Издателям
Вышедшие номера
Сверхпроводимость и магнитное упорядочение подрешеток меди в керамиках YBa2Cu3-xFexO7+y
Мастеров В.Ф.1, Насрединов Ф.С.1, Серегин П.П.1, Приходько О.А.1, Давыдов А.В.1
1Санкт-Петербургский государственный технический университет, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию: 20 декабря 1996 г.
Выставление онлайн: 20 мая 1997 г.

Известно, что в сверхпроводящей керамике YBa2Cu3O7-z с орторомбической решеткой по мере уменьшения содержания кислорода происходит уменьшение температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc, и при z>0.6 сверхпроводимость исчезает, решетка становится тетрагональной и одновременно появляется антиферромагнитное упорядочение подрешетки Cu (2) [1,2]. Замещение в керамике YBa2Cu3O7 части атомов меди атомами железа (т. е. образование твердого раствора YBa2Cu3-xFexO7+y) сопровождается аналогичными эффектами: по мере возрастания x уменьшается Tc, при x>0.05 происходит перестройка орторомбической решетки в тетрагональную, при x>0.45 сверхпроводимость исчезает [3]. Наиболее существенным моментом является факт сосуществования в керамике YBa2Cu3-xFexO7+y в области составов 0.03<x<0.45 сверхпроводимости и магнитного упорядочения атомов железа в узлах меди (последнее установлено методом мессбауэровской спектроскопии на изотопе 57Fe в большом числе работ [4-7]. Однако остается неясным, связано ли магнитное упорядочение атомов железа в решетке YBa2Cu3-xFexO7+y с магнитным упорядочением атомов меди (см., например, [8]). Для решения этого вопроса перспективным представляется использование эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе 61Cu (61Ni): после распада материнского ядра 61Cu в узле меди образуется мессбауэровский зонд 61Ni, ядерные параметры которого позволяют надежно регистрировать магнитное упорядочение в узлах меди [9]. Для исследований были использованы две пары образцов: YBa2Cu3O6.96 (орторомбическая модификация, Tc=92 K), YBa2Cu3O6.1 (тетрагональная модификация, Tc<4.2 K) и YBa2Cu2.8Fe0.2O7.03 (тетрагональная модификация, Tc=50 K), YBa2Cu2.5Fe0.5O7.18 (тетрагональная модификация, Tc<4.2 K). Образцы YBa2Cu3O6.96 и YBa2Cu3-xFexO7+y готовились методом высокотемпературного твердофазного синтеза. В качестве компонент использовались Y2O3, CuO, Fe2O3 (обогащение по изотопу 57Fe составляло 92 %) и BaCO3. После спекания при 900oC в течение 20 h на воздухе образцы подвергались отжигу в токе кислорода при температуре 920oC в течение 70 h с последующим охлаждением со скоростью 5 K/min. Отжиг образца YBa2Cu3O6.96 при температуре 800oC в течение 2 h при постоянной откачке приводил к получению YBa2Cu3O6.1. Легирование образцов изотопом 61Cu проводилось диффузионным отжигом при 450oC в течение 30 min в токе кислорода (кроме образца YBa2Cu3O6.1, который легировался диффузионным отжигом при 650oC в течение 30 min при откачке). Для контрольных образцов не отмечалось изменений структуры, величины Tc или содержания кислорода. Согласно [10], описанная процедура гарантирует вхождение изотопа 61Cu в медные узлы решетки. Эмиссионные мессбауэровские спектры 61Cu (61Ni) снимались при 80 и 4.2 K на промышленном спектрометре, стандартным поглотителем служил сплав Ni0.86V0.14 с поверхностной плотностью 1500 mg/cm2. Типичные спектры приведены на рис. 1. В Y-системе атомы меди занимают две кристаллографически неэквивалентные позиции Cu (1) и Cu (2), заселенные как 1:2. В соответствии с этим экспериментальные мессбауэровские спектры 61Cu (61Ni) указанных керамик мы представляли как