（凝聚态物理专业论文）bi2212体系层间耦合与超导电性.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 f 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 具有重大意义，因此一直是深受全世界瞩目的研究热点之一。对超导机制的深入 研究可以加深我们对强关联电子体系中相互作用的理解，而涡旋物质则为我们研 究软凝聚态系统的性质提供了一个理想模垂哆珠论文通过对具有不同层间耦合强 度的b i 2 2 1 2 体系单晶样品的研究，讨论了呈! 丝! ! 签墨中的星里查睑对遂望塾垄 堂i 王盏的影响和该体系的塑曼皇丝。论文的内容共分六章，每章的主要内容分别 概括如下： 第一章是综述部分6 庄要对高温超导体中的微观电子相分离，膺能隙及其产 生机理，c u 0 2 层间耦合对其性质的影响这三个方面的研究现状作了一个简单而 较全面的介绍。p 第二章介绍了采用助熔剂法生长p b 、p r 双掺杂b i 2 2 1 2 系列单晶的详细过程， 并应用工一射线衍射和电子衍射对单晶的结构进行了表征，应用x 射线能谱分析确 定了单晶的实际组分，是后续研究工作的基础。 第三章中通过磁场下输运测量和磁测量研究了具有不同层问耦合强度 b i 2 2 1 2 单晶的不可逆线和临界电流。【对h h c 的输运测量研究表明，虽然样品的 界面势垒对测量结果存在明显的影响，但通过实验数据的分析，得到的样品各向 异性常数与其它实验得到的结果是相近的。对h j - c 的输运测量发现，不可逆线 在外场约为2t 时存在温度依赖关系的渡越行为，提出它可能与涡旋物质的结构 变化有关，并伴随着损耗机制的改变。高场下的损耗主要来源于涡旋弯折在c u 0 2 面内的扩张。从磁测量得到的临界电流密度数据表明，随着样品层间耦合的增强， 临界电流密度明显增大。同时发现电流密度与磁场间存在指数关系，表明样品中 的钉扎势垒与电流密度之间存在对数关系。j 一 第四章对b i 2 2 1 2 单晶样品不同磁场下的磁化曲线进行了系统的研究在高 l 温可逆磁化区域，利用考虑了涡旋涨落效应修正的l o n d o n 模型得到b i 2 2 1 2 超导 体面内穿透深度屯6 ( t 回。发现五砷( l 团与磁场日满足指数关系，在4 0 6 0k 温 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 度范围内与温度r 满足平方关系，并讨论了磁场下五口6 仍功的非线性非局域效应。 在接近不可逆点的可逆磁化区域，观察到磁化强度曲线上的第二转变台阶，发现 转变温度和转变宽度都随磁场的增大而下降，提出它可能与不同涡旋液态的二级 相变有关。 第五章研究了p r 掺杂b i 2 2 1 2 单晶中p r 离子对超流密度纵o ) 的抑制作用和 样品中准粒子之间的相互作用。f 从样品的磁化曲线第二峰场妇得到零温下的面 内穿透深度五曲( 0 ) ，在此基础上讨论了p r 掺杂对b i 2 2 1 2 单晶中超流密度岛( o ) 的 抑制作用，发现与修正后的脏d 波超导体模型比较符合。同时还研究了欠掺杂区 域中p r 掺杂b i 2 2 1 2 单晶中卢“0 ) 与您间的关系，发现e m e r y 等提出的超导相位 涨落模型不能说明实验结果，认为杂质散射激发的准粒子与热激发准粒子之间存 在相互作用，导致低温下准粒子热激发速率的下降叩 第六章对p r 和g d 掺杂b i 2 2 1 2 系列单晶样品的声子r a n l a n 散射谱进行了研 究。f 发现o ( 2 ) s ，a i g 声子模随p r 、g d 掺杂而软化，而o ( 1 ) c ub 1 9 声子模随p r 掺 杂而软化，随g d 掺杂则发生硬化。c a 位的平均离子半径的变化可以说明0 ( 1 ) c 。 b l g 声予频率随掺杂的变化，而对o ( 2 ) s ，a l g 声予频率则几乎没有影响。0 ( 2 ) s ，a l g 声子模随掺杂的软化主要是由于b i o 双层的收缩而导致的。由于b i o 双层的结 构不仅是o ( 2 ) s ra l 。声子频率变化的原因，而且也是单晶c 轴长度和调制波矢舶 变化的原因，实验中发现它们之间存在比较简单的线性关联。， 主里型堂垫垄查堂堡主堂堡垒銮 塑兰 a b s t r a c t h i g ht 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 yi so n eo f t h ew o r l d w i d eh o t t o p i c sb e c a u s eo f i t si m p o r t a n c eo nb a s i cr e s e a r c h e sa sw e l la sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s t h ed i s c u s s i o n s o nt h em e c h a n i s mo fs u p e r c o n d u c t i v i t yc a l l i m p r o v eo u ru n d e r s t a n d i n g