mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-1-71-77mateltech-369Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYЭлектропроводность монокристаллов YBa2Cu3O7-δ в условиях анионного упорядочения в слоях Cu(1)O1-δElectrical conductivity of YBa2Cu3O7-δ single crystals under conditions of anionic ordering in Cu(1)O1-δ layershttps://orcid.org/0000-0001-7679-4968КаландаН. А.KalandaN. A.

Отдел криогенных исследований

ведущий научный сотрудник

Каланда Николай Александрович

Nikolay A. Kalanda: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Researcher

kalanda@physics.byНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению НАН БеларусиБеларусьScientific-Practical Materials Research Centre of the NAS of Belarus, 19 P. Brovka Str., Minsk 220072Belarus2020300420202317177Copyright © Каланда Н.А., 20202020Каланда Н.А.Kalanda N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/369

Изучено влияние термоциклирующих отжигов на степень кислородного упорядочения (параметр порядка) в монокристаллах YBa2Cu3O7-δ. Установлено, что увеличение значений критической температуры начала перехода в сверхпроводящее состояние при этапных отжигах согласуется с уменьшениями параметра σс/σаb, что указывает на перераспределение электронной плотности между структурно–неоднородными плоскостями Cu2O2 и Cu1O1–δ за счет формирования длинноцепочечного упорядочения кислорода в линейных группах O4-Cu1-O4 вдоль кристаллоструктурной оси (b) элементарной ячейки, и устранению кислородных дефектов в квадратных сетках плоскостей Cu(2)O2. Доказано, что существует критическая величина анизотропии электропроводности σс/σаb, ниже которой ее поведение не коррелирует с изменением Тс. В этом случае увеличение Тс и орторомбического искажения кристаллической структуры при изотермических отжигах является результатом усиления «межслойного» взаимодействия между плоскостями Cu(2)О2 и Cu(1)О1-δ. В результате увеличивается вклад в электронную плотность состояния на уровне Ферми цепочечных слоев Cu(1)О1-δ, которые могут быть сверхпроводящими за счет туннелирования куперовских пар из плоскостей Cu2О2, формируя в них наведенную сверхпроводимость.

The influence of thermocycling annealing processes on the oxygen ordering degree (order parameter) in theYBa2Cu3O7-δ single crystals have been studied. It was determined that an increase in the critical temperature of the onset of the transition to the superconducting state during step annealing procedures is consistent with decrease of the σс/σаb parameter. This fact indicates the redistribution of the electronic density between the Cu(2)O2 and Cu(1)O1-d structurally-inhomogeneous planes, due to the formation of the oxygen long-range ordering in the O(4)—Cu(1)—O(4) linear groups along the (b) crystal structure axis of the unit cell, and removal of the oxygen defects in the square nets of the Cu(2)O2 planes. The existence of a critical value of the conductivity anisotropy σс/σаb, below which its behavior does not correlate with the change of Тс, has been proved. In this case, the increase of Тс and the orthorhombic distortion of the crystal structure at the isothermal annealing processes occur due to the amplification of the «interlayer» interaction between the Cu(2)О2 and Cu(1)О1-δ planes. As a result, the contribution of the Cu(1)О1-δ chain layers in the electronstate density on the Fermi level increases. These layers could be the superconducting ones by means of the Cooper pairs tunneling from the Cu(2)О2 planes, forming the induced superconductivity there.

