Сверхпроводимость, электронные и магнитные свойства углеродных материалов на основе фуллерита и алмаза, страница 2

Установлено, что в образцах с минимальным уровнем легирования (∼1019см-3) наблюдается прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка научастке температур 70 – 297 K. В образцах с уровнем легирования ∼ 8•1019 см-3 вобласти температур выше 110 – 200 К наблюдается активационный типпроводимости с энергией активации в диапазоне 30 – 90 мэВ. В образцах смаксимальным уровнем легирования (∼1020 см-3) в области температур выше 110 Кнаблюдается активационный тип проводимости с энергией активации в диапазоне38 – 53 мэВ, а при температурах ниже 50 К наблюдается зависимостьпроводимости от температуры типа σ (T ) = σ (0) + bT 1/ 2 , характерная для сильнодефектных вырожденных полупроводников с сильным рассеянием электронов.Обнаружено изменение типа проводимости композита MgB2:C60 приувеличенииконцентрацииконцентрацияхС60C60композитвсверхтвердомсохраняеткомпозите:сверхпроводящиепрималыхсвойства,асопротивление вблизи сверхпроводящего перехода определяется кластерамиполимеризованного фуллерита; при увеличении содержания С60 происходитпереход к прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка; придальнейшем увеличении концентрации С60 – сопротивление слабо растет суменьшением температуры.

Определена критическая концентрация фуллерита(20% массы) в сверхтвердом композите MgB2:C60, ниже которой композитсохраняет сверхпроводящие свойства. При этом величина температуры перехода всверхпроводящее состояние и критические магнитные поля остаются такими же,как и в поликристаллических образцах чистого диборида магния.Обнаружены сверхпроводящие переходы в сверхтвердых нанокомпозитахалмаза с ниобием и молибденом. Показано, что проводимость и сверхпроводимость4в них определяются нанокристаллами карбидов этих металлов с высокимструктурным совершенством, вырастающими в процессе спекания на поверхностимикрокристаллов алмаза.

При введении в композит фуллерита температураперехода в сверхпроводящее состояние понижается, а проводимость в нормальномсостоянии определяется преимущественно кластерами графитизированного иполимеризованного фуллерита.Научная новизна. В работе впервые систематически исследованы методамирентгеновскойдифракциииядерногомагнитногорезонанса(ЯМР),низкочастотным индуктивным методом при температурах от комнатной до 4,2 К,методом электронного парамагнитного резонанса в интервале температур от 300 Кдо 105 К и методом комбинационного рассеяния света при комнатной температуреновые гетерофуллериды состава A2MC60. Обнаружены сверхпроводящие переходыв гетерофуллеридах со щелочноземельными металлами K2MC60 (M=Be, Mg, Ca),Rb2MC60 (M=Be, Ca); с редкоземельными металлами K2MC60 (M= Sm, Gd, Tb, Yb,Lu), Rb2YbC60; с переходными металлами K2MC60 (M=Sc, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu); сталлием и алюминием ACsTlC60, A2TlC60 (A=K, Rb) и K2AlC60.Исследована проводимость синтетических монокристаллов алмаза (массойдо 3,8 карат), сильно легированных бором (концентрация бора в диапазоне 1,8•1019см-3 – 1,4•1020 см-3), при температурах от 0,5 К до 300 К.

Установлено, что вобласти температур 110 – 200 К наблюдается активационный тип проводимости сэнергией активации в диапазоне 30 – 90 мэВ. В образцах с минимальным уровнемлегирования наблюдается прыжковая проводимость с переменной длиной прыжкана участке температур 70 – 297 K.Показано, что в монокристаллах с концентрацией бора ~1020 при Т = 0,5 – 50К температурная зависимость проводимости выходит на насыщение, чтохарактерно для дефектных вырожденных полупроводников.Впервые исследованы транспортные свойства и критические магнитныеполя сверхтвердых сверхпроводящих нанокомпозитов алмаза с ниобием имолибденом.Показано,чтотранспортныесвойстваисверхпроводимостьнанокомпозитов определяется монокарбидом металла стехиометрического состава,вырастающим на поверхности алмазных гранул.Впервыеисследованытранспортныесвойстватвердыхкомпозитовфуллерита с диборидом магния.

