（凝聚态物理专业论文）fe掺杂对铜氧化物体系的影响及52相的新法合成.pdf

嚣燃孛交攮簧 摘要 对趣导域象的赶扦就是凝聚态物理燕灌的热点。对熬越导机制的研究不但有助予 缨粕慰蕤墁龛本巍搬灌静诖知，疑糖墩会较大麓穗避糖壤其它领域数发展。罨投 离趣零转变漫霾，离雅器罐饔霸藏曦瀛密度熬麓尊毒嚣精蠢燕其蠢辩黼寓题盛露徐 蘧瞧袋梵戆众多a 靖究麓蟊标，我髓霞文献或蘸尊零中经鬻哥骏麓璇关予这襻黪 援逶，键实簿上，蠢楚麓辩没蠢褥嬲其它太翡饕袈确试或被蘧蜜誉是超导舔， 在这个寇义上说聱j 乎这类材料超替鹈 鼹遂进行的濑蠢鞘磷究也存猩一定的价值。 崧我f f j 露蘸受止船横鲢挂料中，镪鼷诧合糖笼疑楚a | j 最为荚波懿焦点。它 曩毒静离抟超导转变溢寝捷它掇其戏鲻徐篷；蔼藏宪懿与簧统趣譬髂亮全不颡驹 夔曩，鲡壤蕤豫，鞠努冀，量孑德界虢象，聂鬻翁输遁性覆荨嚣赞澉渡蒋热 亍为 等蒋激发了a 韬袋黧豹袋辩鼓鎏。在遮个意义下，露镶戴建台黪瓣麓簿爨理鞣菠 常慌媵的研究是非常霄意义的。 谯本论文中。我们辩l a 系锅载他含褥高温超导体锶挺进 亍了掺絷瓣究。站蕊 中船斑憩蹩导毫瞧，兜攀_ | 生震，输送瞧艨等帮侉了一窥懿揉囊。慰媾裁镪对个 营经被夫蹇黪委越嚣体麴薛系进杼了臻究。在接麓赣瓣合成方法或麓簸褥笺籀熬 萋穗主我g j 霹它蓬舔籁鼯终窭了熬麟。 本潦文势受三嚣 黎擎对传统罐辱壤论，高温越母体材料和越静电性枕瑾讲究的魇囊，发餍以 及现状避杼了回顾和总结，包括超导材料的发展，传婉超导理论锕飘忧物高温趣 导体李孝辩躲鑫体结秘，挺露，超器恋鞣芷常态的旋鬻性瑷，以及蹲熊艨，条纹勰 等鸯捺憾矮。我j 毯麓肇校锤了塞溺越蹲疆逶抟蓑赣避鼹。 辩j 凝 第三章在使用活性碳的条件下，我们成功的制备y a g s p b 0 0 6 的纯相。较之 以校需要5 0 0 度以上高温$ 9 1 0 0 0 个飙压的方法，我们的方法由于不需要氧艨， 反皮温度也降低了很多，从而大太改进了制毽遮个相的方法。同时我们还发 现a 辩p 如0 6 或它的衔生匏藏是掰n r 妇等夫报道存在室溢超导鹃稳，蔑瓠豹实验弼 对袭蹊a 嚣p b 魄不其毒踅导惠性。 燕键词：高温超导电性可燮稷跃迁，红外光谱。5 - 2 相 第i i 页 渺喾融英文摘要 a b s t r a c t t h er e s e a r c hi nt h ep h e i t o m e n ao fs u p e r c o n d u c t i v i t yh a sb e e no n eo ft h ef o c u e i nc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s t h eu n d e r s t a n d i n go ft h em e c h a n i s mo fa u p e r e o n d 碱i v i t yn o to 强 ￥嚣i l lh e l p 璐e x p e n do n rk n o w l e d g et oi t sp h e n o m e t l ai t s e l f 、 b u 叠s og i v e 簿i m p e t 潞稔t h ed e v e l o po o t l e vi i e k l s 辆p 囊氍舞；s e a r c l f i n g 蠡e s u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a i sw h i c hh a v eh i g h e rs u p e r c o n d u c t i n gt r a n s i t i o nt e m p e r - a t u r ew i t hh i g hc r i t i c s lm a g n e t i c a lf i e l da n dc u r r e n td e n s i t yi sa l w a y st h ed r e a m o fp e o p l e 黼t h o s em a t e r i a l ss u r e l yh a v ee x t e n s i v ea p p l i e dp r o s p e c t h o w e v e r w e a l w a y sf i n dt h i sk i n do fe l a i mi nl i t e r a t t i r eo rp r e p r i n t s b u ts o m em a t ，e r i a l sc a n b er e p r o d u c e d 姆o t h e r s b e p r o v e dn o tt os h o ws u p e r c o n d u c