so nt h e i n t e r a c t i o n si nt h es t r o n gc o r r e l a t e de l e c t r o ns y s t e m ，a n dt h ev o r t e xm a t t e rp r o v i d e su s a ni d e a lm o d e lt od i s c u s st h ep r o p e r t i e si n s o f tc o n d e n s e dm a t t e rs y s t e m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e i n f l u e n c eo fi n t e r l a y e r c o u p l i n g o nv o r t e x d y n a m i c sa n do t h e r p r o p e r t i e s i nb i 2 2 1 2s y s t e mi sd i s c u s s e db yu s i n gc r y s t a ls a m p l e sw i t hd i f f e r e n t i n t e r l a y e rc o u p l i n gs t r e n g t h t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fs i xc h a p t e r sa n dt h em a i n r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： i n c h a p t e ro n e ，as u r v e yo nt h em i c r o s c o p i ce l e c t r o np h a s es e p a r a t i o ni nh i g l l t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s ，t h ep s e u d o - g a pa n di t so r i g i n si nc u p m t e s ，a n dt h e i n t e r l a y e rc o u p l i n g a n di t si n f l u e n c e so n s u p e r c o n d u c t i n gp r o p e r t i e s i no x i d e s u p e r c o n d u c t o r s i sg i v e n i nc h a p t e rt w o ，t h ed e t a i l so ft h ec r y s t a lg r o w t hi np b ，p rd o p e db i 2 2 1 2s y s t e m b y s e l f - f l u xm e t h o da r eg i v e n n ec r y s t a l sa r ec h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o na n d e l e c t r o nd i f f r a c t i o n ，a n dt h ea c t u a lc o m p o s i t i o no ft h ec r y s t a l si sd e t e r m i n e db ya n x - r a ye n e r g yd i s p e r s i v ea n a l y s i s t h i si st h eb a s e f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r k s i nc h a p t e rt h r e e ，t h ei n f l u e n c e so f i n t e r l a y e rc o u p l i n gs t r e n g t ho ni r r e v e r s i b i l i t yl i n e a n dc r i t i c a lc u r r e n td e n s i t yi nb i 2 2 1 2s y s t e ma r ed i s c u s s e db yt r a n s p o r ta n dm a g n e t i c m e a s u r e m e n ti nd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l d s i ti sw e l lk n o w nt h a tt h ei r r e v e r s i b i l i t y l i n e ( i l ) m e a s u r e db yt r a n s p o r td e p e n d so nt h es u r f a c eb a r r i e rp i n n i n ga sw e l la s i n t e r l a y e rc o u p