Сверхпроводящий полупроводниковый материал

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19} (И}

ggy Н 01 L 39/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3357532/18-25 (22) 24.11.81 (46) 07.01.86. Бюл. Р 1 (71) Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М.И.Калинина (72) В.И.Кайданов, С.А.Немов, Р.В.Парфеньев и Д.В.Шамшур (53) 621.326(088.8) (56) Коэн М и др. Сверхпроводимость полупроводников и переходных метал-лов. М.: Мир, 1972, с. 25.

Черник И.А., Лыков С.Н. Письма в ЖТФ, 7, 94, 1981. (54) (57) СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МАТЕРИАЛ на основе теллурида свинца с примесью таллия, имеющего формулу РЪ} „Т1„Те (х = 0,01-0,0225), отличающийся, тем, что, с целью повышения температуры перехода в сверхпроводящее состояние, в материал дополнительно вводят акцепторную примесь элементов I группы

Периодической системы в количестве у, связанном с относительным со:.— держанием примеси таллия х соотношением 0 < у, < 1,5х при этом полученный материал имеет формулу

Pb<„> Т1„А„Те, где А . — дополнитель-а римесь.

1064816

50

Изобретение относится к области технической физики, в частности к полупроводниковым сверхпроводящим. материалам,а именно к материалам на основе теллурида свинца с примесью таллия, имеющих максимальные для известных полупроводников значения температуры Тс перехода в сверхпроводящее состояние. Благод ря относительно высокому электрическому сопротивлению в нормальном состоянии сверхпроводящие полупроводники могут иметь ряд преимуществ.. перед металлами при использовании их в измерительной технике.

Известны несколько сверхпроводящих полупроводниковых материалов: титанат стронция SrTiO>, теллурид олова ЯпТе, теллурид германия СеТе, бариевый Ba„Sr< „ Т О (х = О, 1) и кальцевой Ca„Sr, „TiO (х = 0,3) титанаты, тройная система Т1В Те с критической температурой Т а1 К.

Недостатком известных полупровод.никовых материалов является низкая температура перехода в сверхпроводящее состояние То с 1 К, относящаяся к диапазону сверхнизких температур.

Наиболее близким по технической сущности является сверхпроводящий полупроводниковый материал на основе: теллурида свинца с примесью таллия, имеющего формулу РЬ| „Т1 Те (х =

= 0,01-0,0225), который имеет максимальную для однофазных полупроводниковых материалов температуру перехода в сверхпровадящее состояние

Т =1-1,4К.

Цель изобретения — повышение температуры перехода в сверхнроводящее состояние.

Эта цель достигается тем, что в сверхпроводящий полупроводниковый материал на основе теллурида свинца с примесью таллия, имеющего формулу РЬ! х Тl„Те, где x = 0,01-0,0225, дополнительно вводят акцепторную примесь элементов Х группы Периодической системы в количестве у, связанном с относительным содержанием примеси таллия х соотношением

О у «й 1,5х, при этом материал описан формулой Pb „> XlxA, Òå, где А — дополнительно введенная акцепторная примесь.

На фиг. 1 приведены температурные зависимости удельного сопротивления г образцов РЬ„ „„ Tl„ Ма„Те, (номера зависимостей соответствуют номерам образцов в таблице); на фйг, 2— зависимости удельного сопротивления

5 образца РЪ|,q Тlоог 1 о.оо Те от магнитного поля при температурах 0,64 К и 1,43 К; на фиг. 3 — температурная зависимость второго критического поля для образца

Pbo 9ps Tlo,о Nao,oos Те..

В полупроводниковый сверхпроводящий материал теллурнд свинца, легированный примесью таллия, имеющий химическую формулу Pb1 „ TlxTe (х = 0,01-0,0225), дополнительно вводят акцепторную примесь с высокой растворимостью, позволяющую создавать концентрацию дырок в теллуриде свинца не менее 5 10 см

20 например, натрий, в количестве у, связанном соотношением О (y 4 1,5х с относительным содержанием примеси таллия х, причем в материал дополнительно введен теллур в количестве не меньшем, чем примесей таллия и дополнительного акцептора (х+у), так что материал описан формулой

РЪ, „ Тl„А „Те. При этом дополнительно введенная акцепторная примесь

30 изменяет положение уровня Ферми в валентной зоне относительно полосы квазилокальных состояний таллия и температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Максимальную критическую температуру имеют образцы с уровнем Ферми, расположенном вблизи пика (максимума) плотности примесных состояний таллия.

Для получения образцов сверхпроводящего материала в качестве дополнительно вводимой в Pb| x Tl Òå акцепторной примеси А бы использован.натрий, содержание примесей таллия х и натрия у варьировалось в пределах 0,01 4 х 0,02, О ° 00075 у + О, 025. Конкретные примеры составов -изготовленных образцов приведены в таблице. Образцы были изготовлены авторами методом горячего прессования. Синтез вещества, отвечающего приведенной выше химической формуле при различных содержаниях примесей таллия и натрия, осуществлялся сплавлением

5 исходных компонентов (РЪ, Тl, Иа, Те), взятых в соответствующих пропорциях в эвакуированных до 10 торр кварцевых ампулах при температуре

10648!6

Т = 930сС. Слитки дробились до размера гранул менее 300 мкм из котоо рых при температуре 420 С прессовались образцы под давлением P = ш

4 10 Па. Гомогенизирующий отжиг образцов проводился в эвакуированных кварцевых ампулах в течение

100-120 ч при температуре 650 С.