t i v i t y 嚣喜a 1 1 1 n 氧证m e a n i i l g ，t h ei n v e s t i g a t i n 襄a n dr 鹤e a r e hi nt h i sk i n do fm a t e r i a l st oc o n f i r m w h e t h e rt h es u p e r c o n d u e t i v i t ye x i s t so rn o ts t i l lh a ss o r t i ev a l u et oe x p l o i t a m o n gt h o s es u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l s t h ec u p a t e sb e c o m et h em e s tc o n c e r n e do n e ss i n c et h e yw e r ef o u n de i g h t e e ny e a r sa g o t h eh i g hs u p e r c o n d u c t i n g t r a z l s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h e mm a d et h e m s e l v e sd o s s e s sg r e 翌tv a l u ei na p p l i c a t i o n t h e i r p h y s i c a l b e h a v i e r s t h a t 箨籍t o t a l l y d i f f e r e n t w 鞋羲招a d 谴i o n 蠢s h p e 羚o f 避l 垂。 o r s ； s u c h 矗sp s e u d o g a p , p h a s e s e 辩r a t i o 硅，q u a 撼娃mc r i t i c a lp o i n ta n da b n o r m a it r o i s - p o r tp r o p e r t i e sw i t hn o n ，f e i m ii i q u i db e h a v i o r se ta t c h a l l e n g et h ei n t e l l i g e n c e o fp e o p l ei nm a x i m a ld e g r e e i nt h i s m e a n i n g t h ei n v e m t i g a t i o nt ot h et r a n s p o r t p r o p e r t i e so fc u p r a t e sw h i c hr e l a t et ot h em e c h a n i s mo fn e wp h y s i c sw i l ld e f i n i t e l y b ev e r yv 则u a b t ea n d n e c e s s a r y 珏t h i st h e s i s i n 獬t i g a t e h es u p e r c o n d u c t i v i t y ，o p t i c a lp r o p e r t ya n dr l o r - m a ls t a t st r a n s p o r tp r o p e g i e so fl a - b a s e dc u p r a t e st h r o u g ht h em e t h o do fd o u b l e d o p i n g a n dw ea l s od e 1 0 pan e wm e t h o dt os y n t h e s i z eam a t e r i a lw h i c hh a d b e e nc l a i m e tt os h o wr o o mt e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t ya n d m a k e “j u d g e m e n t t o w a r dw h e t h e rt h e s u p e r e o n d u e t a v i ye x i s t so rn o t t h et h e s i si sd i v i d e di n t ot h r e e c h a p t e r s c h a p t e ri t h ed e v e l o p m e n to f t h es u p e r c o n d u e t | v i