высокотемпературная сверхпроводимостьмонокристаллы YBa2Cu3O7-dкислородная нестехиометрияэлектропроводностьпараметр порядкаhigh-temperature superconductivityYBa2Cu3O7-δ single crystalsoxygen non-stoichiometryelectrical conductivityorder parameterПрограмма ЕС "Горизонт-2020"(проект H2020-MSCA-RISE-2017-778308 – SPINMULTIFILM); задание 1.02 ГПНИ Республики Беларусь «Физическое материаловедение, новые материалы и технологии», подпрограмма «Материаловедение и технологии материалов»This work was carried out in frames of the European Union project H2020-MSCA-RISE-2017-778308 — SPINMULTIFILM and the Task No. 1.02 of the State program of scientific research of the Republic of Belarus “Physical materials science, new materials and technologies” subprogram “Materials science and materials technologies”.ReferencesВысокотемпературная сверхпроводимость: фундаментальные и прикладные исследования: сборник научных статей // Под ред. А. А. Киселева. Л.: Машиностроение, 1990. 684 c.High-temperature superconductivity: fundamental and applied research: collection of scientific articles. Ed. by A. A. Kiselev. Leningrad: Mashinostroenie, 1990, 684 p. (In Russ.)Crabtree G. W., Nelson D. R. Vortex physics in high-temperature superconductors // Physics Today. 1997. V. 50, Iss. 4. P. 38—45. DOI: 10.1063/1.881715Crabtree G. W., Nelson D. R. Vortex physics in high-temperature superconductors. Physics Today, 1997, vol. 50, no. 4, pp. 38—45. DOI: 10.1063/1.881715Sreedhar K., Ganguly P. Evolution and the concomitant disappearance of high-Tc superconductivity with carrier concentration in the YBa2Cu3O7-δ system (0.0 < δ < 0.9): Crossover from a Mott insulator to a band metal // Phys. Rev. B. 1990. V. 41, Iss. 1. P. 371—382. DOI: 10.1103/PhysRevB.41.371Sreedhar K., Ganguly P. Evolution and the concomitant disappearance of high-Tc superconductivity with carrier concentration in the YBa2Cu3O7-d system (0.0 <d < 0.9): Crossover from a Mott insulator to a band metal. Phys. Rev. B, 1990, vol. 41, no. 1, pp. 371—382. DOI: 10.1103/PhysRevB.41.371Красинькова М. В., Мойжес Б. Я. Влияние упорядочения атомов кислорода на электротранспортные свойства YBa2Cu3O7-х // ФТТ. 1990. Т. 32, Вып. 1. С. 318—321.Krasin'kova M. V., Moizhes B. Ya. Influence of the ordering of oxygen atoms on the electrical transport properties of YBa2Cu3O7-х. Phys. Solid State, 1990, vol. 32, no. 1, pp. 318—321. (In Russ.)Maeda H., Tanaka Y., Fukutomi M., Asano T. A new high-Tc oxide superconductor without a rare earth element // Jpn. J. Appl. Phys. 1988. V. 27, Pt 2, N 2. P. L209—L210. DOI: 10.1143/JJAP.27.L209Maeda H., Tanaka Y., Fukutomi M., Asano T. A new high-Tc oxide superconductor without a rare earth element. Jpn. J. Appl. Phys., 1988, vol. 27, pt 2, no. 2, pp. L209—L210. DOI: 10.1143/JJAP.27.L209Cava R. J., Batlogg B., Krajewski J. J., Rupp L. W., Schneemeyer L. F., Siegrist T., van Dover R. B., Marsh P., Peck (Jr) W. F., Gallagher P. K., Glarum S. H., Marshall J. H., Farrow R. C., Waszczak J. V., Hull R., Trevor P. Superconductivity near 70 K in a new family of layered copper oxides // Nature. 