（材料学专业论文）低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究.pdf

广珏大学硕士学位论文低温下铜氧化物超导体微结 句的正电子湮没研究 低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 摘要 本文测量了y b a 2 c u 3 x m x o t ；i f lb i l 6 p b o 8 s r 2 c a 2 c u 3 。m 。0 y 系超导体分别掺 g a 和掺z n 后的符合正电子湮没辐射d o p p l e r 展宽谱，掺劢和掺g a 的b i 系超导体在降温( 温度从2 9 5 k - 3 0 k ) 过程中的正电子寿命谱，实验结果表 明： 在y b a 2 c u 3 x z n x 0 7 系样品中，z n 原子优先占据c u 0 2 平面上的c u ( 2 ) 位，随着z n 掺入量的增多，正电子与3 d 电子湮没的概率增加，w 参数升 高。在y b a 2 c u 3 。g a x 0 7 系样品中，g a 原子优先替代c u - o 链上的c u ( 1 ) 位，随着g a 掺入量的增多，正电子与3 d 电子湮没的概率下降，w 参数减 小。 y b a 2 c u 3 。z n 。0 7 的超导转变温度t c 随掺z n 量的增加而下降，当掺z n 量为x = 0 ，x = 0 1 2 和x = 0 2 4 时，超导体的t c 分别为t c - - - 9 0 k ，t e = 7 6 k 和 t c = 3 0 k 。y b a 2 c u 3 。g a x 0 7 的超导转变温度t c 也随掺g a 量的增加而下降， 当掺g a 量为x = 0 ，x = 0 1 2 和x = 0 2 4 时，超导体的t c 分别为t c - - - 9 0 k ，t e = 8 0 k 和t c = 6 0 k 。在y b a 2 c u 3 x z n x 0 7 中掺入z n ，超导转变温度t c 下降的幅度较 大；在y b a 2 c u 3 。g a x 0 7 中掺入g a ，超导转变温度t c 下降的幅度较小。 在b i l 6 p b o 8 s r 2 c a 2 c u 3 - x m x o ，系样品中，g a 原子和z n 原子都将替代c u 0 2 平面上的c u 位。对b i l 6 p b o 8 s r 2 c a 2 c u 3 x g a x o 。系样品，随着g a 掺入量的增 多，正电子与3 d 电子湮没的概率下降，w 参数减小。对 广西大学硕士学位论文低温下锟氧化物超导体微结构的正电子淫没研究 b i l 6 p b o 8 s r 2 c a 2 c u 3 x z n 。o 。系样品而随着z n 掺入量的增多，正电子与3 d 电 子湮没的概率增加，w 参数舞高。 b i l 6 p b o 8 s r 2 c a 2 c u s x g a x o y 的超导转变温度t c 随掺g a 量的增加而下降， 当掺g a 量为x = 0 ，x = 0 3 0 和x = 0 ，6 0 时，超导体的t c 分别为t c = i1 0 k ，t c = 6 5 k 和t c = 6 0 k 。b i l 6 p b o 8 s r 2 c a 2 c u 3 x z n x o y 的超导转变温度t c 也随掺z n 量的增 加而下降，当掺z n 量为x = 0 ，x = 0 1 5 和x = 0 6 0 时，超导体的t c 分别为 t c = 1i o k ，忙1 0 5 k 和t c 匈5 k 。在b i l 6 p b o s s r 2 c a 2 c u 3 。g a l x o ，中掺入g a ， 超导转变温度t c 下降的幅度较大；在b i l 6 p b 0 8 s r 2 c a 2 c u 3 _ x z n 。0 ，中掺入z n ， 超导转变温度t c 下降的幅度较小。 通过分析掺z n 和掺g a 的b i 系超导体在降温( 温度从2 9 5 k 3 0 k ) 过 程中的正电子寿命谱，结果表明： 超导体在降温的过程中，由于热膨冷缩效应使得基体和缺陷处的电子 密度整体性升高。但在超导临界温度转变点t c 附近，由于发生了正常态到 超导态的转变，这种转变明显改变了高温超导体的电子态。随着温度的降 低，当超导体的温度接近t c 时，超导体中的自由电子形成库柏对，使得基 体以及缺陷处的自由电子密度降低，t i ，t ：和t 。值升高。在转变温度点 t c ，t l ，色和百m 出现一个峰值，而自由电子密度n b 出现了极小值。 未掺杂样品b i l 6 p b 0 8 s r 2 c a 2 c u s o y 具有较高的超导临界转变温度 ( t c = 1 1 0 k ) ，但无论掺入g a 或是z n 元素，对c u 0 2 面c u 位的替代破坏 了超导电性的通道并引起不同程度的晶格畸变都会造成超导体超导临界转 变温度t c 下降。 3 价的g a 离子半径比c u 离子的半径小，而2 价的z n 离子与c u 离子 n 广西大学硕士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 的半径相比，差别不大，所以掺g a 的引起的晶格畸变比掺z n 大。