t yt h ec h a p t e rg i v e s 毫b r i e fo v e a v i e wo ft h e h i s t o r y p r o g r c s 8a n dc u r r e n t s 懿a no ft r a d i t i o n 舔$ 醢p 壤瑚n d u c t i 磷警a n d t h e h i g h - t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u e t i v i t ) ；s u c h 毫睾t h e d e v o p o f s u p e c o n d u c t i n gm a t e r i a l s ，t r a d i t i n b t h e o r yo f s u p e r c o n d u c t i v i t y , t h ec r y p t s ls t r u c t u r e 。 p h a s ed i a g r a m t h ea b n o r n l a ip r o p e r t i e so fn o r m a la n ds u p e r c o n d u c t i n gs t a t ea n d t h o s es t r a n g eb e h a v i o r si i k e p s e u d o g a pa n ds t r i p e a l s og i v eab r i e fr e v i e w t o w a r dt h em e c h a n i s mo fh i g h - t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t y , 第j j ：i 黼 c h a p t e r i i e f r e c to ff ed o p i n gi nl a i8 s s r o1 5 c u 0 4w es t u d yt h ee f f e c to f f e - d o p i n g i nt h es y s t e mo fl a ls 5 s r o ? 1 5 c “国 饴s u c c e s s f u u ys y n t h e s i sas e r i e so f d o u b l ed o p i n gl a l 8 5 2 s t 0 1 5 + z c u l i f 屯。4s a m p l e s w ef o u n dt h a tt h es u p p r e s s i o no fs u p e r c o n d u c t i v i t yi nf ed o p i n gs a m p l e sc a nn o tb ee x p l a i n e db yt r a d i t i o n a l m a g n e t i cp a i r b r e a k i n ga b r i k o s o v - g o r k e yt h e o r ya n dw er e g a r dt h el o c a l i z a t i o n o fc a r r i e r sb yd o p i n gi st h em a i nr e a s o no ft h i sp h e n o m e n o n w ef i n dt h en o r m a l s t a t et r a n s p o r tp r o p e r t i e sa r ed o m i n a t e db yv a r i a b l er a n g eh o p p i n gm o d e li no u r n o n ，s u p e r c o n d u c t i n gd o p e ds a m p l e s 、 ka l s os t u d vt h ec o n n e c t i o nb e t w e e ne p t i - c a s p e c t r u ma n dt h ec o n d u c t i o 目b e h a v i o r s 晒s u g g e s tt h a tt h ec o u p l i n gb e t w e e n e l e c t r o na n dp h e n o nc a nl e a dt ot h em e t 越i n s u l a t o rt r a n s i t i o n 。 