l i n gs t r e n g t h i nh c c o n f i g u r a t i o n h o w e v e r , t h ea n i s o t r o p y p a r a m e t e ro f t h es a m p l e sc o n s i s t e n tt ot h eo t h e re x p e r i m e n t a lr e s u l t si so b t a i n e db y f u r t h e r a n a l y s i so ft h e d a t a i ti sf o u n dt h a tt h e r ei sat e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e c r o s s o v e ra r o u n d2ti ni li n j _ cc o n f i g u r a t i o n , a n di t m a yb er e l a t e dt ot h e s t r u c t u r ec h a n g e so fv o r t e xm a t t e r , a c c o m p a n y i n gb yt h ec h a n g e so ft h ee n e r g y d i s s i p a t i o n m e c h a n i s mi nt h e s u p e r c o n d u c t o r s t h ee n e r g yd i s s i p a t i o ni nt l i g h m a g n e t i c f i e l d r a n g e i sc a u s e d b yt h ee x p a n s i o no ft h e v o r t e xk i n k si n c u 0 2 s u p e r c o n d u c t i n gp l a n e f r o m t h ec r i t i c a lc u r r e n t d e n s i t y o b t a i n e d b ym a g n e t i c m e a s u r e m e n t ，i ti sf o u n dt h a tt h ec r i t i c a lc u r r e n td e n s i t yi n c r e a s e sr a p i d l ya st h e i n t e r l a y e rc o u p l i n gs t r e n g t h i n c r e a s e s t h ec r i t i c a lc u r r e n t d e n s i t yd e p e n d s 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 e x p o n e n t i a l l yo nm a g n e t i cf i e l d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h e r ei s al o g a r i t h m i cp o t e n t i a l w e l lu i nb i 2 2 1 2c r y s t a l s i nc h a p t e rf o u r , t h em a g n e t i z a t i o nc u r v e so fb i 2 2 1 2c r y s t a l si nd i f f e r e n tm a g n e t i c f i e l d sa r e s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d i nh i g ht e m p e r a t u r er e g i o n ，t h ei n - p l a n e p e n e t r a t i o nd e p t h 鼬( l 印i s e x t r a c t e df r o mr e v e r s i b l em a g n e t i z a t i o nc u r v e sb y u s i n g t h ev o r t e xf l u c t u a t i o nm o d e l ，a n di ti sf o u n dt h a t 五西( t 劢d i s p l a y saq u a d r a t i c t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eb e t w e e n4 0 6 0 ka n dt h ef i e l d d e p e n d e n c eo f 厶6 ( l 功 o b e y sap o w e rl a w t h en o n l i n e a r - n o n l o c a le f f e c to f 厶6 ( l 仞i n d i f f e r e n tm a g n e t i c f i e l d