Pr-Ce-Cu（V，Ni）-O体系的超导电性及霍尔效应研究

摘要

尽管高温超导体己经发现20年了，但是有关高温超导的机理一直是困惑理论学家和实验学家的重要难题。许多小组的研究结果显示电子型高温超导体和空穴型高温超导体具有类似的相图，同时二者在许多性质上也存在显著的差异，进一步对其基本性质进行研究是很有必要的。电子型高温超导体具有简单的四方晶格结构，只有一种Cu位，借助元素替代的方法可以直接研究CuO2导电层的性质，并且在电子型超导体中用高价元素替代Cu位后可以向导电层引入更多的电子，这对其超导电性具有重要影响。本论文主要利用高价离子替代的方法研究晶体结构、载流子浓度和离子磁矩对电子型超导体超导电性的作用，具体工作如下： 1)系统研究了高价离子V4+和Ni3+在电子型超导体Pr1.85Ce0.15CuO4-δ(PCCO)中进行Cu位替代对超导电性的影响。结果显示，少量(x≤0.04)的V4+替代Cu2+能够改善样品的超导电性，但进一步增加替代量(x≥0.06)会抑制超导电性。与V4+替代效应相比，Ni3+替代对超导具有很强的破坏作用，当替代量仅为0.01时，超导电性就被完全抑制。对于V替代的PCCO体系，少量替代时晶格常数的改变、V4+与Cu2+相近的离子磁矩都支持了微量替代改善其超导电性的实验结果。霍尔系数实验证实了高价离子替代提高了样品中的载流子浓度，这也是超导转变温度提高的重要原因。为了澄清磁性离子替代对铜氧化物磁结构的影响，我们在母体Pr2CuO4中通过少量V4+和Ni3+在Cu位的替代，对样品的磁特性进行了研究。将磁化强度曲线按照居里-外斯定律拟合，计算出各样品的有效磁矩，最后得出离子替代引起的样品有效磁矩的改变量。结果显示，Ni3+离子替代对样品母体的磁结构具有较强的破坏作用，从而在PCCO中较强地抑制了超导电性；而V4+离子替代基本不改变样品母体的磁结构，所以对超导电性的抑制作用较弱。 2)系统研究了Pr1.85Ce0.15CuO4-δ和Pr1.85Ce0.15Cu0.96V0.04O4-δ体系的霍尔系数在低温下的双转变点和符号改变行为。通过不同退火条件改变样品中的氧含量，对其输运性质进行研究。在空气中退火处理的样品，电阻率和霍尔系数实验均表明样品具有类半导体型导电行为。在500℃、N2气氛下处理的样品，PCCO的电阻率和霍尔系数均保持了半导体的特征，而对于微量V掺杂的样品，其霍尔系数在低温下出现了明显的转变，并且随着外加磁场强度的增强转变温度逐渐降低，当磁场增加到7T时，该转变行为仍然存在。V离子的替代增强了载流子间的耦合，使得超导容易发生，所以霍尔系数的转变与超导电性密切相关。另外，根据最佳掺杂样品(Pr1.85Ce0.15CuO4)费米面结构的特征，得出体系中两种类型载流子的存在和二者的竞争是霍尔系数符号发生改变的重要原因。 3)对Pr2-xCexCu0.96V0.04O4(x=0.05～0.15)体系的晶体结构、超导电性和磁特性进行了研究。电子型超导体在低掺杂时其超导电性强烈地受到晶格常数的影响，只有掺杂量为x=0.135，0.15的样品具有超导电性，非超导样品的电阻率显示出半导体型导电行为。通过x=0.05和0.15两个样品磁化强度的比较，发现x=0.15在正常态时的磁化强度与x=0.05样品的磁化强度大小相同，并且x=0.05样品整体呈现顺磁特性，表明样品的磁性质与样品中呈顺磁关联的稀土离子Pr3+相关。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章高温超导体的研究进展及研究热点

第二章研究内容和实验方法

第三章V4+、Ni3+替代Cu位对Pr1.85Ce0.15CuO4-δ结构和超导电性的影响

第四章Pr-Ce-Cu-V-O体系低温霍尔系数与超导电性

第五章Pr2-xCexCu0.96V0.04O4-δ体系的超导电性与磁特性

第六章结论

攻读硕士期间发表的论文

致谢

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