c h a p t e ri i i an e wm e t h o dt os y n t h e s i z ea 卯p b 2 0 6w i t ht h ea s s i s t a n c e o fa c t i v ec a r b o n ，w eg e tan e wm e t h o dt os y n t h e s i z ep u r ea 舶p 幻o s p h a s e c o n t r a s t i n gt ov e r yh i g ho x y g e np r e s s u r eu s e di nf o r i t o rr e p o r t so nt h i sp h a s e ，e x t g a o x y g e np r e s s u r ei sn o tr e q u i r e d ，t h er e a c t i o nt e z n p e r a t u r ei s a l s ol o w e ra n dt h i s m e t h o dc s nb ef u l l vr e p r o d u c i b l e o u re x p e r i m e n t si n d i c a t et h a ta c t i v ec a r b o n p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h er e a c t i o na san e c e s s a r yr e d u c t a n t ，ea l s of i n d t h a tt h i sp h a s es h o w sn os u p e r c o n d u c t i v i t y k e y v o r d s ：h i g h - t e m p e r a t u r es u p e r c 。n 建l l c i v i t y ，v a r i a b l e - r a n g eh o p p i n g i n f r a r e ds p e c t r a 5 - 2p h a s e 第i v 页 露娶。女歉絷一章超导奴憾辩鳃究进展 第一耄越辱毫性翡研究遴暴 1 1超导浚象静进溪撅述 超导现象是1 9 1 l 每荷兰莱钡大学的晕内新( k a m m e r l i n 酶o n n e s ) 在4 + 2 k 瀑嚣戮近测煮群目姆毫照射教疆兹 l 。翳两慧发现，聪饕温度的 簿秣，拱g 静宅疆裂了蘩一褥囊滠艘瑶，会突熬凝永上万撼，簿魏毽黪 试骏彼嚣裁溅不蕊张豹最小蘩( i o o q ) 。缆涟爱复豹潮蕊确试，磊纛 斯在1 9 1 1 年1 2 月2 8 因窬称h g 的这种电性质表 难了物质的一个耩态，即 超导态( s u p e r c o n d u c t i n gs a e ) 瓣怒导体邀阻簸赣赞巍爨惑羟表明越 尊惑秘魄瀣率鞫：基辩懿金霾鬣筑瀚电潼牵还鬟髓磊令数藿缀，囊 诧天锻翱信超霉卷凑炭为零瞧瓣态。焉递辫缡( m e i s s n e r ) 每嶷森费系 德( o c h s e n f e l d ) 2 1 于1 9 3 3 年发现当磁场强度加到定值之前，磁场不能穿过 处予怒簿惑黪耪糖，和妻磁场翁膊史瓷全无关。避令鼓秣之为m e i s s n e r 效 瘦瓣宽垒靛麓整理蒙代凌了超器髂所姆畜簿擞憋麟，它器发臻褒麓嚣霾翻 了太嬲超譬体是璎憋意义上豹突蕊零 奉的猜懋。灏1 - 1 给蠢了怒雾律嚣巾 虽基本的性质示意嘲，篡中表明零电阻态的电黼溉度曲线怂从帑内斯的艨 始论文中截敬熬。 器蛰凝继超导嚣缝竣的重要蜜黢磁寄疆多，嚣魄旗效庭，弱懋素数藏， 涟逶簸黢等等，穗麓褥爱一个越羚孛辛瓣引麓贽穰麓主要参鸯绞攘还是凌 现零电阻懋的临界涿艘疋和在磁蛹下超导体能够保持抗磁的鼹大的磁场强 度至乇。在避去几十荦鬃，太们为替羧蕊疋秘离竣瓣超导榜籽付燃了不攥抟 努力，发麓了主予释秘糕都莓蠢怒霉蜣蒙，这燕辑瓣整舞起涞太髂爵戳势 免元豢麓鼯侮，霉瓣会龛帮毒乏台魏麓鼯诲，重蘩零予超导蒋，霸氧纯台秘 高温超导体，有机越碍体f 3 1 崧元索满耀表中，夫终骞二中多耱元素奁谈熬巅超导邀经，其中我钠 蠹霉畿较鬻冕麴嚣裳督a l ，z n ，p b ，m g 。两对一磐程霉蔑袈转下若不愚趣 导诲鞠元素，在嚣蓬下雹霉戮避入超警态，魄菠典型翡蠢潦寄半导露秘 搽l 鞭 t r # t k e v r 蓟零奄辍密 圉1 - 1 ：超碍体两个最拱零的性质 强) m e i # n e r 效应 辫戤：g e 。元素越嚣体弱特点蕊超导转变溢发狠低( 转嶷濑发最裔酌元索 为n b ，冗= 9 3 k ) ，位于液氦温隧，而且由于冠索超导体的临界磁场都比较 低，所以使用价值不大。 1 9 0 每鑫天然陵续茭穗运避蠹嚣莲譬念囊鬻建台黪簿攀送一多掩 嵩聂灏敝，键是溅震缓谩，1 9 5 4 年发现韵矗3 翔静转变漱度为1 8 1 k ， 而】9 7 3 年发现的b , 3 g e 超导体致为2 73 k ，进入了液氢温区。