氧化钛和氧化镧的超导电性与量子相变

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 钛、镧及其氧化物的超导电性和量子相变研究
•   1.1 引言
•   1.2 钛金属及其氧化物材料概述
•     1.2.1 金属钛的晶体结构及其性质
•     1.2.2 TiO的晶体结构及其性质
• 2O₃的晶体结构及其性质'>    1.2.3 Ti₂O₃的晶体结构及其性质
• nO_2n-1)的晶体结构及其性质'>    1.2.4 Magnéli相(Ti_nO_2n-1)的晶体结构及其性质
• 2的晶体结构及其性质'>    1.2.5 TiO₂的晶体结构及其性质
•   1.3 钛氧化物超导电性研究进展
•     1.3.1 岩盐结构TiO多晶的超导电性增强研究
• 2O₃薄膜的的制备及其超导电性'>    1.3.2 Ti₂O₃薄膜的的制备及其超导电性
•     1.3.3 核壳结构TiO纳米晶体的制备及其超导电性
• 4O₇和γ-Ti₃O₅薄膜的制备及其超导电性'>    1.3.4 Ti₄O₇和γ-Ti₃O₅薄膜的制备及其超导电性
•   1.4 镧金属及其氧化物材料概述
•     1.4.1 金属镧的晶体结构及其性质
•     1.4.2 金属镧的压力效应
•     1.4.3 LaO的晶体结构及其物理性质
•   1.5 超导量子相变及其研究进展
•     1.5.1 临界相变及其标度律
•     1.5.2 量子格里菲斯奇异性
•     1.5.3 超导-绝缘体转变
•     1.5.4 二维超导体体中的量子相变
•     1.5.5 二维超导中的量子格里菲斯奇异性
•   1.6 本章小结
•   参考文献
• 第二章 TiO外延薄膜的超导电性增强研究
•   2.1 引言
•   2.2 样品制备及实验方法
•     2.2.1 脉冲激光沉积镀膜
•     2.2.2 紫外光刻
•     2.2.3 电极制备
•     2.2.4 结构与电输运测量
•   2.3 实验结果与分析
•     2.3.1 TiO薄膜的结构
•     2.3.2 TiO薄膜XPS结果分析
•     2.3.3 TiO薄膜电输运性质
•     2.3.4 TiO薄膜霍尔系数测量
•     2.3.5 TiO薄膜的磁化特性
•     2.3.6 TiO薄膜高压下特性
•   2.4 本章小结
•   参考文献
• 第三章 TiO外延薄膜磁通动力学及临界电流密度
•   3.1 引言
•   3.2 样品制备及实验方法
•   3.3 实验结果与分析
•     3.3.1 TiO薄膜基本超导电性
•     3.3.2 TiO薄膜的二维超导电性
•     3.3.3 TiO薄膜的I-V特性和涡旋玻璃转变
•     3.3.4 TiO薄膜的磁通相图
•     3.3.5 TiO薄膜的临界电流密度和钉扎机制
•   3.4 本章小结
•   参考文献
• 第四章 TiO薄膜中的量子格里菲斯奇异性
•   4.1 引言
•   4.2 样品的制备和实验方法
•     4.2.1 样品制备
•     4.2.2 结构表征
•     4.2.3 电输运测试
•   4.3 实验结果与分析
•     4.3.1 结构和化学组分表征
•     4.3.2 零磁场下厚度调制的超导绝缘体转变
•     4.3.3 WHH理论拟合的上临界场
•     4.3.4 TiO薄膜的霍尔测量和电输运分析
•     4.3.5 磁场调制的特殊的SIT转变即QGS
•     4.3.6 有限尺寸标度分析（FSS）
•     4.3.7 平均场上临界场
•     4.3.8 热激活磁通流动理论
•     4.3.9 I-V测量和Berezinski-Kosterlitz-Thouless （BKT）转变
•     4.3.10 结果讨论
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 La、LaO薄膜的制备及其压力效应
•   5.1 引言
•   5.2 样品制备及实验方法
•     5.2.1 金属La及LaO超导薄膜的制备
•     5.2.2 样品电极制作
•     5.2.3 高压输运测量方法
•   5.3 实验结果与分析
•     5.3.1 金属La薄膜的结构
•     5.3.2 金属La薄膜的电输运特性
•     5.3.3 金属La薄膜的磁性
•     5.3.4 压力下金属La薄膜的电输运性质
•     5.3.5 LaO薄膜的结构
•     5.3.6 LaO薄膜的电输运特性
•     5.3.7 LaO薄膜的磁性
•     5.3.8 压力下LaO薄膜的电输运特性
•   5.4 本章小结
•   参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张超

导师: 李晓光

关键词: 钛酸盐,薄膜生长技术,钉扎机制,量子格里菲斯奇异性,和薄膜,压力效应

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,无机化工

单位: 中国科学技术大学

分类号: TQ133.3;O511.2;TQ134.11

总页数: 160

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