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超导体BaBi_(1-x)Pb_xO_3的晶体结构和电学性质及层状钴类氧化物的输运和磁性质研究

黄胜利  
【摘要】: 本论文主要分两部分,第一部分为高温超导体BaBi_(1-x)Pb_xO_3的晶体结构和电输运行为,其次是Ln_(2-x)Sr_xCoO_4(Ln=Nd and Pr)的晶体结构和电磁性质。主要内容安排如下: 第一章概述了超导体的基本物理性质;然后介绍了高温超导体BaBi_(1-x)Pb_xO_3的结构特征和超导机制;重点介绍了层状钴类氧化物的晶体结构和电磁行为,包括Ruddlesden-Popper的结构特征,Jahn-Teller效应、钴离子在四方晶系的自旋态、以及电磁性质随CoO_2导电层数的变化规律。 第二章主要研究了BaBi_(1-x)Pb_xO_3(0.0≤x≤1.0)的输运性质和晶体结构的关系。通过室温X射线衍射(XRD)测量,我们发现BaBi_(1-x)Pb_xO_3的晶体结构随x的变化经历了单斜晶系、正交晶系、四方晶系、再到正交晶系的转变;晶胞参数在半导体区连续递减,而在超导区域振荡变化,这可能是晶胞中Bi(Pb)O_6呼吸模的作用。该模在超导区域是活性的,但在半导体区域被冻结。拉曼光谱实验表明超导温度与软A_(1g)模形变势的强弱和频移相关。样品的输运性质与晶体结构密切相关,其金属—半导体转变以及超导机制可用交叠能带解释。 第三章主要研究Nd_(2-x)Sr_xCoO_4(1.0≤x≤1.6)的晶体结构随掺杂浓度和温度的变化关系。室温XRD测量发现随Sr含量的增多晶胞参数和键长在1.00≤x≤1.50范围内连续变大,这与离子半径较大的Sr~(2+)离子(112pm)替代半径较小的Nd~(3+)离子(99.5pm)对应;但进入x=1.60时,晶胞参数和键长却缩小,这可能是高掺杂导致晶格的失配;拉曼和红外光谱中各振动膜的振动频率随掺杂量的变化关系与晶体键长的变化规律一致,说明振动膜随掺杂量的频移主要是离子间库仑力的变化引起。对Nd_(0.75)Sr_(1.25)CoO_4样品的变温XRD和拉曼光谱测量发现,材料在83K≤T≤373K的温度范围仍保持四方K_2NiF_4结构,晶胞参数、键长、以及振动膜的频移在居里温度T_C附近都发生变化,这预示该材料的结构与磁性密切相关。 第四章利用电阻率、热电势、磁阻、磁化率、磁滞回线和电子顺磁共振谱详细研究了Nd_(2-x)Sr_xCoO_4(x=1.25,1.33,1.60)的输运和磁性质。该材料在测量温区输运性质显示半导体行为,高温部分满足热激活模式,可用小极化子模型解释。随温度的降低样品经历了顺磁态到Griffiths相,再到铁磁态,最后到自旋玻璃态的转变;样品具有负磁阻效应;两种价态的钴离子,Co~(3+)和Co~(4+),在顺磁区都处于中自旋态;比较相同结构的其它稀土金属掺杂的钴氧化物的磁性质,我们认为Nd_(2-x)Sr_xCoO_4丰富的磁性质主要是由钕离子的掺杂引起,并且这些性质需要在一定的无序度或晶胞畸变范围内才会出现。 第五章研究了Nd_(0.75)Sr_(1.25)CoO_4薄膜的结构和输运性质。薄膜沿c方向生长在五种不同的晶体基片上,都具有很好的单向性,属于单晶膜。薄膜ab面的电阻率跟多晶样品一样表现半导体行为(dp/dT<0),没有异常现象;但热电势在Griffiths相温度点发生跃迁,说明它可以很好地用来研究体系的自旋特征。样品的输运性质在整个测量温区以二维变程跃迁为主,这可能是因为晶格的失配,体系的能带相对无序导致。 第六章研究了Pr_(2-x)Sr_xCoO_4(x=1.2,1.3,1.5)的输运和磁性质。样品也表现半导体行为,随掺杂量的增加从热激活模式过渡到二维变程跃迁模式。磁性上样品也存在着自旋玻璃态—铁磁相—Griffiths相—顺磁相的转变,并且随Sr的掺入铁磁相逐渐增强,而自旋玻璃态和Griffiths相逐渐减弱以致消失。对该材料自旋玻璃态和Griffiths相可能是同时出现或消亡,它的输运性质和磁性质可以用双磁相分离解释。


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