si sa l s od i s c u s s e d i ti so b s e r v e dt h a tt h e r ei sas e c o n dt r a n s i t i o ns t e pi nt h e m a g n e t i z a t i o n c u r v e sa b o v et h ei r r e v e r s i b i l i t yp o i n t ，t h es e c o n dt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e a n dt r a n s i t i o nw i d t hd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gm a g n e t i cf i e l d t h i st r a n s i t i o ni sr e l a t e d t ot h es e c o n do r d e r p h a s e t r a n s i t i o nb e t w e e nt w od i s t i n c tv o r t e xl i q u i d s i nc h a p t e rf i v e ，s u p e r f l u i dd e n s i t y s u p p r e s s i o no f p r i o na n d q u a s i p a r t i c l ei n t e r a c t i o n i np rd o p e db i 2 2 1 2s i n g l ec r y s t a l sa r ed i s c u s s e d f r o mt h ez e r ot e m p e r a t u r ei n - p l a n e p e n e t r a t i o nd e p t h 如( o ) e x t r a c t e df r o mt h es e c o n dp e a kf i e l d 岛pi nm a g n e t i z a t i o n c u r v e s ，s u p e r f l u i dd e n s i t ys u p p r e s s i o n o f t h e d o p e d p ri o ni sd i s c u s s e da n di ti sf o u n d t h a tt h er e s u l t sf i tb e t t e rt ot h em o d i f i e dd i r t yd - w a v em o d e lt h a nt h eu s u a lm o d e l t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es u p e r f l u i dd e n s i t ya n dc r i t i c a lt e m p e r a t u r ei sa l s od i s c u s s e d i nu n d e r d o p e dr e g i o na n do n ef i n d st h a tt h ep h a s ef l u c t u a t i o nm o d e lc a l ln o ta c c o u n t f o rt h ec r i t i c a l t e m p e r a t u r e i np rd o p e db i 2 2 1 2 s y s t e m ，w h i c hm a yd u e t ot h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et h e r m a l l ye x c i t e dq u a s i p a r t i c l e sa n dt h ei m p u r i t ys c a t t e r i n g i n d u c e d q u a s i p a r t i c l e s i nc h a p t e rs i x ，t h ep h o n o nr a m a ns p e c t r ao fp ra n dg dd o p e db i 2 2 1 2 s i n g l e c r y s t a l sa r es y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a to ( 2 ) s ra l g m o d es o f t e n sw i t hp ra n dg dd o p i n g ，w h i l et h eo ( 1 ) c ub i gm o d es o f t e n s 、 ，i t hp r d o p i n g b u th a r d e n sw i 廿lg d d o p i n g t h ec h a n g e s o f a v e r a g ei o n i cr a d i u si nc a s i t ei n b i b a s e dc