电子型高温超导体NdCeCuO单晶及有机导体(TMTSF)ClO热电性质的研究

摘要

过渡金属化合物是凝聚态物理中的研究热点之一，它包含了丰富而奇异的物理性质，如铜氧化物的高温超导电性，钴氧化物的高效热电效率等等。这些奇异的性质激发了人们极大的兴趣和研究热情。到现在为止，还没有成熟的理论能够解释这些奇异的性质，因而对过渡金属化合物的研究一直受到广泛的关注。 在本论文中，我们对电子型高温超导体Nd2-xCexCuO4单晶和有机超导体(TMTSF)2ClO4及Nd0.75Sr1.25CoO4薄膜热电性质(电阻率，热电势，热导率，比热)进行了一系列的研究和探索。部分研究结果已在Phys． Rev．B，J．Phys．： Condens。Matter等杂志上发表，还有部分成果正在整理发表中。 第一章我们简述了高温超导体的晶体结构及超导相图，并综述了铜氧化物高温超导体的反常行为和这方面的实验和理论研究进展。同时我们也简单介绍了电阻率，热电势和热导率的理论研究进展，讨论了产生这些输运现象的物理机制，为后续的研究打下基础。而且还简要介绍了热电效率在实际中的应用。 第二章我们通过对高质量单晶NCCO(x=0.14，0.15)样品的电阻率、热电势及热导的研究，发现x=0.14样品的热电势在42 K以上均为负值，且在42K发生符号的转变，而x=0.15样品热电势在整个温区都呈现正值，但是其高温区的斜率却呈现负值，我们用带权重的双载流子模型却能很好的解释其行为，表明电子型超导体中确实存在着两种载流子共同起作用，接着我们为了进一步证实双载流子模型的可行性，对两种样品的电阻率进行了分析，发现双载流子也能很好的解释其电阻率行为，从而为双载流子模型在解释电子型超导体的成功提供了强有力的证据。同时，本文还分析了Ce含量的增加对样品热导的性质的影响，结果发现随着Ce的增加，高温区载流子部分的热导有了明显的增加，但同时增加了低温下的声子散射。 第三章主要研究了NCCO(x=0.14)样品在不同退火条件下ab面的电阻率和热电势。发现体系的电阻率和热电势都可以用双能带模型来解释，即一个宽的电子带和一个窄的空穴带。经过N2退火处理并在达到最佳退火条件之前空穴部分显著增加，然而在达到最佳退火之后电阻率和热电势都达到饱和，说明此时空穴部分和电子部分都不随退火时间的变化而改变。这种现象意味着在电子型高温超导体中当样品达到最佳退火条件之前，去氧退火效应与Ce掺杂有类似的效应。而且由我们的实验数据处理结果可以看出，电子型高温超导体中超导电性可能主要来自于空穴部分。 第四章主要阐述了在不同掺杂浓度下的Nd1.85-xMxCe0.15CuO4±δ(M=Gd和Sm)单晶样品的热电势、霍尔效应和电阻率的实验结果，发现在120 K以上，所有的热电势数据都可以用一个含有三个参数的半经验的公式来很好的解释。对于掺Gd和Sm的两个体系，电子态密度WD随掺杂浓度的依赖关系和有效电导的能带宽断wσ均随着掺杂浓度的增加而增大，而窄带的电子填充率F(x)却是降低的。对于Gd掺杂的体系，衡量局域化强度的参量wσ/wD是减小的，而对于掺Sm体系，却几乎是个常数，再加上Gd掺杂样品电阻率的快速增大，这些现象表明Gd掺杂体系中局域化主要来自于电子的无序。对Sm掺杂体系，实验结果表明体系中存在着由于离子半径差别而导致的弱的无序效应。而且对于Gd掺杂，体系的超导转变温度Tc被强烈的压制，而掺Sm的Tc基本保持不变，表明超导电性可能与载流子局域化和巡游电子的能带结构有关。 第五章我们主要研究采用不同的降温速率通过阴离子有序-无序相变温区的情况下，研究(TMTSF)2ClO4样品的热电势、比热会有什么样的变化。我们发现在低温区体系的热电势和比热数据都可以用窄能带模型很好的给予解释。同时也第一次观察到了低温下体系维度的渡越及阴离子熔解温度的起始点是随着降温速率的变化而改变的问题。通过对数据的分析讨论本章给出了很好的解释，这也解答了许多目前物理学术上存在争议的问题。 第六章为了研究钴氧化合物的输运机制，我们分别在LAO和LSAO不同称底上制备了Nd0.75Sr1.25CoO4单晶薄膜，并测量了样品的电阻率和热电势，结果发现两个样品的热电势数据在整个测量温区都显示为正值，表明体系主要是空穴型载流子起作用。而且我们在电阻率微分曲线和热电势数据中同时观察到在218 K处存在一个反常的峰值，我们说这是由于体系在此温度附近经历了从顺磁到铁磁的磁相变。最后经过对电阻率、热电势数据的处理、拟合，发现从热电势数据拟合所得到的激活能比从电阻率中得到的激活能要小的多，证明两个样品中都存在小激化子输运机制。而且，激活能Ep在中间温区比在低温区要大，而激活能Es在这两个温区都保持不变，表明体系中在中间温区激化子产生所需要的能量比在低温区要大，从而得出激化子在低温区的半径要比中间温区的大的结论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 高温超导体及其物理性质综述