наложение двух мультиплетов, отвечающих центрам 61Ni2+ в узлах Cu (1) и Cu (2). Каждый мультиплет описывался суперпозицией либо пяти линий с относительными интенсивностями 10:4:1:6:9 (в случае чистого квадрупольного взаимодействия), либо двенадцати линий с относительными интенсивностями 10:4:1:6:6:3:3:6:6:1:4:10 (в случае комбинированного квадрупольного и зеемановского взаимодействий), а положение линий мультиплета определялось как разность собственных значений EIm гамильтониана комбинированного сверхтонкого взаимодействия возбужденного и основного состояний 61Ni EIm=& mgbetaNH+ l eQUzz/4I(2I-1) r &x =<ft 3m2-I(I+1) =<ft (3cos2theta-1)/2 , где I --- спин ядра, H --- магнитное поле на ядре, Uzz --- главная компонента тензора градиента электрического поля (ГЭП) на ядре, theta --- угол между главной осью тензора ГЭП и направлением магнитного поля, m --- магнитное квантовое число, Q --- квадрупольный момент ядра, g --- ядерный g-фактор, betaN --- ядерный магнетон. Приведенная формула справедлива для аксиально-симметричного тензора ГЭП как для gH>> eQUzz, так и для H=0 (но в последнем случае следует брать theta=0o). [!b] Эмиссионные мессбауэровские спектры 61Cu (61Ni) при 80 K керамик YBa2Cu3O6.96 ( a) и YBa2Cu3O6.1 ( b). Показано положение компонент мультиплетов, отвечающих центрам 61Ni2+ в узлах Cu (1) (I) и Cu (2) (II). Расчетный спектр подгонялся к экспериментальному методом наименьших квадратов, причем подгоночными параметрами были не параметры отдельных линий, а параметры гамильтониана H и Uzz3cos2theta -1)/2, а также положения центров тяжести мультиплетов. Поскольку в мессбауэровских спектрах 61Ni не наблюдается изомерного сдвига [11], мы следили за тем, чтобы центр тяжести расчетного мультиплета не отклонялся от нулевой скорости больше чем на ±0.05 mm/s. Мессбауэровский спектр 61Cu (61Ni) сверхпроводящей керамики YBa2Cu3O6.96 представляет собой суперпозицию двух квадрупольных мультиплетов, отвечающих центрам 61Ni (1) и 61Ni (2). На рис. 1, a показаны положения компонент соответствующих мультиплетов и их относительные интенсивности. Отношение площадей под спектрами 61Ni (2) и 61Ni (1) P=1.95 (5), что близко к отношению заселенностей узлов Cu (2) и Cu (1). Полученные параметры спектров следующие: eQUzz=32 (2) MHz для центров 61Ni (1) и eQUzz=-54 (2) MHz для спектров 61Ni (2) (здесь Q --- квадрупольный момент ядра 61Ni в основном состоянии). Мессбауэровский спектр 61Cu (61Ni) полупроводниковой керамики YBa2Cu3O6.1 (рис. 1, b) представляет собой суперпозицию квадрупольного мультиплета, отвечающего центрам 61Ni2+ в узлах Cu (1) (|eQUzz|<30 MHz), и мультиплета, отвечающего центрам 61Ni2+ в узлах Cu (2), причем тонкая структура последнего спектра обязана своим происхождением комбинированному сверхтонкому (зеемановскому и электрическому квадрупольному) взаимодействию (eQUzz=-48 (3) MHz, H=85 (5) kOe, theta=90 (10)o). Отношение площадей под спектрами 61Ni (2) и 61Ni (1) остается равным отношению заселенностей узлов Cu (2) и Cu (1) в решетке YBa2Cu3O7 (P=1.97 (5)). Спектры на рис. 1 иллюстрируют возможности эмиссионной мессбауэровской спектроскопии на изотопе 61Cu (61Ni) для наблюдения магнитного упорядочения медной подрешетки керамики YBa2Cu3O7-z при уменьшении содержания кислорода. [!tb] Эмиссионные мессбауэровские спектры 61Cu (61Ni) при 4.2 K керамик YBa2Cu2.8Fe0.2O7.03 ( a) и YBa2Cu2.5Fe0.5O7.18 ( b). Для спектра a показано положение компонет мультиплетов, отвечающих центрам 61Ni2+ в узлах Cu (1) (I) и Cu (2) (II). Мессбауэровский