強(qiáng)關(guān)聯(lián)Na-,x-CoO-,2-體系的低溫反常輸運(yùn)與自旋相關(guān)散射研究.pdf

1、層狀金屬氧化物Na<,x>CoO<,2>體系由于其存在諸多有趣和復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理機(jī)制研究上引起了人們極大的興趣，已成為近年來強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理和材料科學(xué)的一個(gè)新興前沿領(lǐng)域。特別是在應(yīng)用上，Na<,x>CoO<,2>體系是一種潛在的“電子晶體聲子玻璃”的熱電材料，即同時(shí)具備晶體的導(dǎo)電性和玻璃的熱導(dǎo)性。而且人們發(fā)現(xiàn)具有插水Na<,0.35>CoO<,2>·1.3H<,2>O化合物具有超導(dǎo)電性，其轉(zhuǎn)變溫度T<,c>=4.3 K，使得人們對

2、這類具有三角格子的Co氧化物具有極大興趣。這種新型超導(dǎo)材料已成為超導(dǎo)研究的熱點(diǎn)之一，是繼銅氧化物超導(dǎo)體之后的又一個(gè)由Mott絕緣體載流子摻雜產(chǎn)生的超導(dǎo)體。為了深入探索這種新材料的物性和超導(dǎo)機(jī)理，人們對Na<,x>CoO<,2>、Na<,0.35>CoO<,2>·1.3H<,2>O和一些相關(guān)材料進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，特別是由于電荷、軌道、自旋自由度之間的相互耦合和高的自旋極化特征，使得該體系表現(xiàn)出諸多奇異的物理性質(zhì)和豐富的物理內(nèi)涵，

3、涉及到強(qiáng)關(guān)聯(lián)和多體系統(tǒng)、金屬-絕緣(M-I)轉(zhuǎn)變等一系列凝聚態(tài)物理的基本問題。在這一研究領(lǐng)域中，對材料低溫輸運(yùn)性質(zhì)的研究是諸多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)樵诘蜏叵聼釘_動(dòng)對材料各種物理特性的影響減小，低溫下的輸運(yùn)性質(zhì)能夠直接地反映材料的本征物理行為。本文選取具有穩(wěn)定γ相結(jié)構(gòu)的Na<,x>CoO<,2>母體以及磁性Mn離子摻雜的Na<,γ>Co<,1.x>Mn<,x>O<,2>(γ=0.7)為具體研究對象，對體系的結(jié)構(gòu)和低溫反常輸運(yùn)行為進(jìn)行了系統(tǒng)

4、研究。全文共分六章，主要內(nèi)容為： 第一章綜述了強(qiáng)關(guān)聯(lián)氧化物Na<,x>CoO<,2>體系的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了Na和Co位摻雜效應(yīng)、低溫反常輸運(yùn)及其可能的物理機(jī)制。就本論文研究工作的目的、意義和主要研究內(nèi)容進(jìn)行了概括性的描述。 第二章闡述了實(shí)驗(yàn)樣品的制備方法、結(jié)構(gòu)表征、物性測量的方法和基本原理，主要包括電、磁輸運(yùn)性質(zhì)和比熱性質(zhì)等測量結(jié)果。 第三章通過制備Na<,x>CoO<,2>(x=0.60～0.78)和Na<

5、,γ>Co<,1.x>Mn<,x>O<,2>(γ=0.7，x=0～0.1)系列樣品，研究了不同Na含量的γ相的樣品的結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)特性以及磁性Mn粒子替代Co位對母體的結(jié)構(gòu)，電磁特性產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明除了Na含量為0.78的樣品，各樣品的電阻率略微增加，這個(gè)化學(xué)配比附近較容易生成穩(wěn)定的Na<,0.7>CoO<,2>樣品。對于典型的Mn摻雜的γ相的樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于Mn離子半徑大于Co離子半徑，CoO<,2>的面間距增加，晶胞參數(shù)a

