La1.44Nd0.4Sr0.16CuO4薄膜电荷有序超导态的磁通动力学研究

论文摘要

高温超导体属于强关联电子材料，其中电子、自旋和晶格自由度之间存在较强的相互作用。目前研究发现高温超导铜氧化物在纳米尺度或是更大的尺度上存在电子不均匀性，其中最引人注目的是电荷条纹相。所谓电荷条纹相是指，在CuO2面内，载流子自发聚集形成一维链状结构，与反铁磁背景发生分离并形成周期性调制结构。实验表明电荷条纹以及反铁磁涨落与高温超导电性有着密切联系。本论文主要研究了应力调制的La1．44Nd0．4Sr0.16CuO4／LaSrAlO4薄膜在磁场下的电输运性质和Ⅳ特性，讨论了条纹相稳定性和超导电性的关系以及静态条纹相对磁通相变的影响。此外，我们还利用超声衰减这一手段研究了La1．88Sr0．12Cu1-yZnyO4体系，面内掺杂对CuO2面局域结构的影响，揭示了这一体系中存在较强的电子-声子耦合。论文共分五章，每章的主要内容分别概括如下：第一章综述了不同实验的手段在高温超导材料中观察到的反常实验现象，以及这些实验现象和电子非均匀态的联系；介绍电荷条纹相这一重要概念，以及它和高温超导电性的关系；最后我们介绍了电荷不均匀体系中的磁通分布和钉扎的特性。第二章介绍了利用磁控溅射在LaSrAlO4（001）衬底上制备高品质La1．6-xNd0．4SrxCuO4和La1．88Ba0．12CuO4外延薄膜的方法，以及利用光刻技术获得测量样品面内电阻和Ⅳ特性所需的微桥。我们发现薄膜的面内应力可以通过薄膜厚度来调节。通过对不同厚度La1．6-xNd0．4SrxCuO4和La1．88Ba0．12CuO4外延薄膜零场下输运性质的研究，我们探讨了面内压应力对薄膜结构的影响，分析了Tc提高的物理机制可能源于c轴方向的拉伸和静态条纹相的破坏。第三章研究了应力调制下的La1．44Nd0．4Sr0．16CuO4/LaSrAlO4薄膜在磁场下的输运性质，发现了磁场下薄膜电阻的超导转变随着面内压应力的增加从平行展宽向扇形展宽过渡。同样应力的变化导致了同一组份薄膜的上临界场Hc2，面内相干长度ξab（T），以及有效磁通钉扎势U0（H）发生相应的变化。我们认为应力的引入破坏了薄膜中的静态条纹相，超导电性得到了显著提高。Hc2、ξab（T）和U0（H）的变化主要与超导电性的变化相关。第四章我们研究了不同应力状态下的La1．44Nd0．4Sr0．16CuO4/LasrAlO4（LNSCO／LSAO）薄膜的Ⅳ特性。通过标度分析，发现受到压应力存在动态条纹的LNSCO薄膜中，磁通相表现出三维的特征。而在应力释放的厚膜中磁通物质表现出二维特征。特别是在磁通液态，磁通线更加接近自由的正反涡旋对的形式。而在低温下，磁通线受到静态条纹相的钉扎，形成准二维的磁通玻璃态。因此静态电荷条纹相使磁通物质发生从三维向二维过渡。此外在电流驱动下磁通液相的耗散源于正反涡旋对的自由运动，而磁通玻璃相的耗散源于磁通线的集体蠕动。第五章我们利用对材料微结构变化灵敏的超声声速和衰减这一实验手段研究La1．88Sr0．12Cu1-yZnyO4（y=0．00，0．01，0．02，0．03）多晶样品中Zn掺杂对这一体系局域结构畸变的影响。发现少量的Zn掺杂有利于样品中低温四方相（LTT）畴结构的形成，而过多的Zn掺杂会破坏LTT畴的形成。此外，局域晶格畸变随Zn掺杂的变化趋势和用muon自旋驰豫实验探测的La2-xSrxCu1-yZnyO4（x=0．1，0．115，0.13）局域磁有序随Zn掺杂的变化规律一致。这很好的反应了在LSCO体系中，电荷、自旋和晶格的自由度是耦合在一起的。此外，我们还研究不同样品的超声衰减和声速随磁场的变化规律，给出了Zn掺杂可以钉扎动态条纹相的实验证据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 高温超导体中的电荷有序及磁有序研究
• 1.1 引言
• 1.2 高温超导材料概述
• c的影响'>1.2.1 高温超导材料的结构与分类及其对T_c的影响
• 1.2.2 高温超导铜氧化物的相图
• 1.2.3 铜氧化物的基本电子结构
• 1.3 高温超导材料中的电荷自发聚集、电荷有序及反铁磁有序
• 1.3.1 高温超导氧化物单晶的电和热输运研究
• 2-x-yNd_ySr_xCuO₄角分辨光电子谱研究'>1.3.2 La_2-x-yNd_ySr_xCuO₄角分辨光电子谱研究
• 1.3.3 LSCO体系的中子散射研究
• 1.3.4 高温超导铜氧化物的STM/STS研究
• 1.3.5 电荷有序的两种形态
• 1.4 高温超导体的电荷条纹相及其最新实验证据
• 1.4.1 电子液晶相的概念
• 1.4.2 高温超导铜氧化物中的电荷各向异性输运
• 2Cu₃O_6.45中的电荷条纹相'>1.4.3 YBa₂Cu₃O_6.45中的电荷条纹相
• 3Ru₂O₇体系高场下的电荷条纹相'>1.4.4 Sr₃Ru₂O₇体系高场下的电荷条纹相
• 1.4.5 动态电荷条纹与声子的耦合
• 1.4.6 电荷条纹相和高温超导电性的关系
