Efecto de las deformaciones sobre películas delgadas de Bi2Sr2CaCu2O8+x

RESUMEN

En esta tesis se estudia la influencia de las deformaciones de la estructura
cristalina sobre las propiedades superconductoras y vibracionales del cuprato
Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212). Este trabajo combina c ́alculos ab initio basados

en la teor ́ıa del funcional de la densidad (DFT) con la fabricaci ́on y caracteriza-
ci ́on experimental de pel ́ıculas delgadas crecidas mediante deposici ́on por l ́aser

pulsado sobre sustratos monocristalinos de SrTiO3. Los resultados se comparan
con los obtenidos en trabajos previos para el YBa2Cu3O7−δ (YBCO), con el
fin de identificar tendencias comunes y espec ́ıficas de cada familia de cupratos.

Respecto a los c ́alculos ab initio, se implement ́o un procedimiento de op-
timizaci ́on estructural para la celda unidad del Bi-2212 que incorpora una

distorsi ́on de las posiciones at ́omicas basada en los autovectores de los mo-
dos normales imaginarios. Esto permiti ́o contemplar un efecto promedio de la

supermodulaci ́on de los planos BiO, sin recurrir a superceldas de alto costo
computacional. A partir de esta estructura se realiz ́o una asignaci ́on completa
de los modos vibracionales Raman-activos e infrarrojo-activos, aportando a
resolver controversias presentes en la literatura. En particular, se confirm ́o que
los modos observados en torno a 630-660 cm−1

corresponden al ox ́ıgeno apical
(OSr) y no a los ox ́ıgenos de los planos de Bi (OBi). Se analiz ́o el efecto de la

deformaci ́on del eje c sobre las propiedades estructurales, electr ́onicas y vibra-
cionales, encontrando que los corrimientos en frecuencia de los modos Raman

son cualitativamente distintos a los del YBCO, diferencia que se explica por los
enlaces mayormente afectados por cada modo y los cambios en la distribuci ́on
electr ́onica inducidos por la deformaci ́on.
En cuanto a los resultados experimentales, se optimizaron los par ́ametros

de fabricaci ́on de pel ́ıculas de Bi-2212 mediante un dise ̃no factorial fraccio-
nal, en geometr ́ıas de deposici ́on off-axis y on-axis, evaluando las propiedades

estructurales (difracci ́on de rayos X) y superconductoras (susceptibilidad AC
y resistencia el ́ectrica en funci ́on de la temperatura). En ambas geometr ́ıas,
los factores con mayor influencia sobre la temperatura cr ́ıtica resultaron ser la
presi ́on de ox ́ıgeno y la temperatura del sustrato durante la deposici ́on. En la
geometr ́ıa on-axis se estudiaron adem ́as respuestas estructurales, evaluando la

presencia de las fases Bi2Sr2CuO6+x (Bi-2201) y Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi-2223)

como clusters monocristalinos o en forma de defectos intercalares. Se identi-
fic ́o que existe una ventana estrecha de par ́ametros para crecer Bi-2212 sin la

aparici ́on de fases secundarias. Las condiciones ́optimas encontradas permitie-
ron obtener pel ́ıculas con temperaturas cr ́ıticas el ́ectricas pr ́oximas a 80 K, sin

evidencia de defectos intercalares, pero con indicios de Bi-2201 en forma de
clusters monocristalinos.

Con los par ́ametros de deposici ́on ́optimos, se fabric ́o una serie de mues-
tras con diferente espesor, que fueron caracterizadas estructural (difracci ́on de

rayos X), morfol ́ogica (microscop ́ıa AFM), superconductora (susceptibilidad

AC y resistencia en funci ́on de la temperatura) y vibracionalmente (espectros-
cop ́ıa Raman). Las medidas de difracci ́on de rayos X muestran un aumento

del par ́ametro de red c al disminuir el espesor, atribuido a deformaciones re-
siduales inducidas probablemente por las fronteras de grano. Las medidas de

microscop ́ıa AFM confirmaron la morfolog ́ıa granular y permitieron estimar el
espesor de las muestras e identificar el mecanismo de crecimiento. Entre los
modos Raman estudiados, se observ ́o que los modos Cu(y)-Sr(y) y OCu(z) B1g
presentan una correlaci ́on positiva con la temperatura cr ́ıtica, comportamiento
no observado en el YBCO.
La dependencia de Tc con la deformaci ́on (cambio en el par ́ametro de red

c) se explic ́o a partir de un modelo fenomenol ́ogico basado en las fluctua-
ciones cu ́anticas de fase. Se extendi ́o un modelo anterior, asignando constan-
tes diel ́ectricas diferenciadas a los dos entornos estructurales que separan los

planos CuO2. Esta extensi ́on permite reproducir la pendiente experimental
dTc/dc = −129 K/ ̊A con valores de par ́ametros f ́ısicamente razonables. Los

resultados indican que la respuesta diel ́ectrica local y su sensibilidad a la de-
formaci ́on son determinantes en la dependencia de Tc con las deformaciones

en el Bi-2212, a diferencia de lo observado para la familia del YBCO.

Palabras clave:
Bi-2212, superconductividad, pel ́ıculas delgadas, DFT, deformaciones.