1988. V. 336, Iss. 6196. P. 211—214. DOI: 10.1038/336211a0Cava R. J., Batlogg B., Krajewski J. J., Rupp L. W., Schneemeyer L. F., Siegrist T., van Dover R. B., Marsh P.,Silver T., Pan A. V., Ionescu M., Qin M. J., Dou S. X. Developments in high temperature superconductivity // Ann. Rep. Prog. Chem. Cect. C. 2002. V. 98. P. 323—373Peck (Jr) W. F., Gallagher P. K., Glarum S. H., Marshall J. H., Farrow R. C., Waszczak J. V., Hull R., Trevor P. Superconductivity near 70 К in a new family of layered copper oxides. Nature, 1988, vol. 336, no. 6196, pp. 211—214. DOI: 10.1038/336211a0Фетисов В. Б., Фетисов А. В., Фотиев А. А. Исследование процесса окисления YBa2Cu3O6+х-керамики // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1990. Т. 11. С. 2627—2633.Silver T., Pan A. V., Ionescu M., Qin M. J., Dou S. X. Developments in high temperature superconductivity. Ann. Rep. Prog. Chem. Cect. C, 2002, vol. 98, pp. 323—373.Adelman D., Durmester C. P., Wille L. T., Sterne P. A., Gronsky R. Long-range interactions, long-range order and a devil's staircase in YBa2Cu3Oz // J. Phys.: Condens. Matter. 1992. V. 4, Iss. 43. P. 585—592. DOI: 10.1088/0953-8984/4/43/003Fetisov V. B., Fetisov A. V., Fotiev A. A. Study of the oxidation process of YBa2Cu3O6+х-ceramics. Sverkhprovodimost’; fizika, khimiya, tekhnika, 1990, vol. 11, pp. 2627—2633. (In Russ.)Gibson G., Cohen L. F., Humphreys R. G., MacManus-Driscoll J. L. A Raman measurement of cation disorder in YBa2Cu3O7-x thin films // Physica C: Supercond. 2000. V. 333, Iss. 3—4. P. 139—145. DOI: 10.1016/S0921-4534(00)00093-9Adelman D., Durmester C. P., Wille L. T., Sterne P. A., Gronsky R. Long-range interactions, long-range order and a devil’s staircase in YBa2Cu3Oz. J. Phys.: Condens. Matter., 1992, vol. 4, no. 43,Rocha J. A. M. R., Pavão A. C. Molecular orbital analysis of oxygen vacancy in YBa2Cu3O7-δ // Physica C: Supercond. 2004. V. 411, Iss. 3–4. P. 148—151. DOI: 10.1016/j.physc.2004.07.007pp. 585—592. DOI: 10.1088/0953-8984/4/43/003Sudareva S. V., Kuznetsova E. I., Krinitsina T. P., Bobylev I. B., Romanov E. P. Modulated structures in non-stoichiometric YBa2Cu3O7-δ compounds // Physica C: Supercond. 2000. V. 331, Iss. 3–4. P. 263—273. DOI: 10.1016/S0921-4534(00)00007-1Gibson G., Cohen L. F., Humphreys R.G., MacManus-Driscoll J. L. A Raman measurement of cation disorder in YBa2Cu3O7-x thin films. Physica C: Supercond., 2000, vol. 333, no. 3–4, pp. 139—145. DOI: 10.1016/S0921-4534(00)00093-9Klinkova L. A., Nikolaichik V. I. Nanostructural inhomogeneity of YBa2Cu3O7-δ // Physica C: Supercond. 2014. V. 506. P. 33—39. DOI: 10.1016/j.physc.2014.08.007Rocha J. A. M. R., Pavão A. C. Molecular orbital analysis of oxygen vacancy in YBa2Cu3O7-d. Physica C: Supercond., 2004,Гуфан Ю. А., Прус Ю. В. О природе орторомбических искажений YBa2Cu3O7-у // ФТТ. 2000. Т. 42, Вып. 7. С. 1176—1179.vol. 411, no. 3–4, pp. 148—151. DOI: 10.1016/j.physc.2004.07.007Aiigia A. A, Garces J., Bonadeo H. Influence of oxygen stoichiometry on the structure YBa2Cu3O7-δ // Physica C. 1992. V. 190. P. 234—241. DOI: 10.1016/0921-4534(92)90601-8Sudareva S. V., Kuznetsova E. I., Krinitsina T. P., Bobylev I. B., Romanov E. P. Modulated structures in non-stoichiometric YBa2Cu3O7-d compounds. Physica C: Supercond., 2000, vol. 331, no. 3–4, pp. 263—273. DOI: 10.1016/S0921-4534(00)00007-1Vovk R. V., Khadzhai G. Ya., Goulatis I. L., Chroneos A. Fluctuation conductivity of oxygen underdoped YBa2Cu3O7-δ single crystals // Physica B: Condens. Matter. 2014. V. 436, Iss. 1. P. 88—90. DOI: 10.1016/j.physb.2013.11.056Klinkova L. A., Nikolaichik V. I. Nanostructural inhomogeneity of YBa2Cu3O7-d. Physica C: Supercond., 2014, vol. 506,Vovk R. V., Obolenskii M. A., Zavgorodniy A. A., Bondarenko A. V., Goulatis I. L., Samoilov A. V., Chroneos A. Effect of high pressure on the fluctuation conductivity and the charge transfer of YBa2Cu3O7-δ single crystals // East European Journal of Physics. 