Sr2CuO3+δ高温超导样品中微结构的同步辐射研究

摘要

能源是现代社会发展所面临的一大挑战，其中，能源传输损耗是长期困扰人们的一大难题，开发具有零电阻、迈斯纳效应、约瑟夫森效应等多种优异特性的超导材料成为解决这一难题的主要方案之一。近年来，高温超导材料的出现使得超导材料被广泛的应用到军事、医疗、工业、电力等社会的各个方面，但目前可用的高温超导材料仍需在制冷条件下使用，最高超导临界温度只到～160K。为了降低运行成本，研究具有更高临界温度Tc的高温超导材料甚至室温超导显得尤为重要。但是，提高Tc的研究目前遇到了瓶颈，这主要是由于缺乏一个统一的理论来解释清楚高温超导电性机理，材料开发缺乏理论指导。高温超导机理解释的困难主要在于材料中各种序参量——电荷、轨道、自旋、晶格等之间的强关联作用，这些复杂相互作用常常导致微观结构的出现。大量的实验研究表明，微结构的变化与高温超导电性密切相关。为进一步理解高温超导材料的微结构与超导电性的关系，我们利用同步辐射相关技术对典型单铜氧层铜基高温超导材料的晶体结构和电子结构进行了详细的表征和研究。具体地，本论文利用同步辐射共振X射线衍射(RXD)技术表征了高温超导材料Sr2CuO3+δ中与超导电性相关的超晶格调制结构随温度的演化，同时利用同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS)谱学技术研究了Sr2CuO3+δ粉末样品中铜元素附近的局域晶格畸变，结合二者讨论了该材料中超晶格调制结构形成的原因及超晶格调制结构与超导电性的关系;然后，利用同步辐射偏振XAFS技术研究了Sr2CuO3+δ材料中一直具有争议的氧空位占位问题;最后，利用同步辐射偏振X射线吸收谱(XAS)技术研究了该材料的各向异性的电子结构。以上结果加深了我们对铜基高温超导材料超导机理的理解。
　　第一章介绍了超导材料的发展历程，并指出目前存在的主要科学问题。首先，阐述了超导材料的研究进展，以及铜基高温超导材料的研究现状;其次，回顾了本论文主要研究的Sr2CuO3+δ高温超导材料的国内外研究进展并指出了进一步研究的必要性;最后，给出本论文的研究对象、研究内容，以及拟解决的科学问题。
　　第二章详细介绍了该论文研究中所涉及的同步辐射实验技术和实验方法，包括同步辐射XAFS技术、同步辐射XAS技术、同步辐射RXD技术等。
　　第三章，我们分别采用同步辐射XAFS技术和同步辐射RXD技术对Sr2CuO3+δ粉末样品在超导转变前后的微结构进行了仔细研究。变温RXD发现在120K左右出现了新的调制结构相，变温XAFS也表明Sr2CuO3+δ粉末中铜元素局域配位在该温度也出现晶格畸变和微弱的有序信号，暗示着局域晶格畸变是与新的调制结构相关的;同时，新的调制结构在超导临界温度左右完全形成，并且在超导临界温度以下一直存在，因此，我们认为新发现的调制结构是与超导转变密切相关的。
　　第四章，我们选择Sr2CuO3+δ单晶样品作为研究对象，利用同步辐射偏振XAFS技术和偏振XAS技术分别在Cu K边和L23边研究了Sr2CuO3+δ单晶样品的各向异性的局域配位结构和电子结构。偏振XAFS的实验结果指出，Sr2CuO3+δ单晶样品中的氧空位既存在于铜氧面内又存在于顶角位置，氧空位在整个材料中占17.5％，其中10％在铜氧面内，7.5％占据顶角位置。偏振Cu L边XAS的结果表明，铜元素最外层轨道的未占据态主要由Cu3dx2-y2和O2px,y两个面内分量构成，同时发现3dz2面外分量，暗示着3dz2未占据态对该材料的超导电性也有一定的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超导材料的发展历程

1．2 铜基高温超导(HTSC)材料

1．2．1 HTSC材料的晶体结构和相图

1．2．2 HTSC材料的电子结构

1．2．3 氧缺陷在HTSC材料中的重要作用

1．2．4 超晶格结构与超导电性关系

1．2．5 铜氧化物高温超导理论

1．3 Sr2CuO3+δ单铜氧层HTSC材料的研究进展

1．3．1 Sr2CuO3+δ材料的晶体结构

1．3．2 关于氧空位位置的争议

1．3．3 超晶格调制结构的演化

1．4 本论文研究内容以及拟解决的科学问题

1．5 本章小结

参考文献

第二章 同步辐射表征手段

2．1 同步辐射x射线吸收精细结构(XAFS)技术简介

2．1．1 XAFS原理

2．1．2 偏振EXAFS原理及应用

2．2 同步辐射X射线吸收谱(XAS)技术简介

2．2．1 XAS原理

2．2．2 偏振XAS原理及应用

2．3 共振X射线衍射(RXD)技术简介

2．3．1 RXD原理

2．3．2 RXD应用

2．4 本章小结

参考文献

第三章 Sr2CuO3+δ微观结构及其演化的同步辐射变温RXD和XAFS研究

3．1 引言

3．2 Sr2CuO3+δ超晶格结构及其演化的同步辐射变温RXD研究

3．2．1 实验部分

3．2．2 结果与讨论

3．3 Sr2CuO3+δ中Cu-O配位局域晶格波动的同步辐射变温XAFS研究

3．3．1 实验部分

3．3．2 结果与讨论

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Sr2CuO3+δ氧空位占位和各向异性电子结构的同步辐射偏振XAFS和偏振XAS研究

4．1 引言

4．2 Sr2CuO3+δ中氧空位位置的同步辐射偏振XAFS研究

4．2．1 实验部分

4．2．2 结果与讨论

4．3 Sr2CuO3+δ各向异性电子结构的同步辐射偏振XAS研究

4．3．1 实验部分

4．3．2 结果与讨论

4．4 本章小结

参考文献

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

硕博连读期间发表的文章、获得的奖励以及参与项目和学术活动

致谢