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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2017年
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拓扑半金属与关联金属磷族化合物超导电性的高压探索

张珊  
【摘要】:本文重点研究了近期备受关注的几种新发现的具有奇异电子结构的拓扑半金属和关联金属磷族化合物的高压行为。研究中主要采用高压输运、高压比热以及高压原位X射线衍射与吸收等测量手段对其物理性质或潜在的超导电性进行了探索性研究,旨在为理解超导机制提供压力维度的实验依据。本论文主要包括以下几部分内容:第一章主要介绍拓扑半金属的发现与研究进展,尤其介绍了拓扑半金属的晶体结构和电子结构相变等现象。同时,还介绍了重费米子超导体和铁基超导体的发展历史以及相关高压超导电性的研究进展。第二章主要介绍本文研究中所使用的高压实验设备与高压测量方法。实验设备包括金刚石对顶压砧和高压-低温-磁场测量系统;高压实验方法包括高压输运、高压比热以及高压X射线衍射与吸收。第三章主要介绍三种奇异半金属的高压研究,分别为Cd3As2,Na3Bi和PtBi2。对三维狄拉克半金属Cd3As2的高压研究表明,在压力为2.57 GPa附近,Cd3As2存在由四方(I41/acd)到单斜(P21/c)的结构相变,结构相变的发生改变了其晶体对称性。电阻由金属行为向半导体行为的转变、能隙的出现以及霍尔电阻、迁移率的大幅下降均表明压力破坏了Cd3As2的三维狄拉克半金属态。对三维狄拉克半金属Na3Bi的高压研究表明该化合物的晶体结构在高压下具有不稳定性。研究发现Na3Bi在很低压力下就已经发生结构相变,由常压下的六角结构(空间群P63/mmc)转变为立方(空间群Fm3m)与另一未知结构的混合相。在所研究的压力范围内没有超导转变被观察到。对具有大磁阻效应的PtBi2的高压研究表明压力对其正磁阻效应具有明显的抑制作用。同时,高压霍尔电阻随磁场的依赖关系表明PtBi2的电子结构对压力非常敏感。第四章主要介绍了两种关联金属的高压研究,分别为含4f电子的CeAuBi2化合物和Eu(Fe0.82Ir0.18)2As2超导体。对重费米子化合物CeAuBi2的高压研究表明,该化合物在所研究的压力范围内没有发生超导转变,而是出现了两个可能的磁相变。高压X射线衍射与吸收实验表明压致磁相变并不是由结构或者价态引起的,可能来源于电子间的相互竞争,或者来源于Ce离子自旋在压力下产生偏转所致。对Ir掺杂的超导体Eu(Fe0.82Ir0.18)2As2的高压研究表明超导相与磁插层铁磁相在3.4 GPa以下共存。在3.4 GPa以上受c方向坍塌和Eu价态的影响,超导相消失。同时,磁场数据表明磁插层铁磁相与超导相在0.4 T以下共存,磁场大于0.4 T时铁磁相被完全抑制。从微观上来看,超导相与磁插层铁磁相的相互竞争与Eu的4f,Fe的3d以及As的4p电子之间相互作用紧密相关。
【关键词】:狄拉克半金属 重费米子化合物 高压 超导 相变
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O521.2
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 绪论9-29
  • 1.1 拓扑半金属材料超导电性研究概述9-19
  • 1.1.1 拓扑半金属材料9-14
  • 1.1.2 具有奇异特性的拓扑半金属材料的研究意义与现状14-17
  • 1.1.3 高压下拓扑半金属材料超导电性的研究进展17-19
  • 1.2 重费米子体系的研究概况19-25
  • 1.2.1 重费米子材料的发现与发展19-22
  • 1.2.2 重费米子超导电性概述22-24
  • 1.2.3 高压下重费米子超导材料的研究进展24-25
  • 1.3 铁基超导的发现与研究概况25-29
  • 1.3.1 铁基超导体的发现与发展综述25-27
  • 1.3.2 具有磁插层FeAs超导体的高压研究27-29
  • 第二章 高压实验设备与实验方法简介29-39
  • 2.1 高压实验设备29-32
  • 2.1.1 金刚石对顶压砧(DAC)简介29-31
  • 2.1.2 高压-低温-磁场联合测量系统介绍31-32
  • 2.2 高压实验方法32-39
  • 2.2.1 高压原位电阻测量32-33
  • 2.2.2 高压原位霍尔效应测量33-34
  • 2.2.3 高压原位磁化率测量34-36
  • 2.2.4 高压X射线衍射与吸收测量36-37
  • 2.2.5 高压比热测量37-39
  • 第三章 奇异拓扑半金属的高压研究39-63
  • 3.1 压力导致的Cd_3As_2三维狄拉克半金属态的破坏39-47
  • 3.1.1 研究背景介绍39-40
  • 3.1.2 常压物性与结构表征40-41
  • 3.1.3 高压下三维狄拉克半金属态的坍塌41-46
  • 3.1.4 小结46-47
  • 3.2 三维狄拉克半金属Na_3Bi高压下的稳定性研究47-54
  • 3.2.1 研究背景介绍47-48
  • 3.2.2 常压物性与结构表征48-49
  • 3.2.3 高压下Na_3Bi的稳定性研究49-53
  • 3.2.4 小结53-54
  • 3.3 压力对PtBi_2正磁阻效应的抑制54-63
  • 3.3.1 研究背景介绍54-55
  • 3.3.2 常压物性与结构表征55-57
  • 3.3.3 压力对PtBi_2正磁阻效应的抑制57-61
  • 3.3.4 小结61-63
  • 第四章 关联金属的高压研究63-85
  • 4.1 新型重费米子化合物CeAuBi_2的压致磁转变63-73
  • 4.1.1 研究背景介绍63-64
  • 4.1.2 常压物性与结构表征64-65
  • 4.1.3 CeAuBi_2高压电阻和比热研究65-70
  • 4.1.4 CeAuBi_2高压X射线衍射与吸收70-72
  • 4.1.5 相图与小结72-73
  • 4.2 Eu(Fe_(0.82)Ir_(0.18))_2As_2超导体的高压研究73-85
  • 4.2.1 研究背景介绍73-74
  • 4.2.2 常压物性与结构表征74-76
  • 4.2.3 Eu(Fe_(0.82)Ir_(0.18))_2As_2的高压物性测量76-81
  • 4.2.4 高压相图81-83
  • 4.2.5 小结83-85
  • 第五章 全文总结85-87
  • 附件: Ru_2Sn_3的压致室温拓扑结构的发现87-95
  • A.1 研究背景87
  • A.2 常压物性与结构表征87-89
  • A.3 常压低温相在压力作用下向室温移动89-93
  • A.4 小结93-95
  • 参考文献95-123
  • 发表文章目录123-125
  • 致谢125-127

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