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电子型高温超导体Nd_（1.85-x）Ln_xCe_（0.15）CuO_4（Ln=Gd and Sm）单晶超导转变温度及光电子能谱（XPS）性质的研究

作　者: 柯少秦
导　师: 杨宏顺
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 电子型高温超导体 掺杂效应 X射线光电子能谱 局域化
分类号: O572.322
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


在凝聚态物理中过渡金属化合物是其的研究热点之一,它包含了许多丰富的物理性质,如我们所研究的铜氧化物高温超导电性,光电子能谱性质等等。这些奇异的性质激发了人们极大的兴趣和研究热情。到现在为止,还没有成熟的理论能够解释这些奇异的性质,因而对过渡金属化合物的研究一直受到广泛的关注。拥有四角形结构的稀土元素铜氧化合物R2CuO4（R=Pr, Nd, Sm, and Eu）在铜酸盐体系中扮演着重要的角色,当其被适当的掺杂后比如Ce掺杂后就会变成所谓的电子型高温超导体。元素掺杂的方法在这些高温超导体的物理性质研究方面发挥着重要的作用,科学家们在关于电子型超导体库层掺杂方面的研究已经做了很多的工作,特别是为了研究超导转变温度TC的有关机理,本论文就是侧重于这方面的研究。第一章我们简述了高温超导体的晶体结构及超导相图,并举例了铜氧化物高温超导体电阻率的反常行为和这方面的实验和理论研究进展。第二章我们介绍了X射线光电子能谱（XPS）原理及其定性分析,简述了铜氧化物高温超导体的X射线光电子谱（XPS）研究及其进展。第三章我们简单介绍了Nd1.85-xLnxCe0.15CuO4-δ（Ln=Sm,Gd）单晶生长的方法及样品品质的鉴定。第四章中我们主要研究了在Nd1.85Ce0.15Cu4±δ载流子库层掺杂的体系,即Nd1.85-xLnxCe0.15CuO4±δ （Ln=Gd and Sm）体系的电阻率,超导转变TC,以及该体系的XPS光谱的研究。其目的就是为了研究该体系超导转变温度TC,电子结构,电子价态随掺杂的演变,试图阐述电子态密度随掺杂变化的原因及掺杂抑制超导转变温度的原因。在Cu 2p的芯能级光电子能谱线上,我们发现随着Gd或者Sm的掺杂量的增加,Cu 2p芯能级光电子能谱线并没有发生显著的变化,揭示了这种掺杂并没有改变掺杂的载流子浓度。在价带光电子能谱中,随着Gd的掺杂,由于Gd 4f态的贡献导致了Nd1.85-xGdxCe0.15Cu4±δ体系在6-8 eV电子态密度的增强;随着Sm掺杂,由于Sm 4f态的贡献使得电子态密度在4 eV附近有所增强。在费米能级Ef附近,随着Gd的掺杂量的增加,其态密度降低,然而,随着Sm的掺杂量的增加,费米能级附近态密度没有发生显著变化。表明Gd掺杂的行为比Sm的掺杂行为引入了更强的无序势,该体系的无序增强了体系的局域化效应,使电荷载流子局域化,使得费米面Ef附近态密度的降低。在电阻率的测量实验结果中,观察到随着Gd掺杂量的增加Nd1.85-xGdxCe0.15Cu4±δ体系的超导转变温度TC被剧烈的压制,而在Nd1.85-xSmxCe0.15Cu4±δ体系超导转变温度基本上没什么变化。基于上面我们得出结论:超导转变温度TC的抑制,是由于Gd掺杂引起了更强的体系局域化,局域了电荷载流子的运动。

全文目录


摘要  7-9
Abstract  9-11
第一章 高温超导体综述  11-34
  1.1 引言  11-13
  1.2 铜氧化合物高温超导体的结构和相图  13-17
    1.2.1 铜氧化合物超导体的晶体结构  13-15
    1.2.2 铜氧化合物超导体的相图  15-17
  1.3 高温超导体的反常特性  17-22
    1.3.1 电阻率异常行为  17-22
  1.4 铜氧化合物超导体元素替代效应  22-26
    1.4.1 铜氧面以外的元素进行替代  22-25
      1.4.1.1 氧掺杂过程中的去氧退火过程  24-25
      1.4.1.2 氧掺杂过程中的加氧处理过程  25
    1.4.2 铜氧面内的Cu 位替代.  25-26
  1.5 电子型超导体相关超导理论  26-29
    1.5.1 共振价带理论（RVB）及其自然延伸的层间隧穿的超导机制.  27
    1.5.2 近反贴磁Fermi 液体理论  27-28
    1.5.3 条纹相（the stripe phase）  28
    1.5.4 量子相变点理论（QCP）  28
    1.5.5 SO(5)非线性σ－模型（The SO(5) non-linear σ-model）  28-29
    1.5.6 其它相关理论  29
  1.6 本章小结  29-31
  参考文献  31-34
第二章 铜氧化物高温超导体的 X 射线光电子谱研究简介  34-46
  2.1 X 射线光电子能谱(XPS)原理简介  34-36
  2.2 X 射线光电子能谱(XPS)定性分析  36-40
    2.2.1 光电子能谱主线  36-37
    2.2.2 多重分裂线  37-38
    2.2.3 能量损失线  38
    2.2.4 价电子线  38
    2.2.5 伴峰---X 射线卫星线.  38-39
    2.2.6 化学位移和俄歇参数  39-40
  2.3 铜氧化合物高温超导体的X 射线光电子谱线（XPS）研究概况  40-45
  参考文献  45-46
第三章 Nd_(1.85-x)Ln_xCe_(0.15)CuO_(4-δ)(Ln=Sm,Gd)单晶生长  46-55
  3.1 引言  46
  3.2 助溶剂法  46-50
    3.2.1 助溶剂自发成核法  47-48
    3.2.2 助溶剂的选择条件  48-49
    3.2.3 助溶剂的类型  49
    3.2.4 坩埚的选择  49-50
  3.3 Nd_(1.85-x)Ln_xCe_(0.15)CuO_(4-δ)(Ln=Sm,Gd)单晶生长  50-52
  3.4 Nd_(1.85-x)Ln_xCe_(0.15)CuO_(4-δ)(Ln=Sm,Gd)单晶的结构表征  52-53
  3.5 本章小结  53-54
  参考文献  54-55
第四章 Gd 和 Sm 掺杂对 Nd_(1.85-x)Ln_xCeCuO_(4±δ)(Ln=Gd, Sm)电子结构和超导T_C影响的研究  55-72
  4.1 引言  55-60
  4.2 实验细节  60-61
  4.3 实验结果及讨论  61-69
    4.3.1 XPS光谱数据分析与讨论  61-67
    4.3.2 电阻率数据的分析与讨论  67-69
  4.4 本章小结  69-70
  参考文献  70-72
硕士期间发表文章  72-73
致谢  73

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 原子核物理学、高能物理学 > 高能物理学 > 粒子类型 > 轻子 > 电子及其反粒子
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