由于低温工 业的母趋成熟以及1 9 6 2 年j o s e p h s o n 效应的艘糯 4 ，5 t 及冀履昀应用，熄 导俸瞧在这一段醛阊量运澎器鬟了建或。1 9 5 6 - 1 9 5 7 霉瓣建立嫠激 秘b c s ( b a r d e e i t lc o o p e r , 磷ds c h r i e f f e r ；黧论溷在辫释霸索超导露鹣常 规台狳和化合物趟母体的超导现黎时取得了甑太的成功。1 9 8 9 年前后，几 种新测的超导体如黛费米子超母体，有机捌料楣继被发戳。重费米子越 导铬戆特点是蠢予瓷予蕊强关联绺震，电子魏寒蔑震量滠爨，超导鼗藏鼓 试淹静在苇点，辩鑫彝舅注，菊且 ：蔓茬存在铰鞭绫反蔹磁穗鞠趣导藕捐茧巍 争与撼存的现象。从1 9 7 9 年德阑科学n s t e g l i c h 7 在稀土和锕系元属的众 属化台物中发现第一个这类型越鼯体g e e t 。2 s 赴开始，大约谢十余神重费涨 子耱笋 在甭嚣鼹祭搏下呈溪凄怒譬潼登。尽篱簦蘩寒予怒鼯傣转变瀑蹙太 燕，几乎爱毒瘴嬲债 盏，撞是宅雨蓊于簧统麓浮薅翡奇募姆征，磐超辱与磁 性共徉，非s 波超导镣直到现在憾吸引了众多物理学家的泼濑。图1 - 2 焓 出了谰摸典型的黧赞米子超导体在加压的情况下的相图图l - 2 f a ) 给燃 竣爨笈鼹羲磁与越鼯共存嚣移s 8 茔，纛墅t - 2 ( b 3 绘邀鼹燕茨链爨毒超搭 共存的c e 强受0 两尼孚在羲浆涨子莛萼髂靛发现君不久，饔撬纯食鞠 被发观存在超导电性，他们的熬同特征是结构存在低维特性，如准一雅 簿2 耍 誊墓鐾案彦 黎嚣嘞敬第一章起譬电性的研究进展 ( a ) u g e 2 翱嚣f b c e p d 2 s 2 相盈 网1 2 ：两哥中典型重费米子超母体的相图 酶( t m t s f ) o p 民；8 帮瑶二缝的b e d t 1 7 f 黼，结稳磐黧1 - 3 鞭示，漆 于遮些材料同样存在磁与超导榈互竞争的现糠尽管转变温度一般在5 k 以 下，同样也引发了人们的关注。 键是一直萋 1 9 8 6 年，尽管不龋舂务静各样懿超导俸被发 现，如g e 嚣为2 7 ，3 k 豹这个瑟霖还是没鸯被改写。不少理论工律者 帆b c s 理论框架出靛认为超导体的e 不会超过3 0 k 。1 9 8 6 年4 月、瑞士科学 家b e d n o r z 和m u l l e r 发现了第一个铜氧化物高漱超导体l a b a c u 0 1 1 0 1 。 其越嚣转变温度为3 5 k 。这一重大结果为超导的鹾究羁舞发带来了一场薪熬 革念，也开毯了凝聚态物理一个赣麓对代入翻缀瓷在l a 2 - x m , c u o m ： b a s r ( l a 2 1 4 ) 得到转变温度高于4 0 k 的材料1 9 8 7 年2 月。柬经武组1 1 1 和 赵忠贤组【1 2 1 先后在y b n 2 c u s o l - y ( y s c o ) 化台物中发现瓦高达9 0 k 的 超导体，把超导转变温度握哭剖了滚氮激隧，再一次改霉了超导懿 蕊雯丽1 9 8 8 年，瓦= 1 1 0 k b i 2 s t 2 c a ；c u 3 0 l o + z ( b i 2 2 2 3 ) 1 3 1 帮瓦= 1 2 5 k 的t 1 2 b a 2 c a 2 g t b 0 1 0 ( t 1 2 2 2 3 ) 1 4 1 更是近一步的提高了转变温度。 1 9 9 4 年朱经武组在对h g b a 2 c a 2 c u 3 0 s + z ( h 9 1 2 2 3 ) 在3 0 g p a 的雁力下发现其 转变濑度蔫达1 6 4 k 1 5 ，这一记袋僳持至今。黠魄上述亿仑物正常的导壤 载流予都是空穴，凝稼鸯空穴型超导 搴，1 9 8 9 年磊本学者获褥了载流子跫 电子的电子型铜氧化合物超导体n d 2 一。c e 。c u 0 4 ( n c c o ) 1 6 1 ，它的转变温 第3 页 尊$罾晕嚣 ( 薹 强”帅幛”酗曲“ _ 蚺。- 。贰辨_ 孥伊_ 装洲蜘峭 枷蟛秘日* 净喀审蹦 ( a 1 ( t m t s f ) 2 p 鳓 f b ) b e d t 一? z 节 图1 - 3 ：准一维的( 丁m r s f ) o p 几和准二维的b e d t 坩f 的结构图 爰在2 0 k 左右。 1 9 9 0 年g o 发现后，嵌入碱盘属形成的m 岛o ( a 为碱金属) f 1 7 】发现了具有 超导性质：其中g 鼬q o f l 8 l 转变潞度大约在4 0 k 发右o ，在碳纳米管中也发溉 了咒在i 5 譬左右的超导程料 1 9 ，2 琪。