Определена критическая концентрация фуллерита,5при которой композит остается сверхпроводником. Установлено, что в отличие отлегирования углеродом введение в состав композита фуллерита не приводит кзаметным изменениям в величине Тс.Практическая значимость. Результаты данной работы показывают, что методсинтеза фуллеридов в среде органических растворителей позволяет получать ранеенеизвестные гомо- и гетерофуллериды с металлическими и сверхпроводящимисвойствами. Таким образом, становится принципиально возможным получение иисследование новых фуллеридов, стабильных на воздухе, не содержащихщелочных металлов.

В данной работе представлен новый класс сверхпроводниковна основе фуллеридов, открытый для дальнейших научных работ.Развитие аппаратуры и техники, в которой применяются технологии,использующие высокое и сверхвысокое давление, например криогенная техника,аппараты для роста монокристаллов алмазов и кубического нитрида бора, крупныесверхпроводящие магнитные системы, сверхпроводящие контакты в криогенныхэлектрических машинах, зонды в аппаратах зондовой микроскопии и т.п.

требуетполучения новых типов сверхпроводящих, сверхтвердых и сверхпрочныхматериалов. В данной работе показано, что алмазные порошки, спеченные спорошками металлов (Nb, Mo), и композиты на основе фуллерита с диборидоммагния сочетают в себе эти свойства и могут быть использованы длявышеуказанных целей. Следует отметить, что несверхпроводящие монокристаллыалмазов, сильно легированные бором, с металлической проводимостью такжеможно применять в качестве зондов в аппаратах зондовой микроскопии.Апробациядиссертации,работы.Основныедокладывалисьирезультатыобсуждалисьисследований,наизложенныхВсероссийскойвНаучнойКонференции Студентов-Физиков 9, 2003, (Красноярск), диплом 1-й степени;Международной Конференции студентов и аспирантов по фундаментальнымнаукам «ЛОМОНОСОВ-2003» (Москва), лучший доклад в секции; 12th InternationalSymposium of Intercalation Compounds, 2003 (Poznan, Poland); Quantum Complexitiesin Condensed Matter, 2003, (Bukhara, Uzbekistan); VIII International ConferenceICHMS'2003, 2003 (Sudak, Crimea, Ukraine); 2-й международной конференции"Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология",2003 (Москва); Spectroscopies in Novel Superconductors SNS’2004, 2004 (Sitges,Spain); 3-й международной конференции "Углерод: фундаментальные проблемы6науки,материаловедение,«Водородноетехнология",материаловедениеи2004химия(Москва);углеродныхнаконференциинаноматериалов»(ICHMS’2005), 2005 (Крым, Украина); 4-й международной конференции "Углерод:фундаментальныепроблемынауки,материаловедение,технология",2005(Москва); IV Международном симпозиуме "Фуллерены и фуллереноподобныеструктуры в конденсированных средах", 2006 (Минск, Республика Беларусь); AsiaPacific EPR/ESR Symposium APES’2006, 2006 (Новосибирск); 34-ом совещании пофизике низких температур LT-34, 2006 (Ростов-На-Дону); 5-й международнойконференции "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение,технология", 2006 (Москва); 21st Century COE Program, Third InternationalConference on Flow Dynamics, 2006 (Matsushima, Japan).Публикации.

Содержание работы отражено в 26 публикациях. Список работприведен в конце автореферата.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения и списка цитированной литературы из 216 наименований. Диссертациясодержит 167 страниц, включая 80 рисунков и 14 таблиц.В руководстве диссертационной работой активное участие принимал к. ф.-м.н. В.Г. Кытин.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность тематики диссертационной работы,описаны изучаемые объекты исследования, сформулированы цели и задачи работы,методы исследования, новизна и практическая значимость работы, а такжевыносимые на защиту положения. Приводятся сведения об апробации и списокпубликаций по теме работы.В первой главе приведен обзор литературы по физическим свойствам гомои гетерофуллеридов щелочных и щелочноземельных металлов.