对 b i l 6 p b o3 s r 2 c a 2 c u 3 0 y 超导体掺g a ，破坏了超导体的内在对称性以及超导电 子对的输运，造成临界温度大幅度下降。 在b i 系超导材料中掺入少量的z n ，自由电子密度降低，这是由于z n 原子比c u 原子的自由电子数少；在b i 系超导材料中掺入少量的g a ，材料 基体和缺陷处的电子密度也明显降低。 掺g a 和掺z n 的b i 系超导体具有不同的晶体结构：当g a 含量达到 x = 0 1 5 时，掺g a 的b i 系超导体为四方相；掺z n 的b i 系超导体是正交相。 正交b i 系超导体的超导转变温度t c 通常高于四方b i 系超导体。 关键词：高温超导体正电子湮没3 d 电子d o p p l e r 展宽微观缺陷 变温过程热膨冷缩效应 1 i i 广西大学硕士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 m i c r o s t r u c t u r e so fc u p r a t es u p e r c o n d u c t o ra r l o wt e k 口e r a t u r e ss t u d i e db yp o s i t r o n a n 卜h i l a r i o n a b s t ra c t c o i n c i d e n c ed o p p l e rb r o a d e n i n gs p e c t r ao fp o s i t r o na n n i h i l a t i o nr a d i a t i o n m e a s u r e m e n t sh a v eb e e np e r f o r m e di ny - a n db i s e r i e ss u p e r c o n d u c t o r sd o p e d w i t hz na n dg a p o s i t r o nl i f e t i m es p e c t r af o rb i s e r i e ss u p e r c o n d u c t o r sd o p e d w i t hz na n dg aa tt e m p e r a t u r e sf r o m2 9 5 kt o2 5 kh a v eb e e na l s om e a s u r e d t h e f o l l o w i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d i nt h ey - s e r i e ss u p e r c o n d u c t o r sd o p e dw i t hz n ，z na t o m sp r e f e rt oo c c u p y t h ec u ( 2 ) s i m so nt h ec u 0 2p l a n e s t h ew p a r a m e t e r sa n dt h ep r o b a b i l i t yo f p o s i t r o n 一3 de l e c t r o na n n i h i l a t i o n si n c r e a s ew i t l lz nc o n t e n t i nt h ey - s e r i e s s u p e r c o n d u c t o r sd o p e dw i t hg a ，g aa t o m so c c u p yt h ec u ( 1 ) s i t e so nt h ec u - o c h a i n sa n dr e s u l ti nt h ed e c r e a s e so ft h ew p a r a m e t e r sa n dt h ep r o b a b i l i t yo f p o s i t r o n 一3 de l e c t r o na n n i h i l a t i o n s t h ec r i t i c a l t e m p e r a t u r e s ( t c ) o fy b a 2 c u 3 x z n x 0 7d e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f z nc o n t e n t ，t h et cf o rx = 0 ，x = 0 1 2a n dx = 0 2 4s a m p l e sa r e9 0 1 ( ，7 6 k i v 广西大学硬士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 a n d3 0 k ，r e s p e c t i v e l y t h et co fy b a 2 c u 3 x g a x 0 7a l s od e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo fg ac o n t e n t , t h et ef o rx = o ，x = o 1 2a n dx = 0 2 4s a m p l e sa r e9 0 k 8 0 ka n d6 0 k , r e s p e c t i v e l y t h ed e c r e a s i n gm a g n i t u d eo f r ei ny b a 2 c u 3 x z n x 鸥 w i t ht h ei n c r e a s eo fz nc o n t e n ti sl a r g e rt h a nt h a ti ny b a 2 c u 3 _ x g a x 0 7w i t ht h e i n e a s eo fg ac o n t e n t i nt h eb i s e r i e ss u p e r c o n d u c t o r s ，b o t hg aa n dz no c c u p yt h ec us i t e s0 1 1 t h ec u 0 2p l a n e s i nb i l 6 p b o s s r 2 c a 2 c u 3 x z n x o ys a m p l e s ，t h ew p a r a m e t e r sa n d t h ep r o b a b i l i t yo fp o s i t r o n - 3 de l e c t r o na n n i h i l a t i o n si n c r e a s ew i t hz nc o n t e n t i n b i l 6 p b 0 8 s r 2 c a 2 c u 3 g a ，【o ys a m p l e s ，t h ewp a r a m e t e r sa n dt h ep r o b a b i l i t yo f p o s i t r o n - 3 de l e c t r o na n n i h i l a t i o n sd e c r e a s ew i t l lg ac o n t e n t t h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r e s 。( t c ) o fb i t6 p b 0 s s r 2 c a 2 c u 3 x g a x o yd e c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s eo fc a c o n t e n t ，t h et ef o rx = 0 ，x = 0 3 0a n dx = 0 6 0s a m p l e sa r ell0 k ， 6 5 ka n d6 0 k ，r e s p e c t i v e l y t h et co fb i t 6 1 b o s s r 2 c a 2 c u 3 x z n x o ya l s od e e a s e w i t ht h ei n e a s eo fz nc o n t e n t ，t h et cf o rx = 0 ，x = 0 1 5a n dx _ o 6 0s a m p l e sa r e 11 0 k , 10 5 ka n d9 5 k ，r e s p e c t i v e l y t h e d e c r e a s i n gm a g n i t u d eo ft c i n b i l 6 p b o s s r 2 c a 2 c u 3 x z n x o yw i t ht h ei n c r e a s eo fz nc o n t e n ti sl e s st h a nt h a ti n b i l 6 p b os s r 2 c a 2 c u 3 x g a x o yw i t ht h ei n c r e a s eo fg ac o n t e n t i na n a l y z i n gt h ep o s i t r o nl i f e t i m es p e c t r ao fb i s e r i e ss u p e r c o n d u c t o r s d o p e dw i t hg aa n dz na tt e m p e r a t u r ef r o m2 9 5 k t o3 0 k ，w ec a nc o n c l u d et h a t ： a st h et e m p e r a t u r eo ft h eb i s e r i e ss u p e r c o n d u c t o r sd e c r e a s i n g , t h ef r e e e l e c t r o n i cd e n s i t yo f b o t ht h eb u l ka n dt h ed e f e c t si n c r e a s ed u et ot h ee f f e c t so f c o o l i n gc o n s t r i c t i o n t