銅基超導(dǎo)氧化物中不同類型載流子的摻雜效應(yīng)研究.pdf

1、電子型和空穴型銅基氧化物超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制能否用同一物琿圖像來解釋一直是高溫超導(dǎo)研究中具有重要意義的課題。對于空穴型超導(dǎo)體La2-xSrxCuO4+δ(LSCO)和電子型超導(dǎo)體Nd2-xCexCuO44㈩CCO)來說，無論是超導(dǎo)相存在的摻雜范圍，還是超導(dǎo)相圖的有關(guān)細(xì)節(jié)，以及超導(dǎo)臨界溫度，兀的最高值，兀max等，都有一定的差別。然而，由于電子型和空穴型超導(dǎo)體分別是在不同母體材料中進(jìn)行摻雜，因此不能判斷上述性質(zhì)的不同是屬于母體材料的差別，還是

2、他們具有的內(nèi)稟特性。這一現(xiàn)狀不利于深化對電子型和空穴型超導(dǎo)體的機(jī)理研究。為此，有必要尋找一個體系，使其通過摻雜既可以引入空穴，也可以引入電子。本文研究的第一個方面，就是尋找這樣一個體系。我們的研究發(fā)現(xiàn)，La1-x/2Pr1-x/2MxCuO4(M=Ce或Sr)體系具有所需求的特征，即該體系既可以引入空穴(M=Sr)，也可以引入電子(M=Ce)，從而弱化或排除了不同母體差異、突出空穴型和電子型載流子對超導(dǎo)電性影響的差異。本論文關(guān)注的第二點(diǎn)

3、是，對不同類型(指電子型和空穴型兩種)高溫超導(dǎo)體的CuO2面摻雜所表現(xiàn)出來的不同特征。我們知道，高溫超導(dǎo)體的CuO2面對超導(dǎo)電性起關(guān)鍵作用，對CuO2面的特性進(jìn)行研究是琿解超導(dǎo)電性和高溫超導(dǎo)體正常態(tài)反常性質(zhì)的關(guān)鍵，而對Cu位進(jìn)行部分替代是研究CuO2面行之有效的手段。在空穴型高溫超導(dǎo)體中，人們發(fā)現(xiàn)，無論是磁性離子還是非磁性離子，對Cu位的替代都會有效地抑制超導(dǎo)電性，并且這種抑制具有相似的特征。然而，最近發(fā)現(xiàn)，對于電子型超導(dǎo)體和空穴型超導(dǎo)

4、體的Cu位替代，磁性離子和非磁性離子對超導(dǎo)的抑制不盡相同。為了進(jìn)一步探索這一現(xiàn)象的相關(guān)機(jī)理，并鑒于Mn的特殊的磁性質(zhì)，我們用Mn分別對電子型超導(dǎo)體Nd2-xCexCuO4-δ和空穴型超導(dǎo)體La1-x/2Pr1-x庀SrxCuO4的Cu位進(jìn)行替代效應(yīng)的研究，包括Mn的Cu位替代導(dǎo)致的超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的變化、以及對正常態(tài)的磁性質(zhì)和超導(dǎo)電性的影響。盡管銅氧化物高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度取決于CuO2面上的載流子濃度，但引入載流子的摻雜方式有多種：

5、包括在稀上位進(jìn)行摻雜，或通過改變氧含量進(jìn)行載流子濃度的調(diào)控。在電子型的高溫超導(dǎo)體RE2-xCexCuO4-δ(RE=La，Pr，Nd，Sm，Eu)中，適度調(diào)整氧含量是獲得超導(dǎo)相的重要手段。本文中，我們通過開發(fā)新的合成手段達(dá)到了有效地控制系統(tǒng)氧含量的目的，并且通過比較發(fā)現(xiàn)，在RE2月exCuO4-δ中，不同方法引入載流子對于系統(tǒng)的超導(dǎo)特性有一定的影響，并對其機(jī)琿進(jìn)行了分析。關(guān)于上述的研究內(nèi)容中，我們具體研究的體系包括：PrLa1-xSrx

