
состояния гранулированных сверхпроводников, Palma-
rium Academic Publishing, Saarbrucken, Германия (2012).
10. В.Б. Лазарев, И.С. Шаплыгин, Э.А. Тищенко, Труды І
Всесоюзного совещания «Физикохимия и технология вы-
сокотемпературных сверхпроводящих материалов» Мо-
сква, 13–15 сентября 1988, Наука, Москва (1988), с. 10.
11. J.D. Jorgensen, H. Shaked, D.G. Hinks, B. Debrowski, B.W.
Veal, A.P. Paulikas, L.J. Nowicki, G.W. Crabtree, W.K.
Kwok, L.Y. Nunez, and H. Claus, Physica C 153–155, 578
(1988).
12. A.I. Cornelius, S. Klotz, and J.S. Schiling, Physica C 197,
209 (1992).
13. H. Ubara, E. Cyanagi, and K. Murata, Jpn. J. Appl. Phys. 27,
1603 (1988).
14. Н. Ашкрофт, Н. Мермин, Физика твердого тела, Мир,
Москва (1979) (N.W. Ashcroft and N.D. Mermin, Solid
State Physics, Holt, Rinehart and Winston, NY (1976)).
15. Z.Z. Wang, J. Clayhold, N.P. Ong, J.M. Tarascon, L.H.
Greene, W.R. McKinnon, and G.W. Hull, Phys. Rev. B 36,
7222 (1987).
16. Д.Т. Макерт, Я. Даличауч, М.Б. Мейпл, в сб.: Физические
свойства высокотемпературных сверхпроводников,
Д.М. Гинзберг (ред.), Мир, Москва (1990) (Physical Pro-
perties of High Temperature Superconductors, D.M. Ginsderg
(ed.), World Scientific (1989)).
17. C.C. Almasan, S.H. Han, B.W. Lee, L.M. Paulius, M.B. Maple,
B.W. Veal, J.W. Downey, and A.P. Paulikas, Z. Fisk, and
J.E. Schirber, Phys. Rev. Lett. 69, 680 (1992).
18. J. Sieburger and J.S. Schilling, Physica C 173, 403 (1991).
19. X.J. Chen, C.D. Gong, and Y.B. Yu, Phys. Rev. B 61, 3691
(2000).
20. R.P. Gupta and M. Gupta, Phys. Rev. B 51, 11760 (1995).
21. И.В. Берман, Н.Б. Брандт, ФНТ 16, 1227 (1990) [Sov. J.
Low Temp. Phys. 16, 702 (1990)].
22. В.М. Гвоздиков, ФНТ 19, 1285 (1993) [Low Temp. Phys.
19, 914 (1993)].
23. А.П. Сайко, В.Е. Гусаков, ФНТ 22, 748 (1996) [Low Temp.
Phys. 22, 575 (1996)].
24. W.H. Fietz, R. Quenzel, H.A. Ludwig, K. Grube, S.I.
Schlachter, F.W. Nornung, T. Wolf, A. Erd, M. Klaser, and
G. Muller-Vogt, Physica C 270, 258 (1996).
25. N. Mori, H. Takahashi, Y. Shimakawa, T. Monako, and Y.
Kubo, J. Phys. Soc. Jpn. 59, 3839 (1990).
26. F. Izumi, Physica C 190, 35 (1991).
27. Y. Shimakawa, Y. Kubo, T. Monako, H. Igarashi, F. Izumi,
and H. Asano, Phys. Rev. B 42, 10165 (1990).
28. Y. Shimakawa, Y. Kubo, T. Manako, and H. Igarashi, Phys.
Rev. B 40, 11400 (1989).
29. Н.Н. Колесников, М.П. Кулаков, М.Ф. Нефедова, В.Г.
Тиссен, СФХТ 6, 281 (1993).
The internal pressure in superconductors created
by oxygen
V.F. Khirnyi
The internal (chemical) pressure iP created by ox-
ygen in 2 3 7–YBa Cu O y and Tl2Ba2CuO6+x samples is
determined for the first time using the analytical me-
thod, its properties are studied. Predicted are the criti-
cal temperatures сТ , the values of /c idT dP for the main
crystallographic axes, as well as the possibility to syn-
thesize the compounds YBa2Cu3O7–y and Tl2Ba2CuO6+x
with сТ ≅ 166 and 92 K, respectively.
PACS: 74.62. Fj Effects of pressure;
74.72.–h Cuprate superconductors;
74.72. Jt Other cuprates, including Tl and
Нg-based cuprates.
Keywords: internal (chemical) pressure, critical tem-
peratures, derivative of temperature with respect to
pressure, cuprates.
1132 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2015, т. 41, № 11
1. Введение
2. Внутреннее давление в YBa2Cu3O7–y соединении
2.1. Модель
2.2. Обсуждение
3. Внутреннее давление в Tl2Ba2CuO6+x соединении
4. Заключение
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-128232 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0132-6414 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:57:11Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Хирный, В.Ф. 2018-01-07T13:55:17Z 2018-01-07T13:55:17Z 2015 Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом / В.Ф. Хирный // Физика низких температур. — 2015. — Т. 41, № 11. — С. 1126–1132. — Бібліогр.: 29 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 74.62.Fj, 74.72.–h, 74.72.Jt https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128232 Аналитическим методом впервые определены и исследованы свойства внутреннего (химического)
 давления Pi, создаваемое кислородом в ВТСП YBa₂Cu₃O₇₋y и Tl₂Ba₂CuO₆₊x образцах. Предсказаны критические температуры Тс, значения величины dTc /dPi для главных кристаллографических осей, а также
 возможность синтезировать соединения YBa₂Cu₃O₇₋y и Tl₂Ba₂CuO₆₊x, у которых Тс равна 166 и 92,3 К
 соответственно. Аналітичним методом вперше визначено та досліджено властивості внутрішнього (хімічного) тиску,
 створюваного киснем в ВТНП YBa₂Cu₃O₇₋y і Tl₂Ba₂CuO₆₊x зразках. Передбачені критичні температури
 Тс, значення величини dTc /dPi для головних кристалографічних вісей, а також можливість синтезувати
 сполуки YBa₂Cu₃O₇₋y і Tl₂Ba₂CuO₆₊x, у яких Тс дорівнює 166 та 92,3 К відповідно. The internal (chemical) pressure Pi created by oxygen
 in YBa₂Cu₃O₇₋y and Tl₂Ba₂CuO₆₊x samples is
 determined for the first time using the analytical method,
 its properties are studied. Predicted are the critical
 temperatures Тс , the values of / c i dT dP for the main
 crystallographic axes, as well as the possibility to synthesize
 the compounds YBa₂Cu₃O₇₋y and Tl₂Ba₂CuO₆₊x
 with Тс ≅ 166 and 92 K, respectively. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом The internal pressure in superconductors created by oxygen Article published earlier |
| spellingShingle | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом Хирный, В.Ф. Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная |
| title | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом |
| title_alt | The internal pressure in superconductors created by oxygen |
| title_full | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом |
| title_fullStr | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом |
| title_full_unstemmed | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом |
| title_short | Внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом |
| title_sort | внутреннее давление в сверхпроводниках, создаваемое кислородом |
| topic | Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная |
| topic_facet | Свеpхпpоводимость, в том числе высокотемпеpатуpная |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128232 |
| work_keys_str_mv | AT hirnyivf vnutrenneedavlenievsverhprovodnikahsozdavaemoekislorodom AT hirnyivf theinternalpressureinsuperconductorscreatedbyoxygen |