电子型超导体NdCeCuO和三角格子NaCoO体系的输运性质研究

摘要

1986年铜氧化合物高温超导体被发现后，人们发现这类材料中电子的相互作用属于强关联的范畴，其超导机制不能被传统理论所描述，因此激发了人们极大的兴趣和研究热情。由于到现在也始终没有找到能够完全解释其物理机制的理论，因而对高温超导电性的研究始终是凝聚态物理学的主要课题之一。2003年初发现的NaxCoO2·yH2O超导材料，尽管超导转变温度较低，但因为它具有三角晶格和复杂的相图，具有重大研究价值，因此也很快成为了凝聚态物理学界研究的热点之一。 在本论文中，我们对电子型掺杂铜氧化物Nd2-xCexCuO4-δ单晶和三角格子层状钴氧化物NaxCoO2单晶的磁性和输运性质进行了一系列实验上的研究和探索。相关研究结果已在Phys.Rev.B，Supercond.Sci.Technol.，J.Phys.Cond.Matt.以及SolidStateCommunications上发表。 本论文共分为以下七章： 1.铜氧化物以及三角格子层状氧化物NaxCoO2的研究进展 第一章简述了上面提到的两种超导材料的结构和相图。同时也讨论了和本论文研究工作密切相关的输运现象的物理机制。还综述了铜氧化合物高温超导体的反常行为和这方面的实验及理论研究进展。而对NaxCoO2·yH2O材料，我们主要简述了最近涉及具有非常规超导电性的实验报道和其母体化合物物性研究方面的最新实验和理论结果。 2.Ce掺杂及氧含量对Nd2-xCexCuO4-δ单晶的赝能隙行为的影响 本章中研究了不同氧含量下欠掺杂区域的Nd2-xCexCuO4-δ单晶的输运行为。在特定温度T*(赝能隙打开温度)下，面内电阻率ρab开始明显下降，在几乎同一温度点c方向的电阻率ρc显示出更明显的下降，这与空穴型的铜氧化物不同。在T*附近，ρab和ρc的曲率都发生符号改变。氧含量的减少引起x～0.14的样品的曲率从负的变成正的。T*随着掺杂的增加以及氧含量的减少而降低，而电阻率各向异性比值则随着掺杂的增加以及氧含量的减少而增加，这与空穴型有很大的不同。在电子型铜氧化物中，赝能隙只能在欠掺杂区域观察到；氧含量仅能改变赝能隙打开的温度。 3.Nd2-xCexCuO4-δ单晶中霍尔系数和热电势随掺杂浓度变化行为的研究 本章研究了欠掺杂到过掺杂范围内Nd2-xCexCuO4-δ单晶的霍尔系数RH以及热电势TEP的行为。RH和TEP随着掺杂的增加数值都减少，并且发生符号的改变。比较奇特的现象是在欠掺杂区域温度依赖的霍尔角的余切遵循T4的关系，而在过掺杂区域则遵循T2的关系。这些奇特的性质与角分辨光电子谱中观察到的Nd2-xCexCuO4-δ中费米面随掺杂的演化有密切的关系。 4.反铁磁Nd2-xCexCuO4-δ单晶中热滞及磁阻的各向异性行为研究 在本章中我们研究了具有三种类型的非共线(noncollinear)反铁磁自旋结构的Nd2-xCexCuO4-δ单晶的面外电阻率ρc(T)和面外磁电阻(MR)。在自旋结构转变发生的温度，零场和14T的磁场下测得的ρc(T)都观察到明显的特征，从而给出了巡游电子与局域自旋耦合的直接证据。另一个显著的特征是在每个不同的磁结构相中，当外加磁场在CuO面内旋转时测量得到的c方向各向异性磁阻(MR)具有四度对称，而在磁结构转变温度点处MR则显示两度对称。并且在自旋结构转变的温度也观察到ρc(T，B)的热滞行为和磁阻的磁滞行为。 5.NaxCoO2(x=0.3-0.7)单晶中维度转变行为和异常的磁阻行为研究 这一章中我们研究了NaxCoO2(x=0.7，0.5，0.3)单晶的面内电阻率ρab(T)和c方向电阻率ρc(T)，还测量了这两个方向的磁电阻。我们同时也研究了超导单晶样品Na0.3CoO2·1.3H2的电阻率。结果显示随着Na含量从0.7减少到0.3，体系维度从2维变成3维。比较奇特的是当水进入体系引入超导电性后体系显示二维行为。表明这个体系与铜氧化物相似，二维输运特征在超导电性中起到非常重要的作用。当磁场在电流与c轴形成的面内转动时，对Na0.5CoO2的样品来说，随磁场与电流的夹角而变化的各向异性磁阻在2K时为d波类型的对称，能用文献报道的Na0.5CoO2中的自旋结构很好的解释。 6.电荷有序的Na0.55CoO2单晶中面内铁磁行为研究 本章中我们研究了Na0.55CoO2单晶的磁性质以及输运性质。此样品与Na0.5CoO2一样，在50K以下电阻率呈发散行为。当磁场躺在CoO面内时，磁化率曲线在20K以下观察到长程的铁磁有序行为，而当磁场垂直于CoO面时则几乎没有这种铁磁行为。这就给出了20K以下存在面内铁磁有序的直接证据。而低温下在6T的磁场下观察到的很大的磁阻(△ρ/ρ～30％)表明这个三角晶格体系中存在很强的自旋-电荷耦合效应。 7.电荷补偿的Na0.34(H3O)0.15CoO2单晶的各向异性磁阻行为研究 在本章中，具有金属行为Na0.41CoO2的单晶浸入蒸馏水中反应后产物观察到了电荷有序的绝缘体行为。此样品被证实为Na0.34(H3O)0.15CoO2。此时Co的氧化态为+3.5，与电荷有序的Na0.5CoO2的样品一样，而从Na含量直接推导得出的结果为+3.59，这一结果意味着Co的价态为+3.5是电荷有序行为发生的必要条件。这种电荷补偿行为被认为是和超导样品一样，是由于水合氢离子的引入而引起的。同时我们测量了这种样品的随磁场角度变化的面内磁阻行为(AMR)。结果表明当外加磁场H在Co-O面内旋转时，高温下磁阻为两度对称，而在特定温度Tρ以下，AMR为六度对称。当磁场在电流与c轴形成的面内旋转时，磁阻由Tρ以上的两度对称变为Tρ以下的四度对称。磁阻随磁场与电流之间的角度而变化的这种行为来源于自旋结构的变化，这些结果进一步给出巡游电子与局域自旋耦合的直接证据。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一部分综述篇

第二部分Nd2-xCexCuO4篇

第三部分NaxCoO2篇

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