5.2.1 YBa2Cu3O6+δ
Figure 5.1 – Cellule unit´e du compos´e Y Ba2Cu3O7 [133].
Comme tous les cuprates, le compos´e YBa2Cu3O6+δ pr´esente une structure de type p´erovskite (fig. 5.1). La cellule unit´e contient deux plans CuO2 adjacents s´epar´es de 3.2 ˙A
par un plan d’yttrium. Les plans CuO2 sont des plans conducteurs et sont repr´esent´es par la base des polyh´edres. La structure contient ´egalement des chaˆınes CuO s´epar´ees des plans conducteurs par des plans de BaO. En rajoutant des atomes d’oxyg`ene dans ces chaˆınes, la valence du cuivre change et des ´electrons sont arrach´es des plans CuO2. Le contrˆole du taux
d’oxyg`ene dans les chaˆınes permet alors de contrˆoler le dopage du compos´e. Ces chaˆınes sont dirig´ees selon l’axe ~b. Les chaˆınes du compos´e repr´esent´e sur la figure5.1 sont pleines. Elles correspondent `a la structure d’un compos´e l´eg`erement sur-dop´e (δ = 1, Tc ' 90 K). Le dopage optimal correspond `a δ = 0.95 et `a Tc ' 94 K. En faisant varier le dopage, les oxyg`enes des chaˆınes peuvent s’ordonner pour certaines valeurs de δ, en formant une superstructure. Cette superstructure a pu ˆetre mise en ´evidence par des mesures de rayons X [134]. Le nom donn´e `a ces superstructures d´ecoule de la p´eriodicit´e du vecteur d’onde r´eciproque Q suivant l’axe ~a.
Figure 5.2 – Sch´ema des diff´erentes superstructures des chaˆınes CuO dans YBa2Cu3O6+δ [133].
Pour δ < 0.35, le cristal pr´esente une structure t´etragonale (|a| = |b|). Quand on aug- mente le dopage au-dela de δ > 0.35, il y a une transition structurale et la maille s’allonge le long de l’axe b. La structure du compos´e passe alors de t´etragonale `a orthorhombique. Pour 0.35 < δ < 0.62, le compos´e pr´esente une structure stable constitu´ee d’une alternance de chaˆıne vide et pleine (fig.5.2). Cette superstructure est appel´e ortho − II. Quand le dopage ne correspond pas exactement au demi remplissage (δ = 0.5) il va y avoir des oxyg`enes en exc`es ou en d´efaut par rapport `a cette structure (cette phase est appel´e ortho − II in- compl`ete). Autour de δ = 0.62, le compos´e est un m´elange de phase ortho − II et −V . En augmentant encore le dopage, le compos´e pr´esente une superstructure de type ortho − V III autour de δ = 0.67. Entre δ = 0.72 et δ = 0.82, le compos´e adopte une structure de type ortho−III. Finalement `a fort dopage, le compos´e va tendre vers une phase de type ortho−I o`u toutes les chaˆınes sont remplies.
Dans ce compos´e, les chaˆınes peuvent s’ordonner en domaines tourn´es de 90˚les uns par rapport aux autres. Ce ph´enom`ene est appel´e maclage et ces domaines sont observables avec un microscope `a lumi`ere polaris´ee. L’amplitude des oscillations quantiques est tr`es sensible `a la dur´ee de vie des quasiparticules. Or `a chaque fois qu’une quasiparticule traverse la fronti`ere entre deux domaines, elle a une tr`es forte probabilit´e d’ˆetre diffus´ee. Pour augmenter la taille des domaines, on peut d´emacler l’´echantillon. Pour cela, une pression uniaxiale (100 atm) est exerc´ee sur l’´echantillon `a une temp´erature de 300 ˚C [135].
Figure 5.3 – Diagramme de phases structural en fonction de δ [134].