6、CuO4、Pr1-xLaCexCuO4、La1-x/2Pr1-x/2SrxCuO4、La1-x/2Pr1-x/2CexCuO4、Nd1.85Ce0.15Cu1-xMnxO再、La0.925Pr0925Sr0.15Cu1-xMnxO4、Pr1.85Ce0.15CuO4-x、Pr2CuO4-x、以及Pr1.85Ce0.15Cu1-xFexO3加在結(jié)構(gòu)層次上，本論文包括五個章節(jié)。
　　 在第一章中，我們簡述了高溫超導(dǎo)銅基氧化物的結(jié)構(gòu)和

7、相圖以及高溫超導(dǎo)體在正常態(tài)的反常行為，包括相關(guān)的實驗結(jié)果和理論研究進(jìn)展。
　　 在第二章中，我們分別研究了摻雜Sr和Ce的PrLaCuO4系列氧化物。我們發(fā)現(xiàn)，Sr的摻雜形成了典型的空穴型摻雜的T-214結(jié)構(gòu)，而Ce的引入形成了典型的電子型摻雜的T-214結(jié)構(gòu)。對空穴摻雜的PrLa1-xSrxCuO4而言，當(dāng)摻雜量位于0.08≤x≤0.30范圍時，體系具有超導(dǎo)電性，并在x=0.15時其達(dá)到最高值Tcmax=26K；對電子摻雜的P

8、r1-xLaCexCuO4而言,當(dāng)0.08≤x≤0.15時，具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變Tcmax=24K出現(xiàn)在x=0.12處。我們還發(fā)現(xiàn)，Sr的引入對體系的磁矩影響不大，而Ce的摻入使樣品在35K附近出現(xiàn)了反鐵磁轉(zhuǎn)變。
　　 在第三章中，我們分別研究了Sr和Ce摻雜的La1-x/2Pr1-x/2MxCuO4系列氧化物。我們發(fā)現(xiàn)，Sr的摻雜形成了典型的空穴型摻雜的T-214結(jié)構(gòu)，而Ce的引入形成了典型的電子型摻雜的T214結(jié)構(gòu)。對空穴摻雜的La

9、1-x/2Pr1-x/2SrxCuO4而言，當(dāng)摻雜量位于0.05≤x≤0.30區(qū)間時，體系具有超導(dǎo)電性，并在x=0.18時其達(dá)到最高值Tcmax=26.2K；對電子摻雜的La1-x/2Pr1-x/2CexCuO4而言，當(dāng)0.08≤x≤0.15時，具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，Tcmax=24K出現(xiàn)在x=0.12處。我們還發(fā)現(xiàn)，Sr的引入對體系的磁矩影響不大，而Ce的摻入使樣品在40K附近出現(xiàn)了反鐵磁轉(zhuǎn)變。
　　 在第四章中，我們研究了Mn摻雜對

10、于電子型超導(dǎo)體Nd1.85Ce0.15CuO4和空穴型超導(dǎo)體La0.925Pr0.925Sr0.15Cu1-xMnxO4的磁性、超導(dǎo)電性和正常態(tài)性質(zhì)的影響。對于電子型超導(dǎo)體Nd1.85Ce0.15Cu1-xMnxO4而言，超導(dǎo)的組分范圍為x≤0.07，且超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc隨著摻雜的增大，變化不大，并發(fā)現(xiàn)存在鐵磁相變。而空穴型超導(dǎo)體La0.925Pr0.925Sr0.15Cu1-xMnxO4，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc隨著摻雜下降的很快，并且在高摻雜

11、區(qū)域(x≥0.15)，具有鐵磁和反鐵磁相變。鐵磁相變和反鐵磁相變分別來源于不同價態(tài)Mn的超交換和雙交換相互作用。
　　 在第五章中，通過改進(jìn)制備工藝，可以定量的研究氧含量和超導(dǎo)電性關(guān)系，XRD結(jié)果表明：制備的樣品具有單相結(jié)構(gòu)，雜相比較少，在Pr1.85Ce0.15CuO4-x中，0.05≥x≤0.20時具有超導(dǎo)電性，最高起始轉(zhuǎn)變溫度為24.5K,比用退火的方法Tc要高。并討論了Pr2CuO4-x體系氧含量對磁性、電阻的影響。Pr