（凝聚态物理专业论文）高温超导体的低温热导研究.pdf

摘要 研究高温超导体的热导率，可以获取关于材料中声子、电子等元激发的运 动信息，材料的晶格和电子结构状态以及它们之间的相互作用。本论文主要对 m g b 2 、l a 2 c u 0 4 mb i 2 s r 2 c a l x c e 。c u 2 0 v 等超导材料的低温热导率进行了实验研 究，得到了很多有意义的结果。 第一章对固体材料中的能量输运问题进行了综述。特别是超导体的热导率 随温度和磁场的变化与材料的晶格和电子结构状态息息相关。因此，对材料热 导率的测量和研究具有重要的理论意义和实用价值。 第二章介绍了4 0 k 超导体m g b 2 在零场下的热导率一温度关系。在双能隙 模型下，用基于b c s 理论的b r t 热导理论对实验结果进行了分析，给出m g b 2 中两个能隙的大小分别为1 6 m e v 和5 1 m e v 。很多实验得到或大或小的不统一 的能隙宽度，也有人提出可能存在大小两个能隙，我们的结果为m g b 2 中的双 能隙结构提供了新的实验依据。在一些实验和理论分析方面，双能隙模型仍然 遇到了困难，两个能隙的性质差别可能是一个关键。我们的实验分析结果指出 两个能隙在声子和电子能量输运中的影响各不相同，对应较大能隙的盯能带准 粒子在电子热导中贡献较大，对应较小能隙的石能带准粒子对声子热导的影响 较大。由此可以得到盯能带上的准粒子受到的杂质散射率较大，万能带上的准 粒子受到的杂质散射率较小，这一结果为双能隙模型提供了重要的实验证据， 并且与单晶等不同品质实验样品的结果相统一。 第三章介绍了磁场下m g b 2 热导率的特性。磁场影响到样品中能隙的大小， 提供了新的涡旋散射，使得超导材料的热导率对于外加磁场相当敏感。从我们 的实验结果中可以看到，m g b 2 的热导率与传统低温超导体有很大的不同，在低 场下随着磁场的增强迅速增加，我们的分析指出这一现象是m g b 2 的双能隙结 构特性的一个表现。由于我们的样品具有较高的杂质散射率，在高场下，热导 率随磁场增强而增加的速度减慢，降低到近似线性行为。此外在高场下样品的 热导率明显已经超过了正常态电子所能够提供的贡献。这一与费米液体相矛盾 的反常现象显示m g b 2 中可能有自旋参与能量输运。 第四章介绍了我们对微量氧掺杂的l a 系超导体母体材料l a 2 c u 0 4 热导率的 研究。微量的氧掺杂，可以迅速改变l a 2 c u o 。中的c u o 八面体的倾斜排列，并 且影响到c u 位上的自旋有序。我们的实验结果显示在不同的变温速率下，过量 氧的位置的变化，导致局域的晶格结构和磁结构的变化，虽然通过电测量难以 观测到这一变化，但热导率实验测量结果却能够显示出明显的不同。实验结果 显示l a 2 c u 0 4 + 6 中的晶格结构和c u o 面2 d 自旋系统都存在不稳定性。 箱五章介绍了掺c e 的b i 2 2 1 2 系列样品b i 2 s r 2 c a l x c e 。c u 2 0 。的热导率，着 重对超导转变温度以下的热导峰进行了研究。超导态下电子结成c o o p e r 对，不 再参与热输运或形成散射，处于激发态的准粒子在t c 以下仍然可以参与能量输 运。在铜氧化物这样的强电子关联体系中，在t c 以下准粒子寿命会显著增长， 我们据此对实验结果进行了拟合，结果显示c e 掺杂并没有影响t c 以下的热导 峰位，但峰高被压低，t c 附近的超导涨落受到抑制。 第六章介绍了锰位掺c r 的系列巨磁阻多晶样品l a o7 c a o3 m n l x c r x 0 3 的热导 率。实验结果显示随着c r 掺杂浓度的增加，热导率在所测温区内受到的压制变 大，当x = 0 6 0 时，热导率却有一个反弹，显示c r 掺入对晶格局部涨落的影响。 低掺杂样品在 不，转变附近热导率发生急剧变化，而高掺杂样品无m ，转变， 热导率随降温而单调减小，反映了电子的局域性和巡游性对晶格局部涨落的不 同的调节作用。 第七章介绍了我们在热导率自动化测量装置上的进一步改进工作。低温热 导率的测量具有一定的技术难度。我们已经自行研制和开发了一套计算机控制 的低温热导率全自动化测量系统，在此基础上，对硬件和软件进行了升级，使 得浚系统各方面的性能有所提高，为我们获取可靠数据提供了保障。 a b s t r a c t t h i st h e s i sc o n c e n t r m e so nt h e s t u d y o fh e a t t r a n s p o r tp r o p e r t i e s o f s u p e r c o n d u c t o r s ，s o m ei m p o r t a n t r e s u l t sa r eo b t a i n e d i nt h ef i r s tc h a p t e r , ar e v i e ww a s g i v e na b o u tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs o l i d s ， e s p e c i a l l ys u p e r c o n d u c t o r s t h et e m p e r a t u r e a n dm a g n e t i cf i e l d d e p e n d e n c e o f t h e r m a lc o n d u c t i v i t yw a sr e l a t e dw i t ht h el a t t i c ea n de l e c t r o ns t r u c t u r eo f m a t e r i a l s ， r e v e a l i n gt h ei n f o r m a t i o na b o u t s t a t u so f e l e m e n ta c t i v a t i o n s i nc h a p t e r2 ，w ep r e s e n tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h es u p e r c o n d u c t o rm g b 2 b e t w e e n5a n d3 0 0k t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yc a l l b ef i t t e dw i t ht h eb r tt h e r m a lc o n d u c t i v i t ym e t h o db yap h e n o m e n o l o g i c a lt w o g a p m o d e l t h es i z e so f t h et w oe n e r g yg a p sa r e1 6 m e va n d5 i m e v t h ea n a l y s i sa b o u t e l e c t r