还应该毅瓣获戆觅个重大发现是2 0 0 1 零 裙发现鞠t 为3 9 k 翁金属诧台物m g b 2 t 2 1 1 ，锊镰矿结掏的m g c n i 3 i 2 2 j 以敏 2 9 0 3 年发现的n a 。c 0 0 2 + 1 3 h # o 2 3 1 由于m 9 b o 的超导电憔被证实源于传 统的b c s 机制，而传统的b c s 理论认为瓦不越过3 0 ( ，它的发现也引发了人 稍辍大鳇兴趣具体抟超导裁辩发展示意器鲡l 一4 赁示。 添应该指出静熬，叠鼠1 9 6 4 年商天提密在低维有视导体朔激子激发豹超 导体中中可能存在高温超导体f 24 1 ，寻找瓦更离的超导体真是人们的梦 想，1 9 8 7 年以后文献上可以见剿不少发现超导体超导更高冠包括接近甚爨 裹予蜜瀑麓援道，经是这些聪彀无法被a 羹复，寒经武教授称之鸯”不鼹 超导舔u s o ”( u n i d e n t i f i e ds u p e r c o n d u c t i n go b j e c t s ) 1 2 5 翻1 - 5 就是2 0 0 1 年 初几个克罗地压科学家关于a 口6 p b 2 0 6 存在室瀛超导的报道1 2 6 ，2 7 卜图1 5 ( a ) 飨出了他们的电阻测量，囤1 - 5 ( b ) 则是他们对抗磁性的测量。本论文 最 l 垂搪一争重大避震莲2 年舞笨实验室翁研襄a 蚕在铙e 辩分子癣插天三溪甲 烷( c h b r 3 ) 褥到了离遮1 1 7 的超导体，憾该文第一作者被查出存在作弊行为，其结果不可 信 篱4 页 毋；“ # 融第一章超导电性的研究避瓞 擘 、一 。 垂 辩 嬲 瓣 秘0 搬黜 嚣m e 汹a b 隧1 4 ：超导榭料发展示意圈 鲍一帮铪恣会涉及翻这个系统稳翁台戒 九十多年过去了，趟导现象的察验和理论研究实际上成为凝聚卷物 理( 困态物理) 发展的主旋律之一。而自从在1 9 8 6 年夏发壬见锶裁化物趣 导体以嚣超导熬实验秽理论工 睾耆受楚在实黢技术_ 稳餐力方瑟嚣穆援大 静揍藏，送类羧豫为藤漫超导 豢熬专君精选避囊激发了无数擘煮翡兴嚣。 还德得一提的是在上 i ：纪五六十年代超导现象微躐理论斡突破的同时， 戈德斯通( g o l d s t o n e ) ，希格斯( h i g g s ) 秘安德森( a n d e r s o n ) 搬其中的对称破 漆靛缀念漆广鬟嚣缝躲避，鬟爨了对稼竣较薅致g o l d s o n e 簸予戆出褒熬 爱a n d e r s o n h i g g s 嚣t , 割，成为蕊裁秘骥敦重大邈溪之一。爨就入翻毒毽l 羹 相信辩超导现象更近步的认谈，特别是对1 9 8 6 年发现的强篾联体系中离 温超导现象的认识，必将引发凝聚卷物理乃蕉熬个物理锁域的革新和突 破。 第5 魇 f b 越像率 图l * 5 l 克罗地臌科学家关于a g s p b 2 0 6 超导的报道 1 2 传统的超导醚瓣瑾论 1 9 5 0 年发现的阀位素效应2 8 】为超导配对理论的产生起了巨大的作用。 阍位索效应的实验是测量当缎彝奠超导体的元綮宠全被其同饺索所替代时超 导转变湛瘦弱变纯与蒙子矮量f 艇) 变诧懿关系，熟式( 1 一i ) 疑示。 瓦胪舻一篇 m 1 ) 其中鼎被称为同做索指数。实驰发现同位索搬数一般都是猩0 5 左右。因为 鑫揍振动蘸帮掰- o - 5 存在正比蓑篆，舔幺代表蕊楱振动元激笈抟声子必然帮 超导的产生存在联系。在考察翅霭1 - 6 曲墩予由于帮声子勰台带来翡能羹 修正和超导的关系失败后，f r 6 h l i c h 2 9 1 提出费洙面附近的电子间通过交换虎 声子可以相互吸日 ( 图1 - 6 ( b ) ) ，由此引发电子配对p r o h l i e h 理论的问题 奁予当时试为逢子之间还存在饕较强戆瘁仑瓣斥秀，抵溃簿壤g 力曩，穗子 之阉不可能还会装釜疆芎l 在试识蜀夫帮分臻仓排斥力珂疆被电子弱正电 子( 离子) 背景相互作用抵消掉过后，1 9 5 7 年巴丁( b a r d e e n ) ，库 f i ( c o o p e r ) ，施 里弗( s c h r i e f f e r ) f 6 1 提出了关于电子由于电声予作用( 图1 - 6 ( b ) ) 下产生吸目l 焉发生配踺静徽鼹瑗论。该建论窦谤与实验糖荚酶主要结论蹩： 1 ) 电子结合藏库稿对后，需要一定静裁嚣恕它拆嚣海两个独立翰魄 子。由此从超导熬态要激发任何单粒子，必须付出额外的能量。即袭 第6 页 拶8 辫狳第一章怒导电性的研究避展 c 8 ) 嚣l - 6 ：毫子与声予翁耀互捧蠲：( 的魄予鑫麓国；交羧声孑 明了系统存在能隙。现在大量的事实都证明超导体中准粒子激发存在能 溅，比较直理的诞摄是隧道效寝积运红乡 吸收效应。b c s 理论圈时正骥 的鞭言了麓豫与滋度变纯的关系。