電子型超導(dǎo)體Nd-,2-x-Ce-,x-CuO-,4-和三角格子Na-,x-CoO-,2-體系的輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、1986年銅氧化合物高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)后，人們發(fā)現(xiàn)這類(lèi)材料中電子的相互作用屬于強(qiáng)關(guān)聯(lián)的范疇，其超導(dǎo)機(jī)制不能被傳統(tǒng)理論所描述，因此激發(fā)了人們極大的興趣和研究熱情。由于到現(xiàn)在也始終沒(méi)有找到能夠完全解釋其物理機(jī)制的理論，因而對(duì)高溫超導(dǎo)電性的研究始終是凝聚態(tài)物理學(xué)的主要課題之一。2003年初發(fā)現(xiàn)的NaxCoO2·yH2O超導(dǎo)材料，盡管超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，但因?yàn)樗哂腥蔷Ц窈蛷?fù)雜的相圖，具有重大研究?jī)r(jià)值，因此也很快成為了凝聚態(tài)物理學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一

2、。 在本論文中，我們對(duì)電子型摻雜銅氧化物Nd2-xCexCuO4-δ單晶和三角格子層狀鈷氧化物NaxCoO2單晶的磁性和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)上的研究和探索。相關(guān)研究結(jié)果已在Phys.Rev.B，Supercond.Sci.Technol.，J.Phys.Cond.Matt.以及SolidStateCommunications上發(fā)表。 本論文共分為以下七章： 1.銅氧化物以及三角格子層狀氧化物NaxCoO2的研

3、究進(jìn)展 第一章簡(jiǎn)述了上面提到的兩種超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)和相圖。同時(shí)也討論了和本論文研究工作密切相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象的物理機(jī)制。還綜述了銅氧化合物高溫超導(dǎo)體的反常行為和這方面的實(shí)驗(yàn)及理論研究進(jìn)展。而對(duì)NaxCoO2·yH2O材料，我們主要簡(jiǎn)述了最近涉及具有非常規(guī)超導(dǎo)電性的實(shí)驗(yàn)報(bào)道和其母體化合物物性研究方面的最新實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果。 2.Ce摻雜及氧含量對(duì)Nd2-xCexCuO4-δ單晶的贗能隙行為的影響 本章中研究了不同氧含量下欠

4、摻雜區(qū)域的Nd2-xCexCuO4-δ單晶的輸運(yùn)行為。在特定溫度T*(贗能隙打開(kāi)溫度)下，面內(nèi)電阻率ρa(bǔ)b開(kāi)始明顯下降，在幾乎同一溫度點(diǎn)c方向的電阻率ρc顯示出更明顯的下降，這與空穴型的銅氧化物不同。在T*附近，ρa(bǔ)b和ρc的曲率都發(fā)生符號(hào)改變。氧含量的減少引起x～0.14的樣品的曲率從負(fù)的變成正的。T*隨著摻雜的增加以及氧含量的減少而降低，而電阻率各向異性比值則隨著摻雜的增加以及氧含量的減少而增加，這與空穴型有很大的不同。在電子型銅氧

5、化物中，贗能隙只能在欠摻雜區(qū)域觀(guān)察到；氧含量?jī)H能改變贗能隙打開(kāi)的溫度。 3.Nd2-xCexCuO4-δ單晶中霍爾系數(shù)和熱電勢(shì)隨摻雜濃度變化行為的研究 本章研究了欠摻雜到過(guò)摻雜范圍內(nèi)Nd2-xCexCuO4-δ單晶的霍爾系數(shù)RH以及熱電勢(shì)TEP的行為。RH和TEP隨著摻雜的增加數(shù)值都減少，并且發(fā)生符號(hào)的改變。比較奇特的現(xiàn)象是在欠摻雜區(qū)域溫度依賴(lài)的霍爾角的余切遵循T4的關(guān)系，而在過(guò)摻雜區(qū)域則遵循T2的關(guān)系。這些奇特的性質(zhì)與

6、角分辨光電子譜中觀(guān)察到的Nd2-xCexCuO4-δ中費(fèi)米面隨摻雜的演化有密切的關(guān)系。 4.反鐵磁Nd2-xCexCuO4-δ單晶中熱滯及磁阻的各向異性行為研究 在本章中我們研究了具有三種類(lèi)型的非共線(xiàn)(noncollinear)反鐵磁自旋結(jié)構(gòu)的Nd2-xCexCuO4-δ單晶的面外電阻率ρc(T)和面外磁電阻(MR)。在自旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變發(fā)生的溫度，零場(chǎng)和14T的磁場(chǎng)下測(cè)得的ρc(T)都觀(guān)察到明顯的特征，從而給出了巡游電子與局