Исследованные образцы имели размеры

3 4 20 мм . На образцах, составы которых приведены в таблице, быпи произведены измерения удельного сопротивления р и его зависимости от магнитного поля р (Н) при температурах 0,4-4,2 К в диапазоне магнитных полей 0-15 кЭ.

Типичные экспериментальные зависимости удельного сопротивления от температуры приведены на примере образцов И 3, 5, 8 (см. таблицу).

При понижении температуры зависимость р (Т) практически отсутствует вплоть до некоторого значения Т =

= Т, затем происходит скачкообразное уменьшение до уровня, не поддающегося измерению, но не менее, чем на два порядка. Приписывая скачок удельного сопротивления сверхпроводящему переходу и учитывая, что на-". блюдаемый скачок Р занимает интервал температуры не более О, 1 К, за критическую температуру Т прис нято значение Т, при котором

Р(Т)/P(Т„) = 0,1. Определенные указанным способом критические температуры Тс приведены в таблице, из которой видно, что все исследо- : ванные образцы предлагаемого сверхпроводящего материала обладают более высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние по сравнению с прототипом и известными полупроводниковыми сверхпроводниками.

Максимальный критической температурой Т = 2, 17 К обладает материал, состав которого описан формулой

Pbo,92< Tlо.ь2 Neo,oos Те, мас. 7: свинец 60,516;, таллий 1,224; натрий 0 034 теллур 38,226. Дополнительным подтверждением наличия сверхпроводящего перехода является характер влияния магнитного поля на сопротивление образцов (см. фиг.2).

В полях, больших некоего критического при Т с Т происходит возрастание удельного сопротивления

4 до уровня, р (Т ), причем температурная зависимость величины критического магнитного поля Н (опреС2 деленной на уровне р (Н) / р (Т ) о

5 = 0,1) носит типичный для сверхпроводников вид (см. фиг. 3) .

Полученные результаты на образцах PbTe с примесью таллия дополнительно легированных акцепторной примесью натрия РЬ|„„ Tl„ Na Те, ис ходя из физических cîîáðàæåí3é могут быть распространены на материалы, имеющие формулу Pb „ Tl А Те

4-Х-3 л Ц в которых в качестве дополнительно !

5 введенной акцепторной примеси А использованы элементы I группы Периодической системы, характеризующиеся одинаковым строением внешних валентных электронных оболочек и проявляю20 щих акцепторное действие в PbTe. Это связано с тем, что повышение темпе.ратуры перехода в сверхпроводящее состояние в материалах РЬ .„ > Tl А Те х по сравнению с Pb<„ Tl„Te обусловле25 но не индивидуальными особенностями дополнительно введенной акцепторной примеси А, а ее способностью проявлять акцепторное действие в РЪТе.

Предложенный материал - теллурид

ЗО свинца, легированный таллием и акцепторной примесью элементов Е группы, например натрием, отличается от известных сверхпроводящих полупроводников, в том числе от материала прототипа, более высокими значениями критических температур. Достигнутое авторами максимальное значение критической температуры Т = 2, 17 К, может быть обеспечено откачкой паров

40 жидкого гелия до давления 37 торр.

Для поддержания такой температуры не требуется сложных дорогостоящих устройств и больших энергетических затрат. Для поддержания Т = 1 ° 4 К

4> требуется давление паров жидкого гелия на уровне 3 торр. Кроме того, предложенный материал в нормальном состоянии (Т .> Т, ) имеет удельное сопротивление р М 10 Ом см, т.е. значительно более высокое, чем у известных сверхпроводящих металлов и сплавов, что является существенным преимуществом при использовании в некоторых приборах, например в сверхпроводниковых приемниках излучения (болометрах).

5 1064816 4

° ВВЮВЮ Ф остав Свинец, Тапяий, Нат мас. Х мас. Х мас

Й муаа, описывавшая с образца рий, Теллур, Критическая . .Х мас Х температура, Т,К

61 20 0 6! 002 38 17

1,52

oper% Т1, Яаqooe Те

61,06 0,61

0,05

38,28

3 . Pbq, óТ1 4 Na„оры Те

1,98

1,61

1,73

1%92% 0,02 4LOool5

Йа Те

2,12 оз 11а

60,52 . 1,22 0,03

38,23

2,!7

1,51..

60,37 1,23 0,07 38,33

7 Ю

4@8,2

Т,S фу 74

ФиаХ

Редактор С.Титова

Заказ 8555/S Тираж 678 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по.делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.у кгород, ул.Проектная,4

8 PbepreT1 о,е 11ае,o ю Те

9 РЬозт Т1 о Ма, Те л

- Cl »

Ф

61 ° 132 0612 0034 38222 f 98

60,92 0,61 0,09 38,38

60,637 1,222 0,005 38 ° 136.

60,59 1,22 0,02 38,17

60,52 1,22 0,03 38,23 2,11

Техред О.Ващишина,Корректор И.Муски