h et r a n s f o r m a t i o nf r o mn o r m a l t os u p e r c o n d u c t i n g - s t a t e v 广西大学顼士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮投研究 o c c u r s n e a r l yt c ，w h i c h c h a n g e s t h ee l e c t r o n i cs t a t eo fs u p e r c o n d u c t o r s a p p a r e n t l y a st h et e m p e r a t u r eo ft h es u p e r c o n d u c t o r sn e a rt ot c ，t h ef r e e e l e c t r o n st e n dt of o r mc o o p e rp a i r s ，w h i c hg i v er i s et ot h ed e c r e a s eo fe l e c t r o n d e n s i t ya n dt h ei n c r e a s eo ft h ev a l u e so fx t ，晚a n d a tt c ，x 1 ，x 2a n d 下mr e a c h m a x i m u mv a l u e s ，w h i l et h ee l e c t r o nd e n s i t yo ft h es u p e r c o n d u c t o rr e a c h e sa m i n i m u mv a l u e t h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r eo fu n d o p e db i t ，6 i b 0 s s r 2 c a 2 c u 3 0 ys u p e r c o n d u c t o r i sr e l a t i v e l yh i g h ( t c = l10 k ) h o w e v e r ，i td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd o p a n t c o n t e n t ，w h e t h e rb i t ，6 p b 0 , s r 2 c a 2 c u 3 0 yi sd o p e dw i mz no rg a t h i sm a y b ed u e t ot h e d o p a n t a t o m st e n dt o o c c u p yc u s i t e so n c u 0 2p l a n e s o f b i l 6 p b os s r 2 c a 2 c u 3 s u p e r c o n d u c t o r ，a n d t h u s d e s t r o y t h ec h a n n e l so f s u p e r c o n d u c t i v i t ya n dl e a d t os o m ee x t e n to f l a t t i c ed i s t o r t i o n t h ea t o m i cr a d i u so fz ni sa p p r o x i m a t e l yt h es a m ea st h a to fc u ，b u tt h e a t o m i cr a d i u so fg ai ss m a l l e rt h a nt h a to fc u s ot h ed e g r e eo fl a t t i c ed i s t o r t i o n b yg ad o p i n gi sm o r es e r i o u st h a nt h a tb yz nd o p i n g a sb i l 6 p b o s s r 2 c a 2 c u 3 0 y i sd o p e dw i t hg a ，i tw i l ld e s t r o yt h ei n n e rs y m m e t r yo ft h es u p e r c o n d u c t o ra n d t h e t r a n s p o r t a t i o n o ft h e s u p e r c o n d u c t i n g e l e c t r o n p a i r s t h e r e f o r e ，t h e d e c r e a s i n gm a g n i t u d eo ft ci nb i l 6 p b 08 s r 2 c a 2 c u 3 x g a x o yw i t ht h ei n c r e a s eo f g ac o n t e n ti sl a r g e rt h a nt h a ti nb i t 6 p b 0 s s r 2 c a ：c u 3 - x z n x o yw i