La figure 5.3 pr´esente le diagramme de phases structural en fonction de δ. La phase la plus stable `a un dopage interm´ediaire est la phase ortho − II. On constate aussi que si on augmente la temp´erature autour de 100 ˚C, l’´echantillon transite vers une phase ortho − I d´esordonn´e. La phase ortho − V III est encore plus instable et n´ecessite de garder l’´echantillon `a relativement basse temp´erature. Pour un mˆeme dopage, il existe donc diff´erents arrangements d’oxyg`ene dans les chaˆınes et on peut se demander si l’ordre dans les chaˆınes influe sur la phase supraconductrice des plans. Des mesures ont montr´e une d´ependance entre la Tc et la vitesse de refroidissement de l’´echantillon entre la phase
t´etragonale et les phases orthorhombiques ordonn´ees [136]. La temp´erature critique diminue si l’´echantillon est refroidi trop rapidement car les chaˆınes n’ont pas eu le temps de s’ordon- ner. Si on laisse l’´echantillon `a temp´erature ambiante, du moins dans le cas d’ortho − II, la temp´erature critique a tendance `a augmenter.
Les ´echantillons que nous avons mesur´es ont ´et´e synth´etis´es par Doug Bonn, Walter Hardy et Ruxing Liang de l’universit´e de Colombie Britanique (Vancouver, Canada). Ils ont effectu´e une croissance des cristaux par la m´ethode de self-flux. Cette m´ethode consiste `a m´elanger des poudres de Y2O3− BaO − CuO `a haute temp´erature dans un creuset inerte en BaZrO3 [137]. Ils ont ainsi pu r´ealiser des ´echantillons d’une tr`es grande puret´e (99.99%) dont la structure cristalline est de tr`es bonne qualit´e [138].
Le dopage auquel correspond les ´echantillons d’YBa2Cu3O6+δsynth´etis´es d´epend de leur concentration en oxyg`ene et de l’ordre dans les chaˆınes. De plus, ce compos´e pr´esente une d´epl´etion du dome supraconducteur autour du dopage p = 1
8 qui n’est pas prise en compte dans la relation de Tallon (eq. 2.4). Des mesures [139] ont montr´e que la concentration de porteurs dans les plans CuO2 est reli´ee au param`etre de maille selon c par la relation :
p = 11.491 (1 − c
c0) + 5.17 ∗ 10
9 (1 − c c0)
6 (5.1)
avec c0 = 1.18447 nm correspondant au param`etre de maille `a dopage nul (T = 295K). Cette relation permet de reproduire la d´epl´etion du dˆome autour de p = 1
8 non prise en compte par la relation de Tallon.
Les ´echantillons que nous avons mesur´es correspondent `a des dopages de δ = 0.51 (Tc =
57.5K) et δ = 0.54 (Tc = 60K) soit p = 0.1 trous par atome de cuivre. Des mesures de rayons X effectu´ees dans ces ´echantillons r´ev`elent une longueur de corr´elation de l’ordre de 58 ˙A (la longueur de corr´elation est la longueur typique sans alternance de chaˆınes le long de l’axe c) [135] et traduisent la grande puret´e cristalline des ´echantillons mesur´es.
5.2.2 YBa2Cu4O8 :
Les cristaux d’YBa2Cu4O8 ont une structure semblable au compos´e YBa2Cu3O6+δ si ce n’est la pr´esence de deux plans de chaˆınes CuO (fig.5.4).
Figure 5.4 – Cellule unit´e du compos´e YBa2Cu4O8 [133].
La pr´esence de deux chaˆınes exclut le ph´enom`ene de maclage. Ce compos´e a la particu- larit´e d’ˆetre stoechiom´etrique. Les chaˆınes sont pleines et il n’est pas possible de changer le dopage du compos´e. Si on tente de changer l’oxyg´enation des chaˆınes `a haute pression et
haute temp´erature, la structure cristalline du compos´e va changer en YBa2Cu3O6+δ[140]. Ce compos´e ne pr´esente pas de d´esordre dˆu `a des substitutions ou `a des absences d’oxyg`ene mais peut, n´eanmoins, pr´esenter des phases parasites de YBa2Cu3O6+δ. Les cristaux YBa2Cu4O8ont ´et´e synth´etis´es par N. Hussey et S. Adachi du Superconducting Research Laboratory `a To- kyo. Ils ont utilis´e la m´ethode de self-flux sous haute pression dans des creusets de Y2O3.