氧化钛和氧化镧的超导电性与量子相变

发布时间：2020-10-13 06:23

　　 过渡金属氧化物表现出多种物理性质,包括高温超导性,压电性,铁电性,磁性,多铁性和电阻转换特性。过渡金属氧化物的功能特性对其电子结构非常敏感,受到元素组成、缺陷、晶格畸变的强烈影响。其中,钛氧化物由于其晶体结构和物理/化学性质的多样性成为一类重要的材料体系。它涵盖了从金属到半导体和绝缘体的各种电子特性,因此可用于许多技术应用。近年来,钛氧化物的超导特性引起了人们的广泛关注,如TiO,γTi3O5,Ti4O7,其超导机理尚不清楚,需要进一步研究。另外,近期发现的量子格里菲斯奇异性(Quantum Griffiths singularity,QGS)引起了极大的关注。高质量TiO外延薄膜其正常态具有半导体特性,是研究QGS很好的材料体系。稀土金属氧化物由于其显著的化学,热学,光学和电学性质而引起人们的广泛关注。岩盐结构的LaO被认为是嵌入在高温超导层状钙钛矿铜酸盐化合物(La,M)2CuO4(M=Ba,Sr)中的载流子层,在其中起着至关重要的作用。另一方面,早期合成的LaO块材显示出金属导电性,但由于化学稳定性差,没有得到进一步的研究。利用先进的薄膜制备工艺,有望实现材料的高质量生长;此外,其压力效应也是值得研究的。在第一章中,我们总结了金属钛、镧及其氧化物的晶体结构和输运特性,以及钛氧化物超导体和镧氧化物超导体的研究进展;并介绍了超导体中的量子相变行为,尤其是近年来QGS的研究进展。在第二章中,我们利用脉冲激光沉积技术在蓝宝石衬底上成功制备了TiO单晶薄膜,并对其超导特性进行了系统的研究。TiO外延薄膜的超导转变温度较体材料得到了很大的提升,达到了7.4 K,零温下的上临界场达到13.7 T。高压实验结果表明,随着压力的增大,正常态电阻增大,超导转变温度降低,这可能是电子局域化加强导致的。这项工作将有助于理解钛基氧化物超导体的超导机理,并实现更高温度的超导性。在第三章中,系统研究了TiO外延薄膜的电流-电压特性和临界电流密度特性。电流-电压的标度行为符合准二维的涡旋玻璃转变理论;不同磁场下,临界电流密度与温度的关系表明其钉扎机制是以δl钉扎占主导,这可能是由晶界导致的。此外,还观察到涡旋钉扎力归一化场依赖关系的标度行为。在第四章中,我们研究了 TiO薄膜中厚度和磁场调制的具有QGS的超导-绝缘体相变行为。薄膜厚度调制的超导-绝缘体转变与与载流子浓度的降低和局域性的增强有关。通过研究不同厚度氧化钛薄膜的低温电输运特性,观察到到了动态临界指数随磁场发散的超导-绝缘体转变行为,它表现出弱绝缘态对QGS的抑制作用。这一发现将QGS从超导-金属转变系统扩展到超导-绝缘体转变系统。在第五章中,利用脉冲激光沉积技术,在YAlO3和LaAlO3单晶衬底上制备出外延生长的金属La和LaO薄膜。系统地研究了其超导电性以及在静水压力最大为2 GPa下的超导性能。对于金属La薄膜,随着压力的增大,超导转变温度逐渐减小,正态电阻率增大。而对于LaO薄膜,随着压力的增大,超导转变温度逐渐增大,而超导转变附近的正常状态电阻率先减小后增大。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ133.3;O511.2;TQ134.11
【部分图文】：

第一章钛、镧及其氧化物的超导电性和量子相变研宄??章钛、镧及其氧化物的超导电性和置子相变研究??１９１１年ＨｅｉｋｅＫａｍｅｒｌｉｎｇＯｎｎｅｓ发现超导以来［１］，实现室温超导成想。虽然１９５７建立的Ｂａｒｄｅｅｎ－Ｃｏｏｐｅｒ－Ｓｃｈｒｉｅｆｆｅｒ（ＢＣＳ）理论己经成理论框架，但是预测超导转变温度仍然是一个十分困难的问题［２］。新的超导体就像在大海里航行而没有精确的罗盘，研宄者必须依靠家所说的前行。从这个角度讲，寻找高温超导体是一项真正具有挑?ａ??ｔ?＾?ｙ＇?１?■?＂?ｉ＂?＾?Ｉ?＾?ｉ??１１??

图１．２含有特定元素的超导家族及其晶体结构，包括铁基超导体、铜氧化物高温超导体、铬??基超导体和富氢超导体。??在超导体的探索过程中，一些元素在其中起着至关重要的作用，如图１．２所??示：以Ｃｕ为基础的铜氧化物超导体，以Ｆｅ为基础的铁基超导体，以Ｃｒ为基础??的铬基超导体，以及以Ｈ为基础的富氢超导体，最近研究者又在设计Ｎｉ基、Ｃｏ??基等超导材料［２０］。此外，Ｔｉ和Ｌａ元素存在于各类超导体中，在铁基、铜基超??导体［４，２１，２２］，氧化物超导体，界面超导［２３－２５］和富氢超导体［】２，２６］中起着重要??的作用。Ｔｉ与Ｆｅ、Ｃｕ—样同属第一过渡系元素，其电子性质丰富多样，此外，??２??

ＳｒＦｅ－．Ａｓ：?ＹＢａ２Ｃｕ３０７??图１．２含有特定元素的超导家族及其晶体结构，包括铁基超导体、铜氧化物高温超导体、铬??基超导体和富氢超导体。??在超导体的探索过程中，一些元素在其中起着至关重要的作用，如图１．２所??示：以Ｃｕ为基础的铜氧化物超导体，以Ｆｅ为基础的铁基超导体，以Ｃｒ为基础??的铬基超导体，以及以Ｈ为基础的富氢超导体，最近研究者又在设计Ｎｉ基、Ｃｏ??基等超导材料［２０］。此外，Ｔｉ和Ｌａ元素存在于各类超导体中，在铁基、铜基超??导体［４，２１，２２］，氧化物超导体，界面超导［２３－２５］和富氢超导体［】２，２６］中起着重要??的作用。Ｔｉ与Ｆｅ、Ｃｕ—样同属第一过渡系元素，其电子性质丰富多样，此外，??２??
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本文编号：2838851