6、基本不變，晶胞的體積相應(yīng)增大。對于所有的測量樣品磁測量結(jié)果，在高溫區(qū)其磁化曲線幾乎不隨溫度變化，都趨向一個(gè)穩(wěn)定的值。而隨著溫度逐漸趨于2K．未摻雜的樣品，磁化強(qiáng)度有一個(gè)由于準(zhǔn)二維的反鐵磁漲落引起微弱的增加，并且存在有不明顯的拐點(diǎn)，而對于所有的摻雜樣品，拐點(diǎn)消失，低溫區(qū)磁化曲線急劇上升。低溫區(qū)所有的摻雜樣品都滿足居里-外斯(Curie-Weiss)定律：樣品存在反鐵磁相互作用，隨著Mn摻雜量的增加這種反鐵磁相互關(guān)聯(lián)逐漸減小。隨著Mn摻雜量

7、的增加，樣品對低溫處的磁化影響尤為明顯。同時(shí)電輸運(yùn)特性的結(jié)果表明樣品輸運(yùn)特性尤其在低溫處對Mn摻雜非常敏感，x=0.03的摻雜量就可以導(dǎo)致樣品在低溫處發(fā)生金屬-半導(dǎo)體(M-SC)轉(zhuǎn)變。而在高溫處樣品的變化趨勢基本沒有變化。這些低溫物理特性的反常是有摻雜導(dǎo)致的，而磁性Mn離子在這里起著主要的作用，說明摻雜導(dǎo)致的M-SC轉(zhuǎn)變即低溫電阻最小與樣品的磁特性存在著關(guān)聯(lián)。該研究結(jié)果對Na<,x>CoO<,2>的低溫物性研究提供了一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

8、 第四章重點(diǎn)討論Na<,γ>Co<,1-x>Mn<,x>O<,2>(γ=0.7，x=0，0.03，0.07，0.1)體系的低溫電阻最小行為，對其中出現(xiàn)的電阻最小現(xiàn)象可能的物理機(jī)制進(jìn)行深入的研究。首次用各種相互作用機(jī)制分析了這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)Na<,γ>CoO<,2>體系里通過摻雜導(dǎo)致而成的低溫電阻最小。首先我們由磁測量的結(jié)果推測樣品的低溫電阻最小是由于Kondo散射引起的。繼而重點(diǎn)分析了Mn摻雜量為x=0.07的樣品。我們給出了在不同磁場下樣

9、品的物理性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁場對樣品的低溫電阻上翹抑制并不十分明顯。實(shí)驗(yàn)證明了樣品除了存在磁性摻雜導(dǎo)致的自旋相關(guān)散射以外，必定存在其他的物理機(jī)制。考慮到Na<,γ>CoO<,2>屬于強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，我們用電子電子相互作用和Kondo散射對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論擬合，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果完全一致。同時(shí)對各擬合參數(shù)進(jìn)行了分析。摻雜導(dǎo)致了電子一電子相互作用系數(shù)明顯增強(qiáng)，對樣品的低溫電阻最小起著重要的作用。證明了Na<,γ>Co<,1-x>Mn<,x>O<,2>

10、是一種“類近藤”氧化物且存在很強(qiáng)的電子一電子相互作用，且在低溫電阻最小的現(xiàn)象中起著重要的作用。該研究結(jié)果給Na<,γ>Co<,1-x>Mn<,x>O<,2>體系低溫電阻反常輸運(yùn)提供一些實(shí)驗(yàn)和理論的證據(jù)。 第五章主要給出了Na<,γ>Co<,1-x>Mn<,x>O<,2>(γ=0.7，x=0，0.03，0.05，0.07，0.1)系列樣品零場下的低溫比熱的研究結(jié)果。發(fā)現(xiàn)了在以前未摻雜母體中的在T=28K附近的低溫比熱峰。而摻雜導(dǎo)致

11、了這種尖峰的平滑，其原因可能是由于摻雜導(dǎo)致的磁漲落引起的。我們對樣品中各種產(chǎn)生比熱的可能機(jī)制進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)樣品的低溫比熱可以用電子，晶格，磁以及能級(jí)劈裂幾部分組成。摻雜對電子相互作用以及能級(jí)劈裂的比熱貢獻(xiàn)有明顯的變化，這與前文對多晶樣品的研究相一致。進(jìn)一步說明了摻雜導(dǎo)致了樣品的無序，電子電子相互作用增強(qiáng)。反映了鈷氧化物強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子特性的普遍特征，對強(qiáng)關(guān)聯(lián)Na<,x>CoO<,2>體系物理機(jī)制的理解具有重要作用。 第六章對本論文工