§1.1 引言

§1.2 铜氧化合物晶体结构及相图

§1.2.1 铜氧化合物超导体的晶体结构

§1.2.2铜氧化合物超导体的相图

§1.3 输运性质及高温超导体反常特性

§1.3.1 电阻率

§1.3.2热电势

§1.3.3热导率

§1.3.4电子型和空穴型高温超导体费米面演化的比较

§1.4 铜氧化合物超导体元素替代效应

§1.4.1 铜氧面以外的元素进行替代

§1.4.2替代铜氧面内的Cu

§1.5 铜氧化合物超导体理论进展

§1.6 总结

参考文献

第二章 不同Ce含量Nd2-xCexCuO4(x=0.14,0.15)单晶输运性质的研究

§2.1 引言

§2.2 实验细节

§2.3 样品品质坚定

§2.4 结果与讨论

§2.4.1 热电势实验结果及讨论

§2.4.2 电阻率实验结果及讨论

§2.4.3 热导率实验结果及讨论

§2.5 本章小结

参考文献

第三章不同时间退火条件下Nd1.86Ce0.14CuO4+δ输运性质的研究

§3.1 引言

§3.2 实验细节

§3.3 实验结果与谈论

§3.3.1 ab电阻率的结果与讨论

§3.3.2 ab热电势的结果与讨论

§3.4 本章小结

参考文献

第四章CuO2外引入无序对电子型超导体Nd2-xCexCuO4输运性质的影响

§4.1 引言

§4.2 实验细节

§4.3 实验结果及讨论

§4.3.1 热电势数据的分析与讨论

§4.3.2 电阻率数据的分析与讨论

§4.4 本章小结

参考文献

第五章 准一维有机导体(TMTSF)2ClO4热电势及比热性质的研究

§5.1 准一维有机导体的简介

§5.1.1(TFTCF)2X盐的晶体结构和电子结构

§5.1.2(TFTCF)2X的相图

§5.2 实验细节

§5.3 实验结果及讨论

§5.3.1热电势数据的结果及讨论

§5.3.2比热数据的结果及讨论

§5.4 本章小结

参考文献

第六章层状Nd0.75Sr1.25CoO4薄膜样品的输运性质

§6.1 钴氧化合物体系简介

§6.2 实验的细节

§6.3 实验的结果及讨论

§6.4 本章小结

参考文献

硕博连读期间发表文章

致谢