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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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新型量子功能材料的高压合成和压力效应研究

刘影  
【摘要】:本论文主要介绍高压在铜氧化物超导体合成方面,以及在新型量子功能材料如铁基超导体和拓扑绝缘体压力效应研究方面的应用。主要内容包括:(一)在高温高压下制备了Sr2CuO3+δ超导体,对其进行了相关的结构和物性研究。在本组刘清青博士原有的实验基础上,进一步优化实验条件,在具有最佳掺杂的Sr2CuO3.4超导体中,大大提升了超导相含量,同时得到了Tc=75K和Tc=48K两个超导相共存材料。通过透射电镜分析,并将其与高压制备的Tc=75K样品,退火处理后的Tc=89K与Tc=95K样品透射电镜结果进行对比,得知Tc=48K样品新相具有对称性为2√2ap×2√2ap×cp的Pmmm调制结构,并绘制出所有已知超导相与其调制结构的对应表。(二)对新发现的具有四方超导相的FeS进行了系统的压力下电输运以及结构研究。当加压至0.4GPa时,即有小部分的四方相FeS转变为六方结构并且一直存在。在更高的7.4GPa出现正交相,9.0GPa转变为单斜结构。四方相FeS的超导在压力下被抑制,这一点与四方相的FeSe材料不同。随着压力增加,S-Fe-S键角略微变化,压力下的不稳定性使阴离子高度变小,远离1.38?。阴离子高度的减小以及压力下结构的不稳定可能是导致超导被压制的主要原因。另外由四方相到正交相的结构转变导致的金属-半导体相变在6.0GPa被观测到。9.6GPa以后的电阻反常上升可能是由于单斜结构的电子能带结构变换引起的。结构相变与阴离子高度决定了压力对超导性的抑制,这也侧面印证了对FeS超导体阴离子高度相比FeX4的四面体规则性来说是决定超导温度的主要因素这一观点。最终,我们建立了四方相FeS的压力温度相图,揭示了超导相FeS的结构和物性随压力的变化。(三)通过进行压力下的电输运性质和晶体结构的测量并辅以理论计算,系统研究了拓扑绝缘体HfTe5的压力效应。结果表明,伴随压力的升高可能先由弱拓扑性向强拓扑性转变,同时因为Lifshitz相变而产生的电阻异常所在温度Tp随着压力出现先降低后上升的趋势。压力上升到5.5GPa,Tp最大并伴随着超导现象的出现。该超导转变温度在20GPa左右最高,达到约5K。高压晶体结构研究表明,随着压力增加由Cmcm相转变为C2/m相,进而变为P-1相,其中超导的出现是由C2/m结构相变引起的。基于此,我们对HfTe5压力下的奇异拓扑量子现象以及拓扑相变的发生有了更深入的认识,也通过压力这一手段丰富了我们对于新型拓扑量子材料的研究。
【关键词】:高压 铜氧化物超导体 铁基超导体 拓扑绝缘体
【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】:O521.9;TB34
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-9
  • 第一章 绪论9-51
  • 1.1 引言9
  • 1.2 高压物理科学与技术9-23
  • 1.2.1 高压物理学及其发展9-14
  • 1.2.2 高压的产生与分类14-17
  • 1.2.3 静高压下压力的标定17-23
  • 1.3 金刚石压砧(DAC)及其高压在位物性测量方法23-39
  • 1.3.1 金刚石压砧(DAC)概述23-25
  • 1.3.2 金刚石压砧主要组成部分25-26
  • 1.3.3 几种金刚石压砧装置26-31
  • 1.3.4 几种辅助金刚石压砧实验技术31-34
  • 1.3.5 金刚石压砧在位测量方法34-39
  • 1.4 超导电性研究概论39-42
  • 1.4.1 超导的发现及发展39-40
  • 1.4.2 超导基本理论40-42
  • 1.5 高温超导体的研究42-47
  • 1.5.1 铜氧化物高温超导体43-45
  • 1.5.2 铁基高温超导体45-47
  • 1.6 高压技术在超导研究中的应用47-48
  • 1.7 本论文主要研究内容48-51
  • 第二章 实验设备和实验方法51-75
  • 2.1 引言51
  • 2.2 固相反应法和前驱体法51-52
  • 2.3 六面顶高压合成装置52-58
  • 2.3.1 六面顶压机的工作原理52-53
  • 2.3.2 六面顶压机的实验方法53-57
  • 2.3.3 六面顶压机的注意事项57-58
  • 2.4 基本物性测量装置58-61
  • 2.4.1 多用途测量系统(MaglabExa Measurement System)58-59
  • 2.4.2 超导量子磁强计(SQUID)和低温物性测试系统(PPMS) . 512.4.3 拉曼光谱测量系统59-60
  • 2.4.3 拉曼光谱测量系统60-61
  • 2.5 金刚石压砧和高压实验方法61-67
  • 2.5.1 金刚石压砧的基本原理61
  • 2.5.2 金刚石压砧高压实验的前期准备工作61-65
  • 2.5.3 高压实验样品组装65-66
  • 2.5.4 红宝石标压系统66-67
  • 2.6 DAC在高压物理测试中的应用67-75
  • 2.6.1 高压电学性质测试技术67-70
  • 2.6.2 高压同步辐射X射线衍射实验技术70-72
  • 2.6.3 高压拉曼光谱测试技术72-75
  • 第三章 Sr_2CuO_(3+δ)超导体的高温高压合成及顶角氧有序化研究75-83
  • 3.1 引言75-76
  • 3.2 Sr_2CuO_(3+δ)超导体的合成76-78
  • 3.2.1 Sr_2CuO_3前驱体的合成76-77
  • 3.2.2 Sr_2CuO_(3+δ)的高压合成77-78
  • 3.3 超导样品的物性测量78-81
  • 3.3.1 Sr_2CuO_(3+δ)的磁性测量78-79
  • 3.3.2 Sr_2CuO_(3+δ)的电阻测量79-80
  • 3.3.3 Sr_2CuO_(3+δ)的透射电镜研究80-81
  • 3.4 小结81-83
  • 第四章 四方超导FeS的压力效应研究83-97
  • 4.1 引言83-86
  • 4.2 四方FeS的制备与基本物性86-88
  • 4.3 四方FeS的高压电学研究88-89
  • 4.4 四方FeS的高压拉曼光谱研究89-90
  • 4.5 高压下结构的演变90-92
  • 4.6 分析讨论92-96
  • 4.7 小结96-97
  • 第五章 拓扑绝缘体HfTe_5的压力效应研究97-123
  • 5.1 引言97-110
  • 5.1.1 拓扑绝缘体97
  • 5.1.2 量子霍尔效应与量子自旋霍尔效应97-99
  • 5.1.3 二维拓扑绝缘体99-101
  • 5.1.4 三维拓扑绝缘体101-102
  • 5.1.5 ZrTe_5和HfTe_5102-110
  • 5.2 HfTe_5单晶样品的制备和基本表征110-111
  • 5.3 HfTe_5单晶高压电学测试111-117
  • 5.4 HfTe_5单晶高压结构演变117-120
  • 5.5 分析小结120-123
  • 第六章 全文总结123-125
  • 参考文献125-137
  • 个人简历及发表文章目录137-139
  • 致谢139-141

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