铜氧化物高温超导体空穴补偿效应和A位平均离子半径效应研究

摘要

高温超导电性自1986年在铜氧化物中被发现以来，迅速成为凝聚态物理研究的热点。近二十年来，该体系得到了广泛而深入的研究。这首先在于具有高温超导电性的铜氧化物在应用方面更有价值，而这种材料体系中还蕴含着诸如赝能隙现象、电荷有序等丰富的物理内容也是众多物理学工作者们十分感兴趣的课题。因此，对高温超导电性机制和高温超导体正常态输运性质的研究，将会对凝聚态物理的许多领域起到重要推动作用。 在过去的研究中，人们多用Cu位替代来研究铜氧化物高温超导体的超导机制。我们纵观这些实验结果，发现Cu位替代对超导的抑制并非取决于杂质离子是否具有磁性，而是由于掺杂引入了局域电子。因此在本论文中，我们对Cu位掺杂导致超导电性已被抑制的La系铜氧化物进行进一步Sr替代，通过磁性质，输运行为和光学性质等手段研究了空穴补偿效应对超导电性的影响。此外，我们对La系铜氧化物高温超导体进行A位掺杂研究，对这些材料的超导电性，磁性质，光学性质和正常态输运行为进行了一些探讨。有关内容已在国内外的杂志上发表。 本论文分为五章。 第一章首先回顾了高温超导电性研究的发展历史和应用背景，较详细的介绍了铜氧化物高温超导体的结构，电子结构，超导电性，磁性质以及导电行为等基本物理性质，并对国际上关于高温超导机制的解释进行了简单概要。同时也回顾了刚兴起铁基高温超导体的发展历史。 第二章着重介绍了La系铜氧化物高温超导体的进展，较详细的介绍了La系铜氧化物高温超导体的结构，超导相图，磁性质，过掺杂区，及条纹相等特殊的物理性质。重点介绍了La系铜氧化物高温超导体铜位替代后物理现象和解释机制。 第三章研究了La1.85-xSr0.15+xCu0.94M0.06O4(M= Mn and Ru)体系中空穴补偿效应的影响。通过直流磁化率的测量，我们发现随引入空穴的增加，该体系中原被抑制的超导电性重现，并且随空穴含量的增加，体系的Meissner体积和Tonsetc都先增加后减小，行成一个新的相图。我们发现，Mn4+掺杂体系表现出两次超导转变，而在Ru4+掺杂系统中只有一次超导转变。低温下，我们还观察到了超导电性和顺磁共存。我们认为这些现象是由于Sr掺杂所引入的空穴逐渐补偿了高价态杂质的电子。这种补偿效应被我们红外吸收光谱所证实。补偿效应还对两次超导相变和一次超导相变给出了合理的解释。 第四章分别系统地研究了Ni和Zn掺杂的La0.15Sr0.15CuO4体系的空穴补偿效应。在Ni掺杂系统中，随着空穴的增加超导电性重现了，而在Zn掺杂系统我们没有观察到任何超导电性存在的证据。我们将其原因归因于Zn不能形成八面体，因此Zn的d轨道不能与周围氧成键，Zn上的局域电子不能被引入空穴所补偿。 第五章系统地研究了La1.85M0.15CuO4体系中A位平均半径对超导转变温度Tc的影响。随着Sr不断被Ca或Ba替代，体系Tc逐渐下降。在高压下La1.85Ca0.15CuO4的Tc对外加压力不敏感，这一现象不能被先前的模型所解释。我们认为铜原子的d轨道和氧原子的p轨道的pdσ杂化程度决定了Tc，而A位半径则决定pdσ杂化程度。A位平均离子半径小的样品由于晶格压力大而难以被压缩，所以Tc在外加压力下不升高。而A位平均离子半径大的样品易被压缩，所以在外加压力下Tc明显升高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章高温超导电性的研究进展

§1.1传统超导电性的发现和唯相理论的发展

§1.2铜氧化物高温超导材料的发现与发展

§1.3铜氧化物高温超导材料的研究

§1.3.1晶格结构

§1.3.2电子结构

§1.3.3相图

§1.3.4正常态输运性质

§1.3.5赝能隙

§1.3.6磁性质

§1.4铜氧化物高温超导体的一些超导理论

§1.5铁基超导材料的发现及研究进展

§1.5.1“1111”体系研究进展

§1.5.2“122”体系研究进展

§1.5.3“111”体系研究进展

§1.5.4“11”体系研究进展

§1.5.5铁集超导体总结及展望

§1.6本章小结

参考文献

第二章La214结构铜氧化物高温超导体的研究进展

§2.1 La2-xMxCuO4超导体的晶格结构

§2.2 La2-xMxCuO4体系的超导相图

§2.3 La2-xSrxCuO4体系的磁性质

§2.4 La2-xSrxCuO4体系过掺杂区的研究

§2.5 La214相中的条纹相

§2.5.1 1/8反常和条纹相的发现

§2.5.2条纹相与超导的关系

§2.6 La214相中的掺杂效应研究

§2.7本章小结

参考文献

第三章LSCMO和LSCRO体系中超导电性与磁性的共存和竞争

§3.1引言

§3.2样品制备及实验测量

§3.3实验结果及分析

§3.3.1样品结构分析

§3.3.2超导电性的重现

§3.3.3电阻性质

§3.3.4空穴的补偿效应

§3.3.5超导与磁性的共存和竞争

§3.3.6新相图

§3.4结论

参考文献

第四章 LSCZO和LSCNO体系中的不同空穴补偿效应

§4.1引言

§4.2样品制备及实验测量

§4.3实验结果与分析

§4.3.1样品结构分析

§4.3.2样品磁性分析

§4.3.3样品电性分析

§4.3.4补偿效应

§4.4本章总结

参考文献

第五章La214相超导体中A位离子半径的影响

§5.1引言

§5.2样品制备及实验测量

§5.3结果及讨论

§5.4本章小结

参考文献

在读期间发表的学术论文与获奖情况

致谢