u p r a t e sc a nw e l la c c o u n tf o rt h er a m a n f r e q u e n c ys l i i f t so ft h eo ( t ) c u m o d e ，b u ti th a sl i t t l ei n f l u e n c eo n t h eo ( 2 ) s ra l gm o d e t h ef r e q u e n c ys o f t e n i n go f t h eo ( 2 ) s rm o d ei np ra n dg dd o p e db i 2 2 1 2c r y s t a l s m a i n l yr e s u l t s f r o mt h e c o n t r a c t i o no ft h eb i o b i l a y e r sw i t hd o p i n gc o n t e n t b o t ho f ca x i sp a r a m e t e ra n d i n c o m m e n s u r a t em o d u l a t i o nw a v e l e n g t ha r ef o u n dt oc o r r e l a t et ot h eo ( 2 ) s rm o d e f r e q u e n c y b e c a u s ea l lo f t h e m m a i n l y r e s u l tf r o mt h ec o n t r a c t i o no f b i o b i l a y e r s 致谢 本论文是在导师李晓光教授的悉心指导和帮助下完成的。在我整个研究生学 习期间，导师学术上的严格要求和孜孜不倦的教诲，生活上的关怀备至，使我能 顺利地完成博士论文的工作。同时导师献身科学的精神和严谨的治学态度也是我 今后工作中学习的榜样。在此谨向导师表示最衷心的感谢。 吴文彬教授在b i 2 2 1 2 单晶生长方面曾给予指导并帮助测量了单晶成分：李 广副教授，阮可青副教授在实验方面给予了很多的帮助，在此也表示我对他们的 深深谢意。 在论文完成的过程中，得到了曹烈兆教授，汪成友副教授，周贵恩教授，贾 云波老师，李凡庆副教授，刘先明副教授，许存义教授，左键副教授，石磊教授， 陈林副教授等的支持和帮助。中科院物理所靳常青研究员和刘振兴副研究员在磁 测量方面给予了支持和帮助：中科院等离子体所强磁场实验室方军副研究员在磁 场下输运测量方面也给予了大力帮助。在此也一并表示感谢。 感谢本实验室其他同学的合作与帮助，王晶，马杰同学在实验方面给予了很 大的帮助，刘峰同学帮助绘制了一些插图，与周海东，时亮，许献云，郑仁奎， 刘勇，屈继锋等同学进行了有益的讨论。同时还要感谢实验室的所有老师和同学， 他们让我三年的紧张学业增添了许多轻松和乐趣。 感谢所有帮助过我的老师和同学们。 最后还要感谢我的亲人们，特别是妻子对我工作的理解和支持，他们的支持 是我完成学业的巨大动力。 冯双久 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 第一章高温超导体研究进展文献综述 自1 9 8 6 年b e d n o r z 和m a i l e r 首先发现l a - b a c u - o 体系具有超导电性【l 】以 来，铜氧化物高温超导体因为在基础研究和应用前景方面都具有重大意义而得到 广泛深入的研究。经过十多年的研究，人们对此类材料的认识更加深入，与此同 时也存在许多问题有待进一步的深入研究。随着研究的深入，高温超导电性的研 究内容变得相当广泛。在此我们只对高温超导研究的以下三个方面作一个简单的 介绍：l 、高温超导体中的微观电子相分离；2 、高温超导体中的膺能隙及其产生 机理：3 、高温超导体中的c u 0 2 层间耦合对其性质的影响。 1 1 高温超导体中的微观电子相分离 1 1 1 欠掺杂超导体中的微观电子相分离 欠掺杂高温超导体中的微观电子相分离研究在实验上刚发现高温超导体时 就开始了，而且最早始于理论研究 2 5 。常见的高温超导体系如l a - s v c u - o ， y - b a c u o ，b i s v c a c u o ，h g b a s v c u - o 和t i b a - s v c u o 等都是空穴掺杂型 超导体，不掺杂的母相都是具有反铁磁序的绝缘相。当体系中引入少量的空穴载 流子后，如果空穴载流子均匀分布在体系中，反铁磁有序态将被破坏，引起体系 中总能量的提高；反之如果空穴载流子集中在一个小的区域以保证大部分区域的 反铁磁序存在，则载流子的c o u l o m b 作用势的增大对体系总能量的降低同样是 不利的。由于反铁磁有序与c o u l o m b 作用势的相互竞争，在具有完全理想晶格 的超导体中载流予分布也是不均匀的，以使得体系的总能量保持最低。这样在空 穴浓度较低时，也就是处于欠掺杂区时，超导体中的一些区域是空穴掺杂的，而 另一些区域是相对没有掺杂的，这就形成了两种电子序超导和非超导在 超导晶体中不同纳米区域内共存的情况。如果j o s e p h s o n 隧道效应将超导区域耦 合起来，则超导体就显示出颗粒超导性 6 ，7 。 