圈1 - 7 ( a ) 绘出了隧道效应实验的示纛 图，t 1l 一i 胗11 1 ，而是三重态11 it ，1 胗ll ，或i1 i 抄 + i 上 it 。在平均场近似下，仿照b c s 理论，我们同样可以发展出各向 异性配对的超导理论。由于各向异性配对的电子对能隙( 存在节点，一 个和b c s s 波配对的超导体最大的区别是前者在节点附近存在激发能接近零 的准粒子，而后者由于能隙a 01 叵为正，不可能在低频区存在准粒子。从 热力学性质上来看，各向异性的超导体低温热力学与输运性质将服从幂指 数p 关系，而不是b c s 的指数型e 一口o 的关系所以对超导体低温热力学 与输运性质的测量无疑可以说明超导配对的电子对是否是各向异性 第9 页 1 3 高温超导体的结构 锈氧拢甥超够棼都霹鞋蓍终是壶a 孚圆黧锈钛矿结构戆母彝掰生爨采 的。所有的铜氧纯物高温超导体都具有良c u 0 2 面为主体的层状结构， 由 类钙钛矿层( 其中包含的c u 0 2 面是导电层) 与岩盐层( 电荷库) 沿c 方向 的堆垛所构成它们具有层状钙钛矿型结构的基本特点。点阵常数a 和捌e 鬻矮近，两c 方囱夔参数裂是隧拿晶慈p c u 0 2 嚣熬屡数决定秘。霆1 8 绘出了属于魄较典型的铜氧纯物高溢超导体l a 2 一。s r x c u 0 4 ( l a 一2 1 4 ) 酌晶 体结构示意图，淀意到这个体系属于单层c u o 。面系统。如图1 - 8 右所示， 电简库向c u 0 2 筒提供超导载流子，而载流予在c u 0 2 面上流动。在实践中 还发现僚拷c u 0 2 平覆翡完整n 慰超导电往的产生起羞援炎黧要终眉，农这 个濑义上来讲搿激超导体在绍构和物性上熙有准二维特缀。一般来说荜 层的c u 0 2 面系统的超导体( 最佳掺杂时) 超导转变温度较多层超导体低， 如l o 一2 1 4 最佳掺杂时转变温度为4 0 k 左右，而上一章提及的y b c o 为双 层c u 0 2 嚣结构，墩舞霉在9 0 k 友舂，三层缩梅楚b i 一2 2 2 3 爨骞转交温凄剐 为1 1 0 k 左右。与就丽对结构中氧的含量鞠分布对超导电穗氇有着重要静影 响。 找们在这里以l a 一2 1 4 系统为例来说明铜氧超导体的结构和相图的 主鼗特征，其母体l a o c u 0 4 麟予芷交穗，筵中每个c u 鼷予与6 个。骧子 形成配谴，k 蘑髂，c u 0 8 a 巍体硬角相连在8 6 面上聪开丽形成由双 层l o 原子隔开的钙钛矿型的c u o 。层。同时由于j a h n t e l l e r 畸变的缘敞， c u o 。面外的c u 0 键长【= l c u 0 2 面内的c u 一0 键长要长得多，所以我们 又瓤以把l a 2 c u o 器成0 铭0 2 瑟琢予层与氯纯镳结构的8 2 圆屡交叠露或。 当融c u 0 4 中的l a 较- - 镑疆土金属( b a ，s r ，c a ) 或者一价躐愈属( r b ，甄n a ) 等离子部分替代而形成的固溶体l a 2 一。地c u 0 4 会在一定掺杂浓度出现 超肆电性。这一系统超导体大多数在室溆下具有空间群为1 4 m m m 的 四方结构，如l a l8 5 s r 。1 5 c , 。0 4 在3 0 0 k 时懿平均晶楱常数为8 = 6 = 0 3 7 7 9 3 n m ，e = 1 3 2 2 6 n m ，菇激中各骧予位鬣为：l a ；新f 4 # ) ( o ，0 ，0 3 6 0 4 6 ) ； c u ( 2 a ) ( 0 ，0 ，o ) ；0 ( 1 ) ( 4 c ) ( o ，0 5 ，o ) ；o ( 2 ) ( 4 e ) ( o ，0 ，o 1 8 2 4 ) 3 1 c u 0 2 面上c u 一 0 键长均等，c u 一0 一c u 键角为1 8 0 。，形成一个平整并具有高对称性 的簌子屡。在l 燕涩下；l a l8 s s r o l 5 c u 0 4 会发生四方一正交辐变，空阈嚣 在2 0 0 k 左右赉j 4 m 7 m 转交惫b m a b 。c u o ( 1 一g 确毫熊南魏偏离1 8 0 。 相变的原因是c u 0 6 k 面体倾斜，但较母体l a 2 c u 0 4 倾斜程度要小。尽 第l o 页 秘溅第一章超导电性的研究进展 ( t l l f ) 焉”1 0 f 镶氧蕊 张姆l 等毫器 导电謦 铕氧西_ 黼_ - _ _ - 田 糖鬟嚣二- - 一 导氓惑 图l 一8 ：l a 2 。s r , c u 0 4 ( l a 2 1 4 ) 的晶体结构示意圈 管蕊漆体l a 2 。s r , c u o _ 4 在穰大缀分范疑( o z i 3 4 ) 可以稳定存 在f 3 2 l ，然而存在超导电性的缎成的范围很小( o 0 5 o 2 1 时，瓦德迅速下降。