7、域自旋耦合的直接證據(jù)。另一個(gè)顯著的特征是在每個(gè)不同的磁結(jié)構(gòu)相中，當(dāng)外加磁場(chǎng)在CuO面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量得到的c方向各向異性磁阻(MR)具有四度對(duì)稱(chēng)，而在磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)處MR則顯示兩度對(duì)稱(chēng)。并且在自旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的溫度也觀(guān)察到ρc(T，B)的熱滯行為和磁阻的磁滯行為。 5.NaxCoO2(x=0.3-0.7)單晶中維度轉(zhuǎn)變行為和異常的磁阻行為研究 這一章中我們研究了NaxCoO2(x=0.7，0.5，0.3)單晶的面內(nèi)電阻率ρa(bǔ)b

8、(T)和c方向電阻率ρc(T)，還測(cè)量了這兩個(gè)方向的磁電阻。我們同時(shí)也研究了超導(dǎo)單晶樣品Na0.3CoO2·1.3H2的電阻率。結(jié)果顯示隨著Na含量從0.7減少到0.3，體系維度從2維變成3維。比較奇特的是當(dāng)水進(jìn)入體系引入超導(dǎo)電性后體系顯示二維行為。表明這個(gè)體系與銅氧化物相似，二維輸運(yùn)特征在超導(dǎo)電性中起到非常重要的作用。當(dāng)磁場(chǎng)在電流與c軸形成的面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)Na0.5CoO2的樣品來(lái)說(shuō)，隨磁場(chǎng)與電流的夾角而變化的各向異性磁阻在2K時(shí)為d

9、波類(lèi)型的對(duì)稱(chēng)，能用文獻(xiàn)報(bào)道的Na0.5CoO2中的自旋結(jié)構(gòu)很好的解釋。 6.電荷有序的Na0.55CoO2單晶中面內(nèi)鐵磁行為研究 本章中我們研究了Na0.55CoO2單晶的磁性質(zhì)以及輸運(yùn)性質(zhì)。此樣品與Na0.5CoO2一樣，在50K以下電阻率呈發(fā)散行為。當(dāng)磁場(chǎng)躺在CoO面內(nèi)時(shí)，磁化率曲線(xiàn)在20K以下觀(guān)察到長(zhǎng)程的鐵磁有序行為，而當(dāng)磁場(chǎng)垂直于CoO面時(shí)則幾乎沒(méi)有這種鐵磁行為。這就給出了20K以下存在面內(nèi)鐵磁有序的直接證據(jù)。而

10、低溫下在6T的磁場(chǎng)下觀(guān)察到的很大的磁阻(△ρ/ρ～30％)表明這個(gè)三角晶格體系中存在很強(qiáng)的自旋-電荷耦合效應(yīng)。 7.電荷補(bǔ)償?shù)腘a0.34(H3O)0.15CoO2單晶的各向異性磁阻行為研究 在本章中，具有金屬行為Na0.41CoO2的單晶浸入蒸餾水中反應(yīng)后產(chǎn)物觀(guān)察到了電荷有序的絕緣體行為。此樣品被證實(shí)為Na0.34(H3O)0.15CoO2。此時(shí)Co的氧化態(tài)為+3.5，與電荷有序的Na0.5CoO2的樣品一樣，而從Na

11、含量直接推導(dǎo)得出的結(jié)果為+3.59，這一結(jié)果意味著Co的價(jià)態(tài)為+3.5是電荷有序行為發(fā)生的必要條件。這種電荷補(bǔ)償行為被認(rèn)為是和超導(dǎo)樣品一樣，是由于水合氫離子的引入而引起的。同時(shí)我們測(cè)量了這種樣品的隨磁場(chǎng)角度變化的面內(nèi)磁阻行為(AMR)。結(jié)果表明當(dāng)外加磁場(chǎng)H在Co-O面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，高溫下磁阻為兩度對(duì)稱(chēng)，而在特定溫度Tρ以下，AMR為六度對(duì)稱(chēng)。當(dāng)磁場(chǎng)在電流與c軸形成的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁阻由Tρ以上的兩度對(duì)稱(chēng)變?yōu)門(mén)ρ以下的四度對(duì)稱(chēng)。磁阻隨磁場(chǎng)與電流