对于具有非完全理想晶格的超导体，其它一些原因也会引起其中的微观电子 相分离。例如不同价态杂质离子的替代。出于高温超导体是强关联体系，对杂质 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 离子的电荷屏蔽比较弱，这样在杂质离子周围就会引起静电势的涨落，从而影响 到载流子在晶格中的分布而引起相分离 7 1 0 。同时材料晶格中的一些不相关的 无序结构同样也会引起晶格中静电势分布的涨落 1 1 。1 4 ，从而导致载流子分布 不均匀而产生微观相分离。 对于欠掺杂高温超导体中相分离的直接实验观察，主要依赖于扫描隧道显微 镜谱( s t m ，s ) 的实验结果。由于b i 系单晶很容易沿b i o 层解理，而且新鲜解 理面具有非常好的平整度，许多s t m s 实验都是在高质量的b i 2 s r 2 c a c u 2 0 8 + 6 ( b i 2 2 1 2 ) 单晶上进行的。l i u 等 1 5 首先用s t m 观察了低温下b i 2 2 1 2 单晶表面 不同位置的隧道电导谱，结果如图1 - 1 所示。从图中可以发现，在三个位置上观 察到能隙结构，另一个位置上则不存在能隙结构。他们把不存在能隙结构的电 b i a s ( v ) 图1 - 1b i 2 2 1 2 单晶表面四个代表性点的真空隧道电导谱插图显示的是隧 道电流分别为2 0 ，4 0 和1 0 0 n a 时的伏安曲线取自文献【1 5 】 导谱归因于是沿c 轴方向的隧道电导谱。同时也应该注意，具有能隙结构的三个 电导谱也有区别，有的完全没有超导相干峰，更近似于鹰能隙谱。c h a n g 等 1 6 和c r e n 等 1 7 3 在b i 2 2 1 2 单晶和薄膜中都观察到随着s t m 探针在单晶或薄膜的 曲面内移动时，得到的超导能隙大小随位置的变化而发生改变，图1 2 所示是 c r e n 等 1 7 】得到的实验结果。对于这样的实验结果，c h a n g 等 1 6 将其归因于可 2 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 能是不同位置b i o 层的导电机制的变化而导致的结果。而c m n 等 1 7 则认为是 由于薄膜中存在无序结构，形成了小部分的超导区域与占主导地位的半导体区域 共存。在半导体区域中观察到类似膺能隙的准粒子谱，认为无序对超导电性的破 坏可能与磁场或热涨落类似。如上的实验结果实际上都可以用欠掺杂超导体中的 微观电子相分离来很好地解释。 图1 - 2b i 2 2 1 2 薄膜的s t m 隧道电导谱随位置变化的三维视图 可以观察到从超导区向膺能隙区的过渡取自文献【1 7 】 另外通过s t m s 还观察到在b i 2 2 1 2 单品中存在具有超导谱的纳米区域和具 有膺能隙谱的纳米区域共存 6 ，1 8 ，这些都证明了超导体中存在褶分离。 最直接的实验证据来自于p a n 等 8 和l a n g 等 1 9 的实验结果。p a n 等 8 采用低温s t m s 研究了b i 2 2 1 2 单晶中局域态密度和超导能踩大小的空间分布情 况，发现它们都是随位胃而发生变化的，表明电子在材料中的分布是不均匀的。 同时通过纯b i 2 2 1 2 单晶和z n 替代b i 2 2 1 2 单品的对比研究发现，两者的实验结 果完全相同，表明这种电子分布的不均匀性并不是由杂质引起的。对s t m s 的 结果进行空间求平均，可以得到与角分辨光电子发射能谱( a r p e s ) 实验得到的 相同的最大能隙值和能隙对掺杂的依赖关系。a r p e s 测量的是动量空间的电子 激发谱，是一种平均结果。两者的致性也表明s t m s 的实验结果是可靠的。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 作者埘实验结果采用局域掺杂浓度模型( l d c ) 来解释：掺杂氧的电荷势改变了局 域电子环境，而这种势能在载流子之问距离的尺度上屏蔽很弱，使电子在超导体 中趋于不均匀分布 7 。这种解释与前面讨论的微观相分离的描述是一致的。l a n g 等 1 9 则通过欠掺杂和稍微过掺杂的b i 2 2 1 2 单晶样品的低温s t m s 结果的对比 研究发现，欠掺杂超导体中的能隙分布的起伏很大，而过掺杂样品中的能隙分布 起伏明屁小了很多，如图1 3 所示。此实验结果表明，欠掺杂超导体中存在有尺 度为3n m 的超导畴结构，单晶超导体具有颗粒超导电性。 图1 - 3 欠掺杂( a ) 和直接生长( b ) b i 2 2 1 2 单晶的典型能隙图， 颜色越深，表明能隙越大图示的尺寸为5 6 0 1 x 5 6 0 , 取自- 文- 献0 9 另外，欠掺杂超导体中的相分离也可以采用其它办法来研究。例如测量单晶 超导体的磁化强度时。可能会测量到对应丁颗粒超导畴之间建立起1 0 s e p h s o n 耦 合而埘应的转变。在磁场下测量超导单品的电阻一温度曲线时，由于颗粒超导畴 之间的j o s e p h s o n 耦合可能会被磁场所破坏应该可以测量到对应于颗粒超导体 的零场临界温度下的电阻损耗峰等。 综上所述，欠掺杂高温超导体中存在本征不均匀性已经得到理论说明和实验 验证并且是一个被广泛接受的观点。 