Описываетсякристаллическая структура фуллеридов и гетерофуллеридов, их электронные имагнитные свойства. Изложены основные положения теории сверхпроводимостифуллеридов. Приведены экспериментальные результаты исследований фононногоспектра молекулы С60 в чистом и интеркалированном фуллерите методомкомбинационного рассеяния света. Представлены характерные особенности ЭПРспектров сверхпроводящих фуллеридов.7Описывается структура и электронные свойства углеродных материалов наоснове алмаза.

Приведен литературный обзор сверхпроводящих свойств карбидовметаллов. Представлена теория сверхпроводимости этих материалов. Описановлияние стехиометрии на сверхпроводящие свойства карбидов переходныхметаллов.Рассматриваютсятранспортныесвойстваполикристаллическихалмазные пленок и композитов, сильно легированных бором, в зависимости отуровня легирования. Приведены экспериментальные данные по сверхпроводящимсвойствам алмазов, сильно легированных бором.Во второй главе описаны синтез, строение и характеризация изучаемыхобразцов,атакжегетерофуллеридов,методикиихразработанныйисследования.наХимическомОписанметодфакультетесинтезаМГУподруководством профессора Б.М. Булычева, и исследование кристаллическойструктуры и фазового состава методами рентгеновской дифрактометрии и ядерногомагнитного резонанса.

Рассказывается об использованных в работе методикахизмеренийтемпературныхзависимостеймагнитнойвосприимчивости,намагниченности и ЭПР спектров. Приводится описание методик исследованияспектров комбинационного рассеяния.Описан способ и условия синтеза поликристаллических металлокомпозитовс алмазом и композитов на основе фуллерита и диборида магния. Представленыданные рентгеновской дифрактометрии и микротвердости, которая составляла от27 ГПа до 95 ГПа для композитов с металлами и от 10 ГПа до 57 ГПа длякомпозитов в MgB2. Синтез, характеризация и определение микротвердостиобразцов проводились в Технологическом институте сверхтвердых и новыхуглеродных материалов (ТИСНУМ) под руководством профессора В.Д.

Бланка.Также приведена методика измерения температурных зависимостей сопротивленияи критического магнитного поля. Указан способ и условия роста сильнолегированных бором монокристаллов алмаза (концентрация бора варьировалась впределах от 1,8⋅1019 см-3 до 1,4⋅1020 см-3), выращенных в ТИСНУМ-е. Описанаметодика измерения температурной зависимости сопротивления в областитемператур от комнатной до 0,5 К.8В третьей главе приведены результаты измерений электронных имагнитных свойств гетерофуллеридов, которые можно разделить на несколькогрупп в зависимости от внедренного гетерометалла: гетерофуллериды переходныхметаллов состава K2MC60, где M – переходный металл 4, 5 или 7-го рядапериодической системы элементов; гетерофуллериды типа A3-xMxC60, где A=K, Rb,M – щелочноземельный металл, x=1, 2; гетерофуллериды состава A3-xMxC60, гдеA=K или Rb, M – редкоземельный металл, x=1, 2; гетерофуллериды алюминия италия типа A3-xMxC60, M=Al, Tl, x=1, 2; гомо - и гетерофуллериды на основе цезия.В ряде новых гетерофуллеридов наT (K)основе щелочных и щелочноземельныхметалловK2MC60(M=Be,Mg,0304050-0.01χ (emu/g)Rb2MC60 (M=Be, Ca); щелочных и fLu), Rb2YbC60; щелочных и d- металлов200.00Ca),металлов K2MC60 (M= Sm, Gd, Tb, Yb,10-0.02-0.03-0.04K2MC60 (M=Sc, Ti, V, Cr, Fe, Ni, Cu); а-0.05также гетерофуллеридов с таллием и-0.06Rb2TlC60, Tc=27,2 KKCsTlC60, Tc=21,7 KRbCsTlC60, Tc=26,4 Kалюминием ACsTlC60, A2TlC60 (A=K, Rb), Рис.1.ТемпературныезависимостимагнитнойвосприимчивоститройныхK2AlC60 обнаружена сверхпроводимость с гетерофуллеридов состава KCsTlC60 иRbCsTlC60.