銅氧化物超導(dǎo)體的同步輻射研究.pdf

1、超導(dǎo)材料在無損耗輸電、強磁場以及微電子等方面極大的應(yīng)用潛力，使得超導(dǎo)方面的研究成為凝聚態(tài)物理方向重要的研究課題。銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)使超導(dǎo)材料的應(yīng)用跨入液氮溫區(qū)。人們對此類材料進一步深入的研究，一方面期望解決高溫超導(dǎo)機理仍然存在的問題，例如相分離、贗能隙等;另一方面期望發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)材料并在常溫下獲得應(yīng)用。
　　研究超導(dǎo)材料的最終目的是實現(xiàn)應(yīng)用。常規(guī)超導(dǎo)材料一般為二元或者三元金屬合金材料，屬于第一類超導(dǎo)體，應(yīng)用研究已基本成熟。銅

2、氧化物高溫超導(dǎo)材料屬于第二類超導(dǎo)體，材料內(nèi)部可能出現(xiàn)非超導(dǎo)疇，甚至絕緣疇，所以提高超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能，如抗磁性、臨界轉(zhuǎn)變溫度等顯得十分重要。
　　本論文主要針對以La1.85Sr0.15CuO4，YBa2Cu3O7δ等超導(dǎo)材料為載體的復(fù)合型摻雜體系進行討論，摻雜材料選擇具有龐磁電阻效應(yīng)的LaSr2Mn2O7、La0.5Sr0.5MnO3、磁性材料Fe3O4，拓撲絕緣體材料Bi2Te3等。我們從內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)和晶格結(jié)構(gòu)入手，通過復(fù)合摻雜

3、，利用同步輻射X射線吸收及相關(guān)實驗手段，研究摻雜材料對超導(dǎo)材料超導(dǎo)屬性的影響。例如:退火溫度對能帶結(jié)構(gòu)的影響、晶粒之間相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力變化與超導(dǎo)疇的關(guān)系、電荷在不同體系之間的轉(zhuǎn)移情況、晶體內(nèi)部局域結(jié)構(gòu)無序與超導(dǎo)的關(guān)系等，為高溫超導(dǎo)材料的進一步研究和應(yīng)用提供可靠的實驗數(shù)據(jù)和依據(jù)。本文的研究內(nèi)容主要有以下幾部分:
　　第一，為了研究復(fù)合體系中退火溫度對費米面附近電子結(jié)構(gòu)的影響，我們利用固相反應(yīng)法合成了(La1.85Sr0.15CuO

4、4)0.75(Nd1.85Ce0.15CuO4)0.25復(fù)合型材料，通過改變復(fù)合體系的退火溫度，利用同步輻射產(chǎn)生的X射線研究了費米面附近的能帶結(jié)構(gòu)情況。實驗表明:費米面以上的空帶結(jié)構(gòu)容易受到退火溫度的影響，而費米面以下的滿帶結(jié)構(gòu)不易受退火溫度的影響;當(dāng)復(fù)合體系的退火溫度遠低于兩母相的成相溫度時，兩體系發(fā)生互溶。為了進一步研究退火溫度與晶格局域微結(jié)構(gòu)(Cu-O鍵)以及能帶之間的關(guān)系，我們在超導(dǎo)體系中引入雙層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，利用固相反應(yīng)法合成了

5、復(fù)合型材料(La1.85Sr0.15CuO4)0.85(LaSr2Mn2O7)0.15。我們采用不同的溫度對樣品進行后期退火處理，在實驗所采用的退火溫度下，品格常數(shù)沒有發(fā)生變化。在低溫退火下，晶體局域微結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生扭曲;而在高溫退火下，局域微結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，同時費米面能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。實驗證明局域微結(jié)構(gòu)是影響超導(dǎo)的重要因素。
　　第二，為了研究超導(dǎo)性與磁性的關(guān)系，以及第二相摻雜材料對超導(dǎo)性能，如超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流等的影響，我們用

6、溶膠凝膠法合成了超導(dǎo)材料(YBa2Cu3O7-δ)0.98(Fe3O4)0.02。調(diào)制退火溫度，實驗發(fā)現(xiàn)在較低退火溫度下，納米顆粒Fe3O4的磁性強烈抑制了超導(dǎo)疇的產(chǎn)生;而隨著退火溫度的增加，納米顆粒Fe3O4磁性被抑制，同時樣品超導(dǎo)疇顯著增加。當(dāng)退火溫度為700C時，抗磁信號是純超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7-δ的三倍，且臨界電流密度在低磁場下也有顯著的增加。我們通過擴展X射線精細結(jié)構(gòu)吸收發(fā)現(xiàn)高溫?zé)Y(jié)下YBa2Cu3O7-δ的局域結(jié)構(gòu)無序

7、度明顯增加，同時，利用X射線近邊吸收譜發(fā)現(xiàn)Cu3d和O2p的雜化峰強度減弱，雜化峰的強度變化證實了局域結(jié)構(gòu)無序度的變化。X射線衍射譜表明退火溫度增加有利于四方相向正交相轉(zhuǎn)變。為了系統(tǒng)的研究Fe3O4與超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7-δ的關(guān)系，我們固定Fe3O4的摻雜量，精細地調(diào)制摻雜后的退火溫度，在多個退火溫度點進行對比研究，實驗發(fā)現(xiàn)在這種復(fù)合材料中，存在最佳退火溫度（抗磁信號強度最大）。實驗結(jié)果表明局域結(jié)構(gòu)無序度與抗磁信號存在相反的走勢，

8、并且樣品中出現(xiàn)的最佳退火溫度相對于局域無序度來說向高溫漂移。通過X射線近邊吸收，我們發(fā)現(xiàn)這種漂移可能源于Cu周圍空穴平均濃度的增加。
　　第三，為了研究新型材料如拓撲絕緣體與超導(dǎo)材料的關(guān)系，我們利用固相反應(yīng)法合成了復(fù)合型樣品(Bi2Te3)x(YBa2Cu3O7-δ)1-x，通過零場冷測試，發(fā)現(xiàn)拓撲絕緣體的引入使超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度有了一定的提高，抗磁性能也顯著增強。我們通過掃描電子顯微鏡觀察到摻雜的拓撲絕緣體Bi2Te3粘附于超導(dǎo)體晶粒

9、的表面，樣品的多孔性有一定改善。X射線衍射實驗表明摻雜的拓撲絕緣體使超導(dǎo)體產(chǎn)生了四方相到正交相的轉(zhuǎn)變，X射線精細結(jié)構(gòu)吸收證實這種轉(zhuǎn)變引起了材料體系內(nèi)無序度的增加。通過對樣品進行X射線近邊吸收的測試，我們發(fā)現(xiàn)吸收邊發(fā)生了移動，吸收邊的位置變化與載流子的濃度變化有關(guān)。
　　第四，我們利用X射線吸收譜分析了復(fù)合體系(La1.85Sr0.15CuO4)1-x(La0.5Sr0.5MnO3)x中電荷轉(zhuǎn)移的情況，實驗發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料La1.85S