1 1 2 过掺杂超导体中的微观电子相分离 基于反铁磁有序与c o u l o m b 作用势相互竞争的相分离机制在空穴掺杂浓度 较大时就不再有效。因为样品中的载流子浓j 堂增大将完全破坏材料中的反铁磁有 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 序，因此也就不存在反铁磁有序与c o u l o m b 作用势相互竞争了。基于此种机制 的相分离在稍过掺杂的超导样品中就观察不到了。 实验方面，在过掺杂区域观察到的一些实验现象也被归因于超导体中的微观 相分离。w e n 等 2 0 2 2 在此方面做了一系列的实验工作。他们在l a 替代的过掺 杂b i 2 s r 2 c u 0 6 十6 ( b i 2 2 0 1 ) 单晶中观察到磁化强度曲线的第二转变，并且发现这种 转变对应的磁场对温度的依赖关系可以很好地由超导颗粒间的j o s e p h s o n 耦合来 描述，因此他们将磁化强度曲线上观察到的第二转变归因于过掺杂超导体中的相 分离 2 0 。同时他们通过具有相近临界温度的过掺杂和欠掺杂l a 2 x s r x c u 0 4 ( l a 2 1 4 ) 单晶的对比研究发现，在过掺杂样品中观察到埘n 曲线的第二转变，而 欠掺杂样品中则没有这种转变，此结果进一步证明在过掺杂超导体中存在相分离 2 1 。另外他们还在l a 替代的过掺杂b i 2 2 0 1 单晶样品磁场下的r r 曲线上观察 到零场临界温度下的电阻损耗峰，这是颗粒超导体的特征，也可以由微观相分离 来给予解释 2 2 。t a l l o n 等 2 3 3 分析了l a 2 1 4 和t 1 2 b a 2 c u o 臼- s ( t 1 2 2 0 1 ) 体系的介 子自旋共振弛豫( “s r ) 实验数据，认为在过掺杂超导体中可能存在超导相和富空 穴的金属相的动态相分离。另外一些其它实验结果，如核磁共振( n m r ) 2 4 ， 也表明过掺杂超导体中可能存在微观相分离现象。 p ( h o l e sp e rc u 0 2p l a n e ) 图l 一4 归一化熵( s ，d 玷( 实线和十字) 、超导凝聚能砺( 虚线和星) 和m 对空穴浓度的依赖关系( s t ) 乇和u o 从( y , c a ) 1 2 3 比热数据中得到，m 从 ( y , c a ) 1 2 3 ( 圆圈) 和t 1 1 2 1 2 ( 实三角) 的“s r 实验中得到取自文献【2 8 】 p-1，一03一nsc dilm#jj。c 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 最近u e m l l r a 提出了一个过掺杂超导体中微观相分离的唯象模型【2 5 。已有 的实验结果表明，在欠掺杂区域，超导体中的超流密度与c o o p e r 对有效质量的 比值成m 是随体系中的空穴浓度p 的增加而线性增大的，这就是所谓的 “u e m l l r a 关系” 2 6 ，2 7 。当p = 0 1 9 时，成m 达到最大，并随p 的进一步增 大而下降 2 8 ，如图1 - 4 所示。同时膺能隙温度丁也在p = o 1 9 时减小到零 2 9 。 u e m u r a 2 5 类比于4 h e 3 h e 与氧化铝粉末混合物的结果 3 0 ，提出在过掺杂超 导体中，会形成超导区域和富空穴的正常金属区域共存的状态，产生这种相分离 的动力来源于超导凝聚能与c o u l o m b 相互作用势能的竞争。如果产生相分离后 增加的c o u l o m b 作用势e c 。小于超导凝聚能艮，则体系产生相分离而形成 超导相与正常金属相共存将使得体系的总能量更小。由此给出的高温超导体的相 图如图1 5 所示。 x m i n o p t c m 0 h o l ec o n c e n t r a ti o n 图1 - 5 高温超导体的相图插图所示是过掺杂区的微观相分离图像取自文献f 2 5 】 根据此模型，在过掺杂区域，超导体中的载流子一部分凝聚成超导载流子， 另一部分仍然是正常态载流子，并且超导载流子密度在p o 1 9 后就不随p 的增 6 u jn鼍qe。jde卜 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 大而改变了，这样就很容易解释了为什么几m 在p o 1 9 后随p 的增大而下降 的实验结果。至于这种相分离是动态的还是静态的仍不清楚。 总之，对过掺杂超导体的微观相分离的研究，目前只有一些间接的实验证据。 对这种相分离是否存在仍有争论。如果它是静态的相分离，可以由s t m s 实验 结果来给予证实，而动态相分离的证实会更困难一些。 1 2 高温超导体中的膺能隙及其产生机理 高温超导体与传统超导体不同的一个显著特征是高温超导体中存在膺能隙， 即在l 涵界温度危以上f e r m i 面附近的单粒子激发谱中就有能隙打开。高温超导 体的膺能隙已被众多的实验结果所证实，但关于膺能隙的产生机理以及它与超导 能隙之间的关系目前依然没有定论。此处我们对高温超导体中膺能隙的实验观察 和可能的产生机理作一些介绍。 1 2 1高温超导体中膺能隙的实验观察 传统超导体的b c s 理论 3 1 预言了超导体的f e r m i 面附近存在超导能隙， 并且被单电子隧道实验所证实 3 2 。