t ht h ei n c r e a s eo f z nc o n t e n t t h ef r e ee l e c t r o nd e n s i t yo fb i t 6 1 5 0 8 s r 2 c a 2 c u 3 x z n x o yd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo fz nc o n t e n t ，t h i si sb e c a u s et h a tz na t o mp r o v i d e sl e s se l e c t r o n st h a n v i 广西大学硕士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 c ua t o mw h e ni t s u b s t i t u t e sf o rc u t h ef r e ee l e c t r o nd e n s i t yo f b i i 6 p b o f 8 s r 2 c a 2 c u 3 o a x o ya l s od e c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e a s eo f g a c o n t e n t ， t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fb i l 6 p b o s s r 2 c a 2 c u 3 0 ys u p e r c o n d u c t o rd o p e dw i t h z ni sd i f f e r e n tf r o mt h a to fd o p e dw i t hg a t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f b i l 6 p b 0s s r 2 c a ：c u 3 x g a , o ys u p e r c o n d u c t o ri st e t r a g o n a lw h e nx o 15 w h i l e t h e c r y s t a l s t r u c t u r eo f b i l 6 1 b os s r 2 c a 2 c u 3 x z n x o ys u p e r c o n d u c t o r i s o r t h o r h o m b i c i ng e n e r a l l y ，t h et eo ft h es u p e r c o n d u c t o rw i t ha l lo r t h o r h o m b i c c r y s t a ls t r u c t u r ei sh i g h e rt h a nt h a tw i t hat e t r a g o n a lc r y s t a ls t r u c t u r e k e yw o r d s ：h i g h - t cs u p e r c o n d u c t o r ；p o s i t r o na n n i h i l a t i o n ；3 de l e c t r o n ； d o p p l e rb r o a d e n i n g ；m i c r o d e f e c t ；d e c r e a s i n gt e m p e r a t u r e p r o c e s s ；t h ee f f e c t so f c o o l i n gc o n s t r i c t i o n v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：；2 涵饼 学位论文使用授权说明 矽叼年月订日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：彩踢锋导师签名：砰支w p 7 年月万日 广西大学硕士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 第一章绪论 1 超导现象 ( 1 ) 零电阻现象： 1 9 0 8 年氦气被液化，获得了人造液态氦的低温条件( 4 2 k ) 。1 9 1 1 年昂尼斯( 0 i l n e s ) 发现在液态氦低温条件下，水银( i g ) 的电阻发生突降，其数值接近为零。持续电流实验 证实此时的电阻率为1 0 2 3 c 1 1 1 。而良导体铜在4 , 2 k 时的电阻率约为1 0 气2 c m ，它远大 于此时水银的电阻率。因此可以认为水银当温度降低到4 2 k 以下时，它的电阻突然消 失了。低温条件下物质电阻突然消失的现象称为超导电性的零电阻现象。 ( 2 ) m e i s s n e r 现象： 1 9 3 3 年迈斯纳( m e i s s n e r ) 和奥克森菲尔德( o c h s e n f e l d ) 研究超导体的磁学性质。发现 超导体处于超导态对具有完全排磁通效应。