2014. V. 1, Iss. 4. P. 42—48. DOI: 10.26565/2312-4334-2014-4-04pp. 33—39. DOI: 10.1016/j.physc.2014.08.007Marushkin K. N., Nipan G. D., Gus’kov V. N., Gavrichev K. S. The polymorphism of YBa2Cu3O7-δ (123): a new approach // Solid State Ionics. 1997. V. 101—103. P. 605—609. DOI: 10.1016/S0167-2738(97)84090-8Gufan A. Yu., Prus Yu. V. On the origin of orthorhombic deformations in YBa2Cu3O7-у. Phys. Solid State, 2000, vol. 42, no. 7, pp. 1211—1214. DOI: 10.1134/1.1131364Hilgenkamp H., Mannhart J. Grain boundaries in high-Tc superconductors // Rev. Mod. Phys. 2002. V. 74. P. 485—549. DOI: 10.1103/RevModPhys.74.485Aiigia A. A, Garces J., Bonadeo H. Influence of oxygen stoichiometry on the structure YBa2Cu3O7-d. Physica C, 1992,Nariki S., Sakai N., Murakami M., Hirabayashi I. High critical current density in Y-Ba-Cu-O bulk superconductors with very fine Y211 particles // Supercond. Sci. Technol. 2004. V. 17. P. S30—S35. DOI: 10.1088/0953-2048/17/2/057vol. 190, pp. 234—241. DOI: 10.1016/0921-4534(92)90601-8Maki M., Nishizaki T., Shibata K., Kobayashi N. Layered charge-density waves with nanoscale coherence in YBa2Cu3O7-δ // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 024536. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.024536Vovk R. V., Khadzhai G. Ya., Goulatis I. L., Chroneos A. Fluctuation conductivity of oxygen underdoped YBa2Cu3O7-d single crystals. Physica B: Condens. Matter., 2014, vol. 436, no. 1, pp. 88—90. DOI: 10.1016/j.physb.2013.11.056Kobayashi H., Imaizumi T., Iguchia I., Tanakab Y., Kashiway S. Angle-dependent Josephson current in high-Tc YBa2Cu3O7-δ ramp-edge junctions // Physica C: Supercond. 2001. V. 357–360, Iss. 2. P. 1567—1571. DOI: 10.1016/S0921-4534(01)00550-0Vovk R. V., Obolenskii M. A., Zavgorodniy A. A., Bondarenko A. V., Goulatis I. L., Samoilov A. V., Chroneos A. Effect of high pressure on the fluctuation conductivity and the charge transfer of YBa2Cu3O7-d single crystals. East European J. Phys., 2014, vol. 1,Kalanda N. A., Trukhan V. M., Marenkin S. F. Manufacture of textured YBa2Cu3O7-δ ceramics from Y2BaCuO5-“xBa3Cu5O8” and Y2Cu2O5-BaCuO2 systems // J. Inorg. Chem. 2002. V. 47, Iss. 8. P. 1114—1120.no. 4. pp. 42—48. DOI: 10.26565/2312-4334-2014-4-04Gurskii L. I., Kalanda N. A., Saad A. M., Truhan V. M., Haliakevich T. V. Crystallization features of YBa2Cu3O7-δ in the Y2BaCuO5-BaCuO2-CuO and Y2Cu2O5-BaCuO2 systems // Cryst. Res. Technol. 2008. V. 43. P. 599—605. DOI: 10.1002/crat.200711127Marushkin K. N., Nipan G. D., Gus’kov V. N., Gavrichev K. S. The polymorphism of YBa2Cu3O7-d (123): a new approach. Solid State Ionics, 1997, vol. 101–103, pp. 605—609. DOI: 10.1016/S0167-2738(97)84090-8Riess I., Porat O., Tuller H. L. Investigation of the dominant point defects in tetragonal YBa2Cu3Ox at elevated temperatures // J. Supercond. 1993. V. 6, Iss. 5. P. 313—316. DOI: 10.1007/BF00617477Hilgenkamp H., Mannhart J. Grain boundaries in high-Tc superconductors. Rev. Mod. Phys., 2002, vol. 74, pp. 485—549. DOI: 10.1103/RevModPhys.74.485Kalanda N. A., Trukhan V. M., Ketsko V. A. Oxygen exchange in YBa2Cu3O7-δ // Inorg. Mater. 2002. V. 38, Iss. 2. P. 159—162. DOI: 10.1023/A:1014069228288Nariki S., Sakai N., Murakami M., Hirabayashi I. High critical current density in Y-Ba-Cu-O bulk superconductors with very fine Y211 particles. Supercond. Sci. Technol., 2004, vol. 17,Gusakov V., Jezowski A., Barilo S. N., Kalanda N. A., Saiko A. Anisotropy of thermal conductivity in single crystals YBa2Cu3O7 // Physica B. 2000. V. 284—288. P. 989—990. DOI: 10.1016/S0921-4526(99)02324-8pp. S30—S35. DOI: 10.1088/0953-2048/17/2/057Гололобов Е. М. Параметр порядка атомов кислорода и сверхпроводимость соединения YBa2Cu3O7-δ // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, Вып. 12. С. 28—30. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/37809Maki M., Nishizaki T., Shibata K., Kobayashi N. Layered charge-density waves with nanoscale coherence in YBa2Cu3O7-d.Phys. Rev. B, 2005, vol. 72, p. 024536. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.024536Phys. Rev. B, 2005, vol. 72, p. 024536. DOI: 10.1103/PhysRevB.72.024536Kobayashi H., Imaizumi T., Iguchia I., Tanakab Y., Kashiway S. Angle-dependent Josephson current in high-Tc YBa2Cu3O7-d ramp-edge junctions. Physica C: Supercond, 2001, vol. 357–360,Kobayashi H., Imaizumi T., Iguchia I., Tanakab Y., Kashiway S. Angle-dependent Josephson current in high-Tc YBa2Cu3O7-d ramp-edge junctions. Physica C: Supercond, 2001, vol. 357–360,no. 2, pp. 1567—1571. DOI: 10.1016/S0921-4534(01)00550-0no. 2, pp. 1567—1571. DOI: 10.1016/S0921-4534(01)00550-0Kalanda N. A., Trukhan V. M., Marenkin S. F. Manufacture of textured YBa2Cu3O7-Δ ceramics from Y2BaCuO5-“xBa3Cu5O8” and Y2Cu2O5-BaCuO2 systems. J. Inorg. Chem., 2002, vol. 47, no. 8, pp. 1114—1120.Kalanda N. A., Trukhan V. M., Marenkin S. F. Manufacture of textured YBa2Cu3O7-Δ ceramics from Y2BaCuO5-“xBa3Cu5O8” and Y2Cu2O5-BaCuO2 systems. J. Inorg. Chem., 2002, vol. 47, no. 8, pp. 1114—1120.Gurskii L. I., Kalanda N. A., Saad A. M., Truhan V. M., Haliakevich T. V. Crystallization features of YBa2Cu3O7-d in the Y2BaCuO5-BaCuO2-CuO and Y2Cu2O5-BaCuO2 systems. Cryst. Res. Technol., 2008, vol. 43, pp. 599—605. DOI: 10.1002/crat.200711127Gurskii L. I., Kalanda N. A., Saad A. M., Truhan V. M., Haliakevich T. V. Crystallization features of YBa2Cu3O7-d in the Y2BaCuO5-BaCuO2-CuO and Y2Cu2O5-BaCuO2 systems. Cryst. Res. Technol., 2008, vol. 43, pp. 599—605. DOI: 10.1002/crat.200711127Riess I., Porat O., Tuller H. L. Investigation of the dominant point defects in tetragonal YBa2Cu3Ox at elevated temperatures. J. Supercond., 1993, vol. 6, no. 5, pp. 313—316. DOI: 10.1007/BF00617477Riess I., Porat O., Tuller H. L. Investigation of the dominant point defects in tetragonal YBa2Cu3Ox at elevated temperatures. J. Supercond., 1993, vol. 6, no. 5, pp. 313—316. DOI: 10.1007/BF00617477Kalanda N. A., Trukhan V. M., Ketsko V. A. Oxygen exchange in YBa2Cu3O7-d. Inorg. Mater., 2002, vol. 38, no. 2, pp. 159—162. DOI: 10.1023/A:1014069228288Kalanda N. A., Trukhan V. M., Ketsko V. A. Oxygen exchange in YBa2Cu3O7-d. Inorg. Mater., 2002, vol. 38, no. 2, pp. 159—162. DOI: 10.1023/A:1014069228288Gusakov V., Jezowski A., Barilo S. N., Kalanda N. A., Saiko A. Anisotropy of thermal conductivity in single crystalsGusakov V., Jezowski A., Barilo S. N., Kalanda N. A., Saiko A. Anisotropy of thermal conductivity in single crystalsYBa2Cu3O7. Physica B, 2000, vol. 284–288, pp. 989—990. DOI: 10.1016/S0921-4526(99)02324-8YBa2Cu3O7. Physica B, 2000, vol. 284–288, pp. 989—990. DOI: 10.1016/S0921-4526(99)02324-8Gololobov E. M. The order parameter of oxygen atoms and the superconductivity of the YBa2Cu3O7-d compound. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics Letters, 2000, vol. 26, no. 12, pp. 28—30. (In Russ.). URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/37809Gololobov E. M. The order parameter of oxygen atoms and the superconductivity of the YBa2Cu3O7-d compound. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki = Technical Physics Letters, 2000, vol. 26, no. 12, pp. 28—30. (In Russ.). URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/37809

The authors declare that there are no conflicts of interest present.