但对高温超导体，在它被发现之后的很长一 段时间都观察不到超导能隙结构。现在知道导致这种结果的主要原因是高温超导 体的序参量是d 波对称的，对单粒子激发的抑制是不完全的 3 3 ，3 4 。在高温超 导体中观察到超导能隙结构后，同时还发现，当温度上升到死以上时，能隙结 构在一些高温超导体中依旧存在，这就是所谓的膺能隙。 在膺能隙的概念没有被提出以前，已有许多异常实验结果被观察到，并且可 以用膺能隙给予很好的解释。例如，高温超导体的直流电阻率的测量发现，最佳 掺杂超导样品的电阻率一温度曲线在很宽的温度范围内都是一条直线，但在欠掺 杂超导样品中却发现，在以上的某一温度点r ，电阻率曲线偏离了高温下的 线性关系。图1 - 6 是b u c h e r 等 3 5 在y b a 2 c u 4 0 8 + 6 ( y 1 2 4 ) 中测量得到的实验结 果。其中的一种解释就是由于膺能隙在，点打开，载流子的散射减少导致电阻 率偏离线性而加快下降 3 6 。其他的一些实验结果，如核磁共振( n m r ) 3 7 3 9 ， 比热测量 4 0 ，4 1 ，光电导 4 2 ，4 3 ，电子r a m a n 散射 4 4 ，4 5 和中子磁散射 4 6 ，4 7 等都间接证实了欠掺杂超导体中存在膺能隙。 而对膺能隙直接实验观察的证据来源于高温超导体的角分辨光电子发射谱 ( a r p e s ) 和隧道谱测量，因为它们可以直接观察到f e r m i 面附近单电子态密度 7 中国科学技术大学博士学位论文 第一章 丁e m p e r a t u r e ( k ) 图1 - 6 y 1 2 4 样品的电阻率一温度曲线，在巧附近样品电阻率偏离高温区的 线性关系取自文献【3 5 】 随能量和动量的分布情况而直接给出能隙结构的信息。l o e s e r 等 4 8 以及d i n g 等 4 9 利用a r p e s 发现在欠掺杂b i 2 2 1 2 单晶样品的正常态也存在能隙结构，并 且这种能隙在动量空间的分布与超导能隙是相似的，也具有d 一波对称性。这种能 隙只出现在欠掺杂超导样品中，在最佳掺杂的样品中膺能隙出现的起始温度r 已接近于超导转变温度t c 。h a r r i s 等 5 0 则通过a r p e s 发现欠掺杂超导体膺能 隙的大小随空穴掺杂浓度的增加而减小，这与b c s 理论给出的能隙与成正比 关系正好相反。w h i t e 等 5 1 则利用a r p e s 研究了过掺杂样品的能隙结构，发 现过掺杂b i 2 2 1 2 样品中，超导能隙大小并不随死的下降而减小，这是同b c s 理论的结果相矛盾的；而在正常态则没有观察到能隙结构，表明过掺杂样品中不 存在膺能隙。 高温超导体的隧道谱一般用扫描隧道显微镜( s t m ) 探针放在超导样品表面 一定的位置得到超导一绝缘体一金属( s i n ) 的真空隧道谱或是由两块新解理的超 导样品表面贴在一起形成超导一绝缘体一超导( s i s ) 的破结隧道谱。t a o 等 5 2 3 最 早在正常态b i 2 2 1 2 样品s i n 结的隧道电导中发现了类能隙的电导抑制，在超导 态他们也发现了以前报道的超导能隙结构。r e n n e t 等 5 3 通过s t m 测量了 b i 2 2 1 2 单晶表面的s i n 隧道电导谱，发现在样品的均匀区域，隧道谱是独立于 样品到探针的距离的。图1 7 是他们的实验结果。从中可以发现恐以下零偏压 下出现了电导抑制，在正负偏压两侧都观察到了电导峰值( 超导相干峰) ；同时在 咒以上，超导相干峰消失，但在零偏压附近存在一碗状电导抑制，他们首次把 这种结果归因于超导膺能隙的存在。 8 基u h工v卜一一卜一叫匣 中国科学技术大学博士学位论文第一章 1 5 l 。o o 5 _ 4 2 k 4 6 4 k 6 3 3 k 7 6 o k 8 0 9 k 8 4 0 k 8 8 。9 k 9 8 4 k 1 0 9 0 k 1 2 3 0 k 1 5 1 o k 1 6 6 6 k 1 7 5 o k 1 8 2 。o k 1 9 4 8 k 2 0 2 2 k 2 9 3 2 k 2 0 0一1 0 001 0 02 0 0 v s 删。 n l v 】 图1 - 7 s t m 测量得到的欠掺杂b i 2 2 1 2 单晶样品( 疋= 8 3 k ) 不同温度下的 s i n 隧道微分电导谱取自文献【5 3 】 综上所述，高温超导体的单粒子激发谱中存在膺能隙已是一个不争的事实， 而且膺能隙只存在于欠掺杂超导体和稍微过掺杂超导体中，重过掺杂超导体中不 存在膺能隙 5 4 。 1 2 2 膺能隙的产生机理及争论 关于高温超导体膺能隙产生的机理，目前已经提出了许多模型，但主要有以 下的三种模型。 1 载流子预配对模型该模型最早可以追溯到u e m u r a 等 2 6 和r a n d e r i a 9 fan)jp：ip 中国科学技术火学博士学位论文 第一章 等 5 5 的早期工作。e m e r y 和k i v e l s o n 5 6 提出在欠掺杂超导体中，由于载流子 密度很低，超导临界温度是由正比于超导载流子密度a 的相位劲度( p h a s e s t i f f n e s