这个效应可表示如下：让退磁因子为零的第 一类超导体实现超导态，这一目标可由两种变温和加场过程实现：当t t o 时，降温 至t o 。样品经过t c 由n 态变成s 态，再加外磁场至h 0 此时样品体内的磁感应强度b = o ( 在 s 态加磁场不能进入体内) 当t t z 对加磁场至h d ，样品处于n 态，加场后体内磁感 应强度b = m h o ，再降温到t 0 。经过t c 点样品由n 态转变为s 态，将体内的b 全部排 出。使b = 0 ，从超导态= o ) 升温经过t c ( h o ) 点，由s 态转变n 态，外磁场进入正常态超 导体内，使b = g o h o 。上述超导体内1 3 = 0 ，并与达到该超导态过程( 路径) 无关的特性称为 m e i s s n e r 2 】效应。 零电阻现象是超导体处于超导态的电学性质；完全排磁通效应是超导体处于超导态 的磁学性质。这是超导体相互独立的两个特性。 2 高温超导体的发展 超导现象的研究大致可分为四个阶段 3 1 ：第一阶段位于二战前。这一时期的研究基 于常规尺度下，并且没有任何实际应用。由于液氦低温难于实现，这一时期的研究是艰 难的。超导参数如临界温度t c ，临界磁场b c 和临界电流密度j c 太小。在这一阶段，超 导体的一些基本属性被获知，并且认为超导现象本质上是一种宏观量子特性。 l 广西大学硕士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 二战后，条件完全改变了。超导研究进入了第二个时期。大多数科学家都关注超导 的物理机制，以及宏观和微观理论。在凝聚态物理方面最重要的一个成就，就是b c s 理论，在1 9 5 7 年由b a r d e e n c o o p e 卜s c h r i e 旋一】提出。这一微观理论阐明了超导现象的 物理本质。在这一理论指导下，发现了转变温度为1 8 k ，并且在1 0 0 2 0 0 k g 或更高磁 场范围内保持超导电性以及具有较高的临界电流密度j c 的新型超导合金。 第三阶段介于6 0 年代左右到t 9 8 6 年底。这一时期不仅研制出很多高转变温度的超 导材料，例如：n b 3 g e 的转变温度为2 3 k ，临界场b c 2 6 0 0 k g t 5 1 。而且还发现了j o s e p h s o n 6 - s l 效应。取得的这些成就使的控制和改变超导参数和理解超导电性本质变的可行。但是低 的临界温度t c 在超导应用方面仍然是一个尖锐的问题。 在1 9 8 7 年瑞士i b m 实验室b e d n o r z 和m u l l e r p 发现了l a 2 - x b a 。c u 0 4 氧化物具有超 导电性，临界转变温度在3 5 k 。这在超导电性方面是一个突破性的发现，掀起了研究高 温超导的热潮，引领科学家进入超导研究的第四个时期( 金属氧化物超导电性的液氮世 纪) 。几年间临界温度一个比一个高的高温超导体相继被发现，临界温度最高达到了 1 3 5 k 。现在最常用的超导体系列超导温度分别是：铋( b i ) 系b i 2 s r 2 c a c u 0 8 ( 8 0 k ) ， b i 2 s e 心a 2 c u 3 0 l “l1 0 k ) ；钇系y b a 2 c u 3 0 7 0 0 k ) ，y b a 2 c t h o k 8 0 k ) 。现今氧化物高温超 导体在超导电性方面广泛应用，临界温度t c 已不在是问题，而主要障碍是弱连接以及 低机械化强度。 超导研究的发展我们可以通过图1 1 来反映。 2 广西大学硕士学位论文 低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 图1 - 1 超导体临界温度与发现年代关系图 f i g 1 1m a x i m u m t c o f h o w ns u p e r c o n d u c t o r s v s y e a r o f d i s c o v e r y 3 高温超导领域的困惑 高温超导体处于超导转变温度以上的性质称为正常态的性质。高温超导体在室温下 呈现良好的导电性，它的导电率随温度变化的规律和正常金属相同，随着温度的下降， 它的电导升高，故而常称它们为金属性氧化物。但是，不能将正常态的高温超导体与一 般金属等同起来，二者有着根本的差别f l o 】： 高温超导体的正常态是一个强关联体系：传统超导体的超导态的电子由于弱相互作 用而结合成库柏对，这些库柏对电子不是彼此独立，毫无关系的准粒子，而是彼此相关 的相互有联系的集体激发，常称库柏对，是弱相互作用体系。在临界温度以上，库柏对 广西大学硕士学位论文 低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 受热激发而解体，变成两个准独立的电子。在室温下传统超导体中的电子被认为是近自 由电子体系。在这样的近自由电子气中，即便存在电子与电子的相互作用，它也不很强。 高温超导体室温下的电阻率一般比传统超导体的相应值要高一些，差不多高l 2 个数量 级。这告诉人们高温超导体的正常态电子之间有强的相互作用，这一相互作用已被x p s 和i p e s 实验证实。高温超导体正常态的电阻随温度下降而减少，并在很宽的温度范围 内呈现出电阻率p 和温度成正比的线性关系。