由此有入 认为体系的结构在盘一0 2 l 附避的正交四角楣亵可能是超导电性在高掺 露瓣纯食黪中羧李露割黝擐嚣，然纛，亳 囊溢莠基嘉瑟压蕊 霉撬下爝中子掰 裁潼褒褒l a l 9 s 翔、l c u 0 4 蕊稿囊裳璎，骧藿疆强熬增热，瑟魏瓣对嚣魏 因c u 0 6 八西体的倾斜程度减小衙撼藏，同时嚣傻上升+ 在发生雁交。西方糖 变且o t t 0 2 ：暖上g 珏0 一e u 键角逐渐增加到1 8 0 时，t c ：达到峰德。继续提 褰藤强，瓦谴基零不炱，襞以缀稳麓褒怼舔羧莠不楚辫鬣蕊瀑瓣毒电毪麓 壹接琢嚣。 从圈i - 9f 3 4 1 还可以鬻出未掺杂的蹲体亿音物是殿铁磁绝缘体，当掺杂 量小予0 0 2 时，系统仍然存在反铁磁长程序，但悬反铁磁转变濑度急剧下 酶。在0 0 2 黉0 ，0 5 之鬻j l 曼试为爱镶磁长程磐蠢经不存在了，群我謦窭蕊 匏燕矮程魏羡铁激澎。警掺聚餐终簿子0 g 5 辩，疑象金霾一缝缘鼹变势嚣 第1 i 贞 1 4 钢氧化合物的警逵轾露 莲 h 。0 2o 0 3 圈l 一9 ：8 2 s r 殴0 与结构转变枢关鲍相篷 始出现超导现象 而x = o 1 5 时超导转变温鹰晟高，大约在4 0 k 左右，这 个掺热浓度被称为最佳掺杂；继续增加掺杂爨，超导转变温度逐渐下降， 到。一0 3 0 时，越零毫建瀵失，系统此时被试鸯已经过渡戮爵戳被蠢三露的 费米液体描述的金属态。我们注意到这个粗酶的稆盈包括了正常态越等 态相变，四方正交结构相变，顺磁反铁磁相变，金属绝缘体相变， 费米液体一非费米液体等等不同的转变，而鼠很多物性上的转变都不能用 传统的图像秘理论来攒述，这墩充分说骥了键氯纯会物磺突的复杂缝。熬 体静相图我们在下凡节中详细说明。 羔4铜氧 芝合物的普适相图 因此我们确信可以用一个普通的相图来描迷高温超导体，而不借助于它 们嶷体的结构和特征。图1 1 0 是目前得到公认的可以描述包括掺杂为电 子型的超导体整个掺杂区域黪鞠圈，铁这个鬻魄上节的l a 一2 1 4 多出毂傣 惑怒海瀛超导律不仅在超导区域存在藐骧，帮使在正常态逐存在能豫，这 个能隙态被称为腰能隙态，经过学术界几年的反复争论和研究，对这个腰 第1 2 页 秘赫繁躲 第一章趣导电性的研究避履 匿1 - 1 0 ：锶戴化舍物的蒋透裙匿 能隙惑的钡4 量得到了比较一致的缡果，即过了爨佳掺杂盛，下降得很快， 在茹一o 1 9 ( 空穴型) 时完全消必，对电子型铜氧化台物如网也有类似现 象，这个点蔹髂免鼹予蝰舞, 4 ( q c p ) 。诀谖溪缝隙蜒鞫理莛源实际上已经成 为了了解锈氧笾食秘爱鬻鼗质瓣关疆所在。在这苇我们主簧讨论实验土 认识剐的铜氧化台物相图中存在的比较重要的相。 1 , 4 + 1 反铁磁糖 类似于上节的l a 一2 1 4 ，所肖的铜氧化台物高温超导怵都可以认为 是出发铁磁绝缘体赡母体经掺杂秘改变氧含量形戏躲，瑟蠖是b 系 器丁 系懿高温莲导 零在掺杂嚣城簸乎不存蕊磁性莲壤，璐然蘑器逮魂 用 涞疑换其中的c a 来获得反铁磁相，它们韵母体反铁磁n e d 温度一般 在2 0 0 k 一5 0 0 k ，几个比较典型的例子如l a 2 c u 0 4 t o 为3 0 0 k ，y b a 2 c u 3 0 8 为4 6 0 k ，n 南c u 0 4 梅2 5 0 k 左右。实骏还发聪锶氧匿上彝旋的糕合稷强， 在l 铲一1 0 4 k 熬餐缀，焉被窀裁簿势嚣戆褥氧溪阚戆藕台毖鞍弱，簧鞋嚣 管层间的反铁磁交揆作用非常强，三维朗反铁磁n e e l 温度? 部在1 0 2 k 燮 龉培页 级，低一两个数鬣级，这从一个角度也说明铜氧超导体偬的层间结构不足 以影响层内电子的运动，可以糟作一个准二绒体系，。 还应该注意豹是这些母体化台物都是被成为m o t t 绝缘体的绝缘体而不 是象属，这个特点也是不同与传统能带的。按照能带理论，在单电子近似 下，这些化合物中铜原子由于只有最外层3 d 9 被占据，因此能带是半填满 斡，囊茈裹涅越警髂夔母体应该是导体，纛袭理出金属搜，毽是实验又告 诉我们经们是绝缘体。这一矛盾的关键在予锅氧纯台翱感强关联电子体 系，单电子近似的能带理论不仅忽略了电一声子作用还认为电子间的关联 作用也是不重要的，但是在强关联体系，当电子由一个格点运动到另一个 掇点，我稍必须诗及雯一据点憝否疆占据，赛嚣上懿果装鑫摆，电子溺强 烈静库仑撵斥力可能会使能带状态发生弱显褒佬，及这种运动变为在熊溪 上魁不合适的，系统可能变为鲍缘体。从包括了同一格点相反自旋电子之 间的大小为u 的排斥势后建立的h u b b a r d 模型出发，利用g r e e n 函数理论。 可以发理在u u 熬对候，泡予关联馋鼹馒黢繁在费米级娃发生分裂， 形成了黼个子带，一个被竞全填满，焉一个跫空带，槛们之闻的距离的蹙 级被u 的大小决定