论文部分内容阅读
元素替代作为一种行之有效的方法在铜氧化物高温超导电性的机理研究中发挥着重要作用。利用不同价态的离子进行替代更有意义，这样可以改变体系中的载流子浓度进而对载流子库层和导电层之间的电荷转移产生影响；同时引起氧含量、晶体结构以及输运特性等发生明显的变化。尽管在该领域已经在理论和实验方面做了大量的工作，但是其机理仍没有被完全理解。为了进一步理解异价元素替代对相结构和电荷转移的影响以及它们与超导电性之间的关联，本文利用正电子湮没技术，X射线衍射和相关物性实验手段对氧掺杂体系Y0.8Ca0.2Ba2Cu3Oy(y=6.84-6.32)，不同氧含量的YBa2Cu3-xFexOy(x=0，0.1，0.2)和Ba位稀土掺杂的YBa2-rNdxCu3Oy(x=0-0.4)体系高温超导体的局域电子结构、正交—四方相变以及输运特性进行了系统的研究。主要工作如下：1)Y0.8Ca0.2Ba2Cu3Ov超导体系正交—四方相变、局域电子结构、电荷转移与氧含量的关联利用X射线衍射和正电子湮没等实验手段，结合输运特性测量系统地研究了氧掺杂Y0.8Ca0.2Ba2Cu3Ov体系样品的超导电性、晶体结构和正电子湮没寿命谱。结果表明：体系在y～6.50附近发生正交—四方相变，正电子寿命参数τ1、τ2、I2在正交－四方相变前后发生明显变化，反映正电子湮没实验对样品结构相变的敏感性。估算了局域电子密度ne和空位浓度Cv随氧含量y的变化，讨论了局域电子结构对电荷转移的影响以及它们与正交－四方相变和超导电性之间的关联。ne和Tc随氧含量y的变化趋势具有很好的一致性，证明了局域电子密度与超导电性有较强的关联，而与结构相变并无直接关联；空位浓度在相变前后有台阶式响应，能够很好地反映该体系的正交－四方相变。结合ne在y～6.80区域的上升以及Tc随y的降低而增大证明载流子处于过掺杂区域。随着氧含量的降低，Ba和O(4)向相反方向移动的趋势导致载流子(空穴)在Cu-O链区的局域化，从而引起探测到的局域电子密度下降；局域电子密度的降低将阻碍载流子从Cu-O链区到CuO2面的转移，使得在CuO2面上参与输运的载流子数下降，最终导致Tc的降低。正电子湮没机制以及它与高温超导电性之间的关联在本章中也进行了讨论。
2)氧含量对Fe掺杂YBCO体系中载流子局域化与离子团簇效应的影响对YBa2Cu3-xFexOy(x=0，0.1，0.2)和YBa2Cu2.8Fe0.2Oy(y=7.05-6.54)体系样品的氧含量、Hall系数和超导电性进行了系统的研究。结果表明，氧含量的变化对样品中载流子的输运、转移及超导电性有重要影响；适当增加氧含量可以减弱Cu(1)位元素替代对超导转变温度Tc的抑制；在CuO2面上参与输运的载流子(空穴)浓度是影响样品超导电性的关键因素。从电荷转移模型出发，结合掺杂离子引起的载流子局域化和离子团簇效应，对载流子浓度随掺杂量和氧含量的变化从微观结构方面进行了讨论。元素替代量的增加或者氧含量的降低(相同替代量的情况下)都将导致Cu-O链区的有效氧空位增多，导致替代元素的离子团簇效应和载流子局域化效应趋于增强，这是引起参与输运的载流子浓度降低，进而Tc下降的主要原因。
3)YBa2-xNdxCu3Ov体系的超导电性、局域电子结构与正交－四方相变利用X射线衍射和正电子湮没等实验手段，结合输运特性测量系统地研究了YBa2-xNdxCu3Oy(x=0-0.4)体系样品的超导电性、晶体结构和正电子湮没参数的关联。结果表明：在x等于0.15与0.25之间发生正交－四方相变，晶格常数c随x增大逐渐减小；正电子寿命参数τ1、τ2、I2在正交－四方相变发生前后发生明显变化，反映正电子湮没谱对样品结构相变非常敏感。估算了局域电子密度ne和空位浓度Cy随掺杂量x的变化，讨论了局域电子结构与正交－四方相变以及高温超导电性之间的关联。局域电子密度主要通过影响导电层(CuO2面)和载流子库层(包括Cu-O区和Ba-O区)之间的电荷转移，从而对超导电性产生影响，进一步证明了局域电子密度和超导电性有较强的关联；而空位浓度的变化反映该体系的正交－四方相变。正电子湮没谱对YBCO体系的正交－四方相变非常敏感，可以作为探测该体系正交－四方相变的一种有效的方法。