o n i ct h e r m a lc o n d u c t i v i t yi n d i c a t e st h a to b a n di m p u r i t ys c a t t e r i n gr a t ei ss m a l l r e l a t i v et ot h e7 【一b a n d s c a t t e r i n gr a t e i nc o n t r a s tt ot h es i n g l ec r y s t a ls a m p l e ，o u r r e s u l ti n d i c a t et h a ts c a t t e r i n go f p h o n o nf r o mo b a n dq u a s i p a r t i c l e si se x i s to nc - a x i a l d i r e c t i o nh e a t t r a n s p o r t o fp o l y e r y s t a l l i n e s a m p l e ，t h i s r e s u l td e m o n s t r a t e st h e a n i s o t r o p i ce n e r g yt r a n s p o r ti nm g b 2 i n c h a p t e r3 ，w ep r e s e n t t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fm g b 2p o l y c r y s t a l l i n e s a m p l ei n t h em i x e ds t a t ea saf u n c t i o no fm a g n e t i cf i e l d ( 0 - 7 t ) a n dt e m p e r a t u r e ( 5 - 4 5 k ) t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e dr a p i d l yi nl o wm a g n e t i cf i e l d ，a n dg o t s a t u r a t i o ni n h i g h e rf i e l d t h i sb e h a v i o rc o r r e l a t e sw i t lt h et w o g a pe l e c t r o n i c s t r u c t u r eo fm g b 2 a n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h er e m a r k a b l ee n h a n c e m e n to ft h e r m a l c o n d u c t i v i t y o fm g b 2 p o l y c r y s t a l l i n es a m p l e i nt h em i x e ds t a t ec a nn o tb e c o m p l e t e l y a t t r i b u t e dt oe l e c t r o n i cc o n t r i b u t i o n i nc h a p t e r4 ad e t n l e ds t u d yo ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f e x c e s s - o x y g e n - d o p e d l a 2 c u 0 4p o l y c r y s t a l sw a sc a r r i e do u t t h ed a t aw e r eo b t a i n e da f t e rq u e n c h i n go r s l o w l yc o o l i n gf r o m3 3 0 k t o7 7 k t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e su n d e rt w os i t u a t i o n s w e r es i m i l a rb e l o w1 2 0 k ，w i t ham i n i m u mo b s e r v e da r o u n d1 2 0 kw h i c hi sr e l a t e dt o a n t i f e r r o m a g n e t i c t r a n s i t i o n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y i n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n g t e m p e r a t u r ea b o v e1 2 0 k ，b u tt h er e s u l to b t a i n e da f t e rs l o wc o o l i n g w a ss m a l l e rt h a n t h a to b t a i n e da f t e rq u e n c h i n g ，w h i c hi si n d u c e db yad i s o r d e rm a g n e t i cs c a t t e r i n gi n t h i sm a t e r i a l i nc h a p t e r5 ，t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f b i 2 s r 2 c a l _ x c e x c u 2 0 y ，x = 0 1 ，0 2 ，0 3 ， h a sb e e nm e a s u r e di nt h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m5 0t o2 0 0 k i ti so b s e r v e dt h a tt h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yp e a kb e l o w 疋h a r d l ym o v e sa sc ed o p i n gi n c r e a s i n g ，b u tt h e h e i g h to f t h ep e a ki ss u p p r e s s e d w es i m u l a t e dt h ew i d ep e a kb ym e a n so f t h en o r m a l e l e c t r o n i cr e l a x - 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