我们知道在较高的温度下，电阻主要来自 于晶格振动对电子的散射，而在较低的温度下，晶格振动已经变的很小，电阻与温度的 关系应为t 5 关系。对高温超导体而言，即使在接近超导转变温度的低温下，电阻仍然 和温度成比例，这说明在高温超导体中导电机制与金属中的近自由电子气大不相同。 ( 1 ) 强的各向异性： 单晶测量的结果指出垂直于c u 0 2 平面的电阻率p 。要比平行于c u t h 平面的电阻率 p 曲高2 5 个数量级。从晶体结构的观点来看，不难理解p 。和p 曲之间的差别。但是要从 一个定量的甚至是半定量的解释却是十分困难的。 ( 2 ) 霍尔系数的反常温度关系： 对于相互作用非常强的体系而言，霍尔系数r h 是一个不随温度变化的常数。但实 际的高温超导体正常态的霍尔系数随温度下降而变大。对于高温超导体的正常态而言， 霍尔系数r h 与温度的关系之间存在如下关系式： i r h = a + b t ( 1 - 1 ) 其中a , b 都是实验测定的常数。 ( 3 ) 高温超导体的正常态的磁导率，c 不随温度变化而改变： 高温超导体正常态是顺磁性的。它的磁化强度m 与外加磁场的磁场强度b 成正比。 它的顺磁性的起源是由于c u3 d 电子的自旋磁矩在磁场的作用下定向排列。磁导率) c 不 随温度变化意味着具有电子自旋磁矩的c u3 d 的离子数目不变，实际上它是受一1 价氧空 穴浓度影响的。因此可以说：磁导率) c 为不随温度改变的常数也是难以理解的反常行为。 4 高温超导的研究进展 ( 1 ) b c s 理论 自从1 9 1 1 年o n n e s 发现超导电性以来，在实验和宏观的唯象理论方面都积累了大 量的知识，不断排除与超导电性起因无关的因素。而且从大量实验中辨别出影响超导电 4 广西大学硕士学位论文低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 性的物理规律，直到1 9 5 7 年b a r d e e n c o o p e r - s c h r i e f f e r ( b c s ) 找到了超导电性的起因， 建立了著名的b c s 理论。 旱在1 9 2 4 年k e e s o m 和o n n e s 1 1 】用x 射线得到了p b 在临界温度以上和临界温度以 下，其衍射图没有变化。在以后的几十年里w i l k i n s o n 1 2 1 以及w i e d 【1 3 等人也通过 一系列实验得出了超导相变不影响晶格点阵结构和振动，相变只能涉及电子气状态的改 变。 从超导态电子比热入手，得到了超导态电子的比热c 。是t 的三次方规律。宏观上 它是一个很好的近似，但精确测量给出的比热随温度的变化并不是三次方规律，而是一 个很好的指数关系1 4 1 ： 粤：9 1 7 e 彻刚r ( 1 - 2 ) 掣f 预示了超导能隙的存在，并且通过远红外吸收实验可以得到不同材料能隙的大小。 b c s 理论最重要的贡献在于给出了超导电子相互作用的模型( 电声子相互作用) 以 及超导电子的存在方式( c o o p e r 对) 。能隙的测量在超导电性的理解上提供了一条重要信 息，它表明进入超导态后能量降低是由于超导电子凝聚到一个能隙以下，最有利的证据 是超导体中准粒子激发的隧道效应【1 5 1 。由于长期以来人们对于电子之间只存在c o u l o m b 排斥作用，电子之间也就是借助排斥而强烈地相互作用，然而这种排斥作用显然不能导 致体系能量的降低，相反它只能是体系的能量升高，只有电子之间存在相互吸引才能导 致体系能量的降低。 那么电子是怎样相互吸引呢? 1 9 5 0 年f r o h l i c h 【m 1 提出了一个电声子的物理模型： 当电子l 通过整齐排列的晶格点阵时，电子和离子点阵的c o u l o m b 作用使晶格点阵畸变。 这种畸变的效果是正电荷向电子l 集结或者说电子l 被正电荷屏蔽，当电子2 通过这个 畸变的晶格时，将受到畸变场的作用，畸变场吸引这个电子，如果我们忘记第1 个电子 对晶格点阵造成畸变的过程，而只看其最后结果，将是第一个电子吸引第二个电子。自 然整个过程都应该满足动量守恒。 那么超导电予又是以什么方式存在呢? 从机械振动模型得到了电声子相互作用的 相关启示： 去l 占( a ) 一p ( p 纠国扫；一p i ) 时，8 p 8 和6 p i 同位相； 去i s ( a ) 一s ( p ：) | 甜0 。一p i ) 时，6 p 8 和6 p 反位相： 广西大学硕士学位论文低温下钳氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 其中：6 矿是电子气的电荷密度涨落；6p i 是离子电荷涨落；占) 和缈) 分别对应动量 为p 的能量和频率。 动量p l 能e ( p 。) 的电子如果要跃迁到动量p i 能量为占( p i ) 的状态，仅仅满足上面 同位相的要求还是不够的。根据p a u l i 原理，只有在f e r m i 面附近自旋和动量都相反的 电子之间才存在最强的吸引作用【t t , i s ) ，这些在f e r m i 面附近能量为e f 士危。的动量和自 旋都相反的电子组成的束缚态叫做c o o p e r 对“9 】。 