反鈣鈦礦MgCNi3體系的載流子和輸運(yùn)性質(zhì).pdf

1、2001年，Cava組發(fā)現(xiàn)MgCNi3具有超導(dǎo)電性(Tc～8K)，結(jié)構(gòu)為反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)（P m-3m空間群），Mg位于立方結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位置，面心的Ni原子構(gòu)成一個(gè)Ni6八面體，C位于體心。由于富含元素Ni的材料一般具有磁性，但MgCNi3卻具有超導(dǎo)電性而未表現(xiàn)出磁性。因此該材料引起了廣泛的關(guān)注，大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算工作相繼展開，揭示MgCNi3是一個(gè)以電子為載流子的單能隙的超導(dǎo)體，但在超導(dǎo)機(jī)制上仍未有統(tǒng)一的觀念。上臨界場，比熱，NMR，13

2、C的同位素效應(yīng)，單晶的磁場穿透深度以及后期測量的隧穿譜給出的是傳統(tǒng)s波超導(dǎo)體，但早期的隧道譜給出了非傳統(tǒng)的配對(duì)方式，多晶的磁場穿透深度測量給出的結(jié)論也是一個(gè)非s波的超導(dǎo)體。除了MgCNi3外，研究的熱點(diǎn)還擴(kuò)展到其他反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料，此后又發(fā)現(xiàn)了有超導(dǎo)趨勢的NbBxRh3，CaBxPd3，和YBRh3，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度跟MgCNi3接近的CdCNi3(Tc=2.5-3.2K)和ZnNNi3(Tc～3K)。除了超導(dǎo)電性外，反鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料由于

3、含有大量的磁性金屬元素（Mn，Co，F(xiàn)e等），所以還有豐富的磁性行為，另外還有最近倍受關(guān)注的負(fù)熱膨脹，及零膨脹特性。
　　 第一章我們較詳細(xì)的介紹了MgCNi3的制各方法，晶體結(jié)構(gòu)，物理性質(zhì)，電子結(jié)構(gòu)，聲子結(jié)構(gòu)，及元素?fù)诫s，給出了MgCNi3比較清晰的物理圖像，并對(duì)研究中的問題進(jìn)行了歸納總結(jié)。
　　 第二章我們的研究從MgCNi3入手，通過B摻雜，以及C空位數(shù)改變的MgCNi3的XPS研究，確定了C-Ni共價(jià)鍵間的電荷轉(zhuǎn)

4、移，揭示了在C位摻雜時(shí)會(huì)造成電荷重新分配，進(jìn)而影響到超導(dǎo)電性，并揭示出C位原子在MgCNi3超導(dǎo)中扮演的重要角色。
　　 第三章，我們先按照傳統(tǒng)的觀念，將MgCNi3當(dāng)作一個(gè)合金材料，來研究它的電阻率曲線上的兩個(gè)特殊溫度點(diǎn)(150K，50K)，發(fā)現(xiàn)了該模型的局限性。隨后我們在B摻雜的MgCNi3中發(fā)現(xiàn)了空穴導(dǎo)電的超導(dǎo)行為，使我們認(rèn)識(shí)到在MgCNi3中存在電子型和空穴型兩種載流子，由此我們引入了MgCNi3的雙帶模型。在該模型下，

5、認(rèn)為MgCNi3中同時(shí)存在電子型和空穴型兩種載流子，但有效質(zhì)量（或者費(fèi)米速率）不同。它可以很好的解釋MgCNi3正常態(tài)的電阻行為，也提出了MgCNi3以空穴作為超導(dǎo)的載流子的可能性。這與我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。
　　 第四章我們將雙帶模型在反鈣鈦礦體系中進(jìn)行推廣，在反鈣鈦礦體系中尋找具有負(fù)的電阻率-溫度曲線斜率的材料，結(jié)果在ZnCNi3-xMnx中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。在霍爾系數(shù)的測量中，我們發(fā)現(xiàn)Mg0.25Zn0.75CNi3在降溫到

6、～205K時(shí)載流子類型由空穴型轉(zhuǎn)為電子型。結(jié)合霍爾系數(shù)的測量我們發(fā)現(xiàn)，在反鈣鈦礦材料中的負(fù)的電阻率-溫度曲線斜率是在空穴導(dǎo)電占主導(dǎo)的情況下才會(huì)出現(xiàn)的結(jié)果，通常的金屬導(dǎo)電行為可以是電子型導(dǎo)電，也可以是空穴型導(dǎo)電，是兩種載流子共同作用的結(jié)果。在對(duì)ZnCNi3-xMnx的磁化率的進(jìn)行測量后，我們發(fā)現(xiàn)了50K溫度處的磁信號(hào)異常，提供了電阻率-溫度曲線上的50K特殊溫度點(diǎn)產(chǎn)生的一個(gè)可能性解釋。
　　 綜合我們研究工作，在MgCNi3中，由