高温超导体中局域结构的稳定性对超导电性的影响

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铜氧化物高温超导体被发现后,吸引了大量科研工作者对其进行系统地研究。人们已经积累了很多重要的实验结果,并在铜氧化物高温超导体的基本特性上达成了一些共识,但对高温超导电性机制的研究仍处于不断争论和探索的阶段。越来越多的实验证据表明电声相互作用对高温超导电性是重要的,因此有必要探索晶体结构对高温超导电性的影响。高温超导体的d波对称性和赝能隙都对电声相互作用机制提出了新的挑战。如果电声相互作用机制是适用的,它应该能恰当地解释d波和赝能隙的特征。这些特征可能起源于晶体结构强烈的各向异性,尤其是某些特殊的局域结构。因此,本论文主要研究了高温超导体的局域结构,希望揭示其对高温超导电性的影响。  本论文首先研究了YBa2Cu3Oy(YBCO)的不同掺杂体系。对平衡双掺杂的Y1-xSrxBa2-xLaxCu3Oy体系,由于电荷的自补偿,该体系的载流子浓度保持不变,因此可以通过它直接探索晶体结构与超导电性的关联。研究发现该体系的块间结合能与超导临界温度Tc有很好的负关联效应,说明晶体结构确实对高温超导电性有重要影响。对Y1-xPrxBa2Cu3Oy(YPBCO)体系的研究发现,在Pr掺杂浓度分别为0.25和0.5时,样品的Tc对磁场的依赖表现出一定的反常,这可能与此时CuO2面的异常波动有关。通过考虑CuO2面上由相邻Cu原子和O原子构成的稳定“铁三角”的集体振动,本文尝试解释了YPBCO体系的低频Raman特性。对七个双掺杂YBCO体系CuO2面键角的分析表明,CuO2面的稳定性会影响超导电性,CuO2面越稳定,越有利于高Tc的保持。对Pr1-xYxBa2Cu3Oy(PYBCO)体系的超导样品和非超导样品,以及非超导的Pr1-xCaxBa2-xLaxCu3Oy(PCBLCO)体系的比较发现:在非超导体系中CuO2面键角的涨落远大于超导体系。测量不同体系的Raman光谱,在超导体系中观察到了与CuO2面铁三角有关的两个稳定的声子。这两个声子分别与节点电子态和反节点电子态强烈耦合,而在非超导体系中并没有发现与它们对应的特征峰。这同样说明CuO2面局域结构的稳定性的确与超导电性有关。Pr掺杂对CuO2面稳定性的破坏,可能是PBCO体系失去超导电性的原因。  本文同样系统地研究了不同的Bi-Sr-Ca-Cu-O(BSCCO)掺杂体系。通过对Pb掺杂的Bi2212体系和Bi2223体系的晶体结构包括晶格常数、原子坐标和键长键角进行精细分析,本文证明了BSCCO体系的CuO2面上存在与YBCO体系中一样的铁三角结构。这说明铁三角在铜氧化物高温超导体中是普遍存在的。本文用分块模型计算了BSCCO体系的块间弹性模量,研究了其分别随单胞中CuO2面层数和O掺杂浓度的变化关系,并与相应Tc的变化关系作对比,证明了弹性模量与Tc之间显著负相关。这说明块间应力对超导电性有重要影响。块间应力正是CuO2面具有稳定局域结构的原因,因此CuO2面的稳定性同样会影响超导电性。  根据YBCO和BSCCO不同掺杂体系的研究结果,CuO2面的稳定性对高温超导电性有重要影响。本文怀疑铜氧化物高温超导体中赝能隙的形成可能与CuO2面的稳定性有关,从电声相互作用的观点出发提出了一种关于赝能隙起源的猜想。为验证这一猜想,本文进一步考察了La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)的Co掺杂体系。巨磁阻LSMO材料虽然不超导,但是存在与铜氧化物高温超导体相似的赝能隙。如果高温超导体中赝能隙起源与CuO2面稳定性有关的猜想是正确的,那么在LSMO材料中应该能够发现与CuO2面铁三角类似的稳定局域结构。用常规固相反应法制备掺Co的LSMO体系样品,用粉末衍射方法测量其XRD谱,通过对其晶体结构的精细分析,发现其中确实存在稳定的局域三角结构。这间接说明高温超导体中赝能隙的起源的确与CuO2面的稳定性有关。  总之,本论文对不同的铜氧化物高温超导材料,以及与高温超导体具有相似赝能隙的非超导材料的研究,证明了铜氧化物高温超导体中局域结构的稳定性对超导电性有重要影响,可能是赝能隙形成的原因。对其进行更深入的研究将有助于对高温超导电性机制的最终理解。
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