спектр 61Cu (61Ni) сверхпроводящей керамики YBa2Cu2.8Fe0.2O7.03 представляет собой наложение двух квадрупольных мультиплетов (рис. 2, a), параметры которых близки к параметрам соответствующих спектров керамики YBa2Cu3O6.96, хотя отношение площадей под спектрами 61Ni (2) и 61Ni (1) существенно отличается от ожидаемого значения (P=4.0 (4) ). Это, очевидно, связано как с уменьшением доли центров Cu (1) (из-за частичного замещения части узлов Cu (1) примесными атомами железа ), так и с влиянием на параметры мессбауэровских спектров 61Ni примесных атомов железа ( что уменьшает долю невозмущенного спектра от атомов 61Ni (1) ). Для керамики YBa2Cu2.5Fe0.5O7.18, в которой сверхпроводимость подавлена, в мессбауэровских спектрах 61Cu (61Ni) наблюдается зеемановское расщепление (рис. 2, b). К сожалению, разрешение спектров последней керамики оказалось недостаточным для выделения из экспериментальных спектров компонент, отвечающих центрам 61Ni2+ в узлах Cu (1) и Cu (2). Таким образом, как и в случае керамик YBa2Cu3O7-z, для керамик YBa2Cu3-xFexO7+y имеется очевидная корреляция между появлением магнитного упорядочения одной из медных подрешеток и исчезновением явления сверхпроводимости. Для керамики YBa2Cu2.8Fe0.2O7.03 были также измерены мессбауэровские спектры 57Fe (в качестве стандартного источника использовался 57Co в палладии). В согласии с литературными данными при T<50 K спектры представляют собой плохо разрешенные зеемановские мультиплеты, отвечающие примесным атомам железа в узлах Cu (1) в состоянии типа "спинового стекла". Таким образом, мы должны констатировать отсутствие корреляции между магнитным упорядочением примесных атомов железа в подрешетке Cu (1) и магнитным упорядочением медных подрешеток керамики YBa2Cu2.8Fe0.2O7.03. Однако повышение концентрации железа (переход к YBa2Cu2.5Fe0.5O7.18) сопровождается как полным подавлением сверхпроводимости, так и появлением магнитного упорядочения медной подрешетки. Поскольку в последней керамике часть атомов железа стабилизируется в подрешетке Cu (2), очевидно, именно с этими атомами железа и следует связывать появление магнитного упорядочения медной подрешетки. Работа выполнена при финансовой поддержке Конкурсного центра фундаментального естествознания при Санкт-Петербургском государственном университете (грант N 95-0-7.0-80).
  • J.D. Jorgensen, B.W. Veal, A.P. Paulikas, L.J. Nowicki, G.W. Grabtree, H. Clans, W.K. Kwok. Phys. Rev. B41, 1863 (1990)
  • H. Yasuoka, T. Shimizu, T. Imai, S. Sasaki, Y. Ueda, K. Kosuge. Hyperfine Interact 49, 167 (1989)
  • Y. Xu, M. Suenaga, J. Tafto, R.L. Sabatini, A.R. Moodenbaugh, P. Zoliker. Phys. Rev. B39, 6667 (1989)
  • Z.Q. Qiu, Y.W. Du, H. Tang, J.C. Walker. J. Magn. Mater. 78, 359 (1989)
  • T. Tamaki, T. Komai, A. Ito, Y. Maeno, T. Fujita. Solid State Commun. 65, 43 (1988)
  • S. Suharan, J. Chadwick, D.B. Hannon, D.H. Janes, M.F. Thomas. Solid State Commun. 70, 817 (1989)
  • M. Takano, Z. Hiroi, H. Mazaki, Y. Bando, Y. Takedo, R. Kanno. Physica C153/155, 860 (1988)
  • D. Hechel, I. Nowik, E.R. Bauminger, I. Felner. Phys. Rev. B42, 2166 (1990).
  • В.Ф. Мастеров, Ф.С. Насрединов, Ч.С. Саидов, П.П. Серегин, С.И. Бондаревский, О.К. Щербатюк. СФХТ 5, 1339 (1992)
  • В.Ф. Мастеров, Ф.С. Насрединов, Ч.С. Саидов, П.П. Серегин, О.К. Щербатюк. ФТТ 34, 7, 2294 (1992)
  • J.C. Love, F.E. Obenshain, G. Czjzek. Phys. Rev. B3, 2837 (1971)
  • Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

    Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.