由于净吸引作用才是导致超导态的因素，所以可以得出，到某一个极限温度，吸引 作用将减弱到不足以克服屏蔽c o u l o m b 斥力，净吸引消失，则超导态将消失，这个温度 就是临界温度。 b c s 理论的提出对于低温超导电性的解释无疑提供了坚实的后盾，而且从很多实验 数据也证实了它的正确性。但是也有它的不足之处，特别是对高温氧化物超导性机制的 解释还显不足。但是能肯定的是它没有脱离b c s 框架，高温超导电子是束缚对，是不 是由电声子相互作用形成的c o o p e r 对还有待于进一步的研究【2 0 1 。 ( 2 ) 最新研究进展 到目前为止，已发现五种典型复杂金属氧化物高温超导体：镧钡铜氧化物体系，钇 钡铜氧化物体系，铋锶钙铜氧化物体系，铊钡铜氧化物体系，汞钡铜氧化物体系。一般 而言，氧化物超导体都是由钙钛矿结构派生出来的，称之为有缺陷的钙钛矿型化合物【2 “。 钙钛矿结构的化合物一般都具有理想的配比的化学式a b 0 3 ，其中a 代表具有较大离子 半径的阳离子；b 代表半径较小的过渡金属阳离子。a 和b 离子的价态之和为+ 6 ，以保 持电中性条件的成立。钙钛矿结构的化合物的组分可通过部分替代而在很宽的范围内发 生变化。也就是说它们在一定的组分范围内存在，以生成很多保持钙钛矿型基本结构的 新化合物。如：a i x a x b 0 3 和a b i - x b x 0 3 型化合物。有元素部分替代产生的新化合物虽然 其结构没有发生变化，但是它们的物理特性往往会发生很大的改变。部分替代后的化合 物的导电特性，磁性，超导性和磁阻等往往会发生很大的变化。 a b 0 3 型钙钛矿结构的氧化物在其结构中都或多或少的存在着氧缺位。氧缺位的数 量也可以在很大的范围内变化。相反的情况也时有发生，在某些a b 0 3 型钙钛矿型化合 物中也可能发生氧的过剩，即多余的氧离子以闯隙离子存在。从晶体结构观点来看，在 a b 0 3 型钙钛矿结构的化合物中，a 晶位的阳离子也容易出现缺位，同时造成了氧的过 6 广西大学硕士学位论文低温下锅氧化物超导体微结构的正电子湮没研究 剩；而b 晶位上的阳离子与氧离子组成的c u 0 6 八面体是a b 0 3 型结构的框架，因此b 晶位上的离子一般不会出现缺位i 笠】。下面我们来总结一下对高温超导体研究的最新进 展。 a 位替代： 自从高温超导体被发现一来，元素替代法成为研究高温超导电性不可或缺的手段。 中国科学技术大学冯双久跚等人通过对少量的盈掺杂b i 2 2 1 2 单晶样品不同温度下的磁 滞回线的测量，根据b e a n 临界态模型得到了样品在不同温度和磁场下的临界电流密度， 发现不同温度下的临界电流密度与磁场关系可以用j o f f i , a 3 = j o ( o ，t ) e x p ( 一h 刚进行拟合， 并且拟合参量a 随温度的上升而增大，而在p b 掺杂和纯b i 2 2 1 2 单晶的结果进行比较， 发现在相同的温度和磁场下z n 掺杂的样品具有最高的临界电流密度，表明少量z n 掺杂 使的样品的临界电流密度得到提高，这种提高主要来源于材料中心引入了有效的涡旋钉 扎中心。而p b 掺杂体系中j 。提高是体系的层间耦合增强导致的结果。 陈镇平，张金仓【2 5 】等人用固态反应法制备了r b a 2 c u 3 0 7 s ( r - m 3 ) 系列样品，其中 r = t m ，d y ，g d ，e u ，n d 和y 。利用正电子湮没技术以及x 射线衍射等实验技术研究了稀 土离子半径f 对材料局域电子结构和晶体结构以及超导电性的影响。实验结果表明，正 电子寿命参量q ，它均随r 3 + 半径增加而单调增加；据此所给出的局域电子密度n c 随稀土 离子半径的增加表现出单调减小的趋势。实验证明局域电子密度以及晶格结构的正交性 均是影响超导电性的因素。 付华明瞄蝽人用固相反应法制备了掺杂c a 和未掺杂c a 的y 1 x c a 。b a 2 c u 3 0 7 6 超导 块材，主要研究了c a 掺杂对y i x c a x b a u 3 0 ，6 ( x 翊3 ) 超导性能的影响。采用标准四引 线法测量了样品的r - t 和i - v 曲线。实验结果表明：在y b c o 超导体中掺杂适量的c a 后临界温度t c 有所下降，样品的临界电流i c 有所增加，弱磁场下的i c h 曲线下降幅度 很平稳，表明适量的c a 掺杂有利于改善y b c o 超导体的临界电流性能。 彭振生，王智河【2 7 】采用x 射线，直流输运和拉曼光谱分别研究了p r 和e u 替代 e u b a 2 c u 3 0 7 5 的b a 位对晶体结构及超导电性的影响。实验结果表明，随着p r 和e u 替 代浓度的增加，晶体结构发生了从正交相到四方相的结构转交，超导临界温度t c 迅速 降低，拉曼光谱表明，随着替代含量的增加，c u ( 1 ) 一c u ( 2 ) 的拉伸振动5 0 4 e r a 1 和 c u ( 2 ) 一o ( 2 ，3 ) 反相弯曲的振动模3 0 4 c m - 1 系统地向高波数移动。 z c h e n t 2 8 1 等人通过正电子技术和x 射线研究了g d 或e u 替代对 y 1 x r x b a 2 c u 3