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高温超导体结构和超导电性以及掺杂锰氧化物Sr_(1-x)Ce_xMnO_3磁电性质的研究

吴会燕  
【摘要】: 高温超导电性的研究无论是在基础科学领域还是在潜在的应用前景方面都具有重大的意义,因此一直是凝聚态物理研究的热点之一。铜氧化物高温超导体包含了丰富而奇异的物理现象,诸如赝能隙、电荷有序等。对这些物理现象的认识和理解,将会对强关联电子体系的研究有重要的推动作用.迄今为止发现的所有系列的铜氧化物高温超导体均属于掺杂超导体,它们都是在具有长程反铁磁绝缘母体基础上,通过部分化学掺杂或改变氧含量引入空穴型或电子型载流子到CuO_2面上而得到的.因此,研究掺杂或元素替代对铜氧化物体系的结构和超导电性的影响具有重要的意义。 锰氧化物作为一种典型的强关联电子体系表现出许多吸引人的物理现象,特别由于该体系所表现出的庞磁电阻CMR效应在提高磁存储密度以及磁敏感探测元件上具有十分广阔的应用前景,因而受到人们的广泛关注.由于电子型掺杂的锰氧化物和空穴掺杂的锰氧化物结合在一起,可能在自旋电子学方面存在重要的应用,因此,近年来电子型掺杂的锰氧化物研究也引起了人们的高度重视.此外,对电子型掺杂锰氧化物的研究还有助于丰富CMR材料的物理内容,从而为进一步理解CMR机制奠定基础。因此,有必要对电子型掺杂锰氧化物的性质进行进一步研究。 本论文主要分为两部分:首先研究了掺杂对高温超导体Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_z(Bi-2223)和La_3CaBa_3Cu_7O_y(La-3137)体系的结构和超导电性的影响;然后研究了电子型掺杂锰氧化物Sr_(1-x)Ce_xMnO_3的结构、磁性和电输运性质。本论文共分五章,每章的主要内容概括如下: 第一章首先概述了超导体的基本物理性质和研究进展,介绍了高温超导体Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_z(Bi-2223)和La_3CaBa_3Cu_7O_y(La-3137)体系的结构特征和超导机制等:然后介绍了磁电阻效应的研究进展和钙钛矿结构锰氧化物的相关物性。 第二章主要研究了等量的K~+和Nd~(3+)分别替代Sr~(2)和Ca~(2+)的Bi_(1.8)Pb_(0.4)Sr_(2-x)K_xCa_(2-y)Nd_yCu_3O_z(x=0,0.01,0.02,y=0,0.01,0.02)单掺效应以及双掺效应。通过X射线衍射(XRD)技术、扫描电子显微镜(SEM)、电阻率、磁性和拉曼光谱测量对样品的结构和物性做了表征.室温XRD测量表明所有掺杂的样品都是Bi-2223相,用Rietveld技术拟合得到所有样品是四方结构的,空间群是14/mmm。随着掺杂的不同,样品的超导转变温度T_c~(ovset)从99 K变化到110K。与不掺杂的样品相比,单掺K的样品其超导电性和临界电流密度都有了明显改善,这主要由于单掺K的样品晶界的改善. 第三章主要研究Sr掺杂的La_3Ca_(1-x)Sr_xBa_3Cu_7O_y(0≤X≤1.0)体系的结构和超导电性。通过X射线衍射技术、电阻率、磁性、扫描电子显微镜和拉曼光谱的测量对样品的结构和物性做了表征。XRD结果表明,Sr可以完全替代Ca而不引入任何杂相。电阻率和磁性测量结果表明样品的超导转变温度T_e和临界电流密度J_c都随着sr含量的增加而减小。通过对实验结果的分析,我们认为Sr~(2+)和Ca~(2+)离子半径的差异使得sr掺杂的样品引入了氧空位和无序,这是样品结构改变和超导电性被压制的主要原因。 第四章主要研究了Sr_(1-x)Ce_xMnO_3(0.05≤x≤0.30)体系的结构、磁和电输运性质。XRD结果表明,部分Ce替代Sr能够稳定SrMnO_3的钙钛矿结构。磁性和电输运测量结果表明该体系出现了本征的非均匀性(反铁磁绝缘相与铁磁金属相共存的状态),即相分离行为.这种相分离是由于Ce掺杂引入的A位无序效应导致的。部分的Ce代替Sr会导致A位离子无序分布,这种无序导致了在原临界点附近相互竞争的有序态之间的涨落. 第五章对全文进行了总结和展望。


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