• 1.5 条纹相对磁通运动的影响
• 1.5.1 描述高温超导体磁通钉扎的两类理论
• 1.5.2 磁通玻璃相变
• 1.45Nd_0.4Sr_0.15CuO₄单晶的可逆磁化率研究'>1.5.3 La_1.45Nd_0.4Sr_0.15CuO₄单晶的可逆磁化率研究
• 1.5.4 条纹有序超导态的磁通结构
• 1.875Ba_0.125CuO₄的二维超导电性'>1.5.5 La_1.875Ba_0.125CuO₄的二维超导电性
• 1.6 本章小结
• 参考文献
• 1.6-xNd_0.4Sr_xCuO₄,La_2-xBa_xCuO₄薄膜输运性质的影响'>第二章 应力对La_1.6-xNd_0.4Sr_xCuO₄,La_2-xBa_xCuO₄薄膜输运性质的影响
• 2.1 引言
• 2.2 磁控溅射和薄膜生长原理
• 2.2.1 磁控溅射原理
• 2.2.2 影响薄膜成核的重要因素和薄膜生长类型
• 1.6-xNd_0.4Sr_xCuO₄,La_2-xBa_xCuO₄薄膜的制备和表征'>2.3 La_1.6-xNd_0.4Sr_xCuO₄,La_2-xBa_xCuO₄薄膜的制备和表征
• 2.3.1 薄膜制备工艺探索
• 2.3.2 结构表征
• 1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜零场输运特性'>2.4 应力调制的La_1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜零场输运特性
• 1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜的制备和表征'>2.4.1 不同厚度La_1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜的制备和表征
• 2.4.2 薄膜光刻和电极制作
• 1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜输运性质的影响'>2.4.3 应力对La_1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜输运性质的影响
• 1.88Ba_0.12CuO₄薄膜零场输运特性'>2.5 应力调制的La_1.88Ba_0.12CuO₄薄膜零场输运特性
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜磁场下的输运研究'>第三章 应力调制La_1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜磁场下的输运研究
• 3.1 引言
• 1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜T_c与c轴长度的关系'>3.2 La_1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜T_c与c轴长度的关系
• 3.3 磁场下电阻展宽的渡越现象
• 3.4 上临界场和相干长度
• 3.5 热激活磁通运动研究
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜磁通相变的影响'>第四章 条纹相对La_1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜磁通相变的影响
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备和实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜的Ⅳ特性'>4.3.1 La_1.44Nd_0.4Sr_0.16CuO₄薄膜的Ⅳ特性
• 4.3.2 标度分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 1.88Sr_0.12CuO₄局域结构的影响'>第五章 面内Zn掺杂对La_1.88Sr_0.12CuO₄局域结构的影响
• 5.1 引言
• 5.2 样品制备及实验方法
• 5.3 实验结果与讨论
• 1.88Sr_0.12Cu_1-yZn_yO₄的输运行为'>5.3.1 La_1.88Sr_0.12Cu_1-yZn_yO₄的输运行为
• 1.88Sr_0.12Cu_1-yZn_yO₄超声衰减和声速特性'>5.3.2 La_1.88Sr_0.12Cu_1-yZn_yO₄超声衰减和声速特性
• 5.3.3 Zn掺杂对LSCO局域结构变化的影响
• 1.88Sr_0.12Cu_1-yZn_yO₄的超声衰减和声速特性'>5.3.4 磁场下La_1.88Sr_0.12Cu_1-yZn_yO₄的超声衰减和声速特性
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果