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系統識別號 U0002-2402201013594500
中文論文名稱 銅氧平面上的雜質對超導弱鐵磁石RuSr2RCu2O8 ( R=Gd, Eu )超導性與磁性的影響
英文論文名稱 The Effect of In-Plane impurity on Superconductivity and Magnetism in Superconducting Weak Ferromagnet RuSr2RCu2O8 ( R=Gd, Eu )
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 98
學期 1
出版年 99
研究生中文姓名 吳尚倫
研究生英文姓名 Shang-Lun Wu
學號 696210227
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-01-19
論文頁數 126頁
口試委員 指導教授-林大欽
委員-王明杰
委員-彭維鋒
中文關鍵字 超導弱鐵磁石  磁阻  反鐵磁 
英文關鍵字 d-wave superconductivity  canted antiferromagnetism  magneto-transport 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 我們利用固態反應法製作了Ni和Zn摻雜RuSr2R(Cu1-xMx)2O8 (R=Gd, Eu;M=Ni, Zn)的多晶塊材樣品,並且有系統地對其作了結構、電性、磁性、磁阻、X-ray吸收光譜的量測與分析。GSAS彌合X-ray的數據發現,銅氧平面的摻雜使系統中的釕氧八面體繞著c-軸集體式的旋轉角度變小,系統的晶體結構經歷一扭曲-非扭曲的轉變。對於鎳摻雜的樣品,摻雜量的增加對於超導轉變溫度的抑制程度,遵循A-G配對破壞理論的預測;然而,鋅摻雜的樣品,摻雜量的增加對於超導轉變溫度的抑制則偏離A-G配對破壞理論的預測。相對應地,摻雜量的增加造成Gd系列樣品和Eu系列樣品的磁有序轉變溫度分別往高溫和低溫移動。再者,磁阻比值在磁轉變溫度以上,隨著溫度的下降從正比於外加磁場兩次方漸漸變為正比於外加磁場一次方。當溫度低於磁轉變溫度,外加磁場小於2~3 Tesla時,會有正磁阻的出現;外加磁場大於2~3 Tesla時,則伴隨著負磁阻的出現,其中Gd系列樣品的負磁阻比值大於Eu系列樣品,顯示兩系列樣品在低溫、高磁場下的磁結構是截然不同的。X-ray吸收光譜實驗可得知釕是以四價/五價的混合態存在於樣品中。隨著摻雜量的增加,Gd系列樣品中的釕四價含量些許增加,Eu系列樣品的釕四價含量反而減少。
英文摘要 The polycrystalline bulk samples of RuSr2R(Cu1-xMx)2O8 (R = Gd, Eu,M = Ni, Zn) were synthesized by the solid-state reaction techniques, and have been extensively investigated for structure, magnetization, resistance, and MR ratio. In powder X-ray diffraction Rietveld refinement study, we found the doping of impurity make RuO6 octahedral distort and rotate about c-axis. The crystal structure may undergo a distorted-to-undistorted transition. The Tc suppression in Ni-doped samples displays a AG-like behavior, but it in Zn-doped samples doesn’t. With the increase of the impurity, the TM of doped samples of Ru-1212Gd and Ru-1212Eu become higher and lower respectively. In MR ratio measurement, MR ratio values are proportion to Hα with α=2 above 200 K, Below 200 K we find that α continuously decreases to a value of α=1 as the magnetic ordering temperature is approached. Furthermore, just below the magnetic ordering temperature, a positive magnetoresistance is observed for low applied magnetic fields. The positive magnetoresistance was interpreted as being due to orbital magnetoresistance or spin-flip. In higher applied magnetic field, we observe the negative magnetoresistance in doped Ru-1212Gd samples, but we still observe the positive magnetoresistance in doped Ru-1212Eu samples. It reveal that the magnetic crystal structures in doped Ru-1212Gd and doped Ru-1212Eu samples are obviously different below TM , It may account for that why the Tc suppression in Ni-doped and Zn-doped samples are distinct.
論文目次 目錄
致謝 …………………………………………………… i
中文摘要 ……………………………………………………… ii
英文摘要  ……………………………………………………… iii
目錄  …………………………………………………………… iv
圖目錄  ……………………………………………………… vii
第一章 緒論 …………………………………………………… 1
1-1背景簡介 ………………………………………………… 1
1-2實驗目的與動機 ………………………………………… 7
1-3論文的架構 …………………………………………… 7
第二章 理論基礎 ……………………………………………… 9
  2-1銅氧化合物相圖 ………………………………………  9
2-2傳輸機制 ……………………………………………… 12
2-3配對破壞 ……………………………………………… 14
2-4抑制臨界溫度的原因 …………………………………… 15
2-5 Spontaneous vortex phase ……………………………… 16
  2-6磁性簡介 ………………………………………………… 17
2-7交換機制 ………………………………………………… 24
2-8 X-ray吸收光譜簡介 …………………………………… 28
第三章 樣品製備 ……………………………………………… 37
  3-1 化學藥品之準備 ……………………………………… 37
  3-2 釓基超導弱鐵磁石RuSr2GdCu2O8樣品 …………… 37
3-2 釓基超導弱鐵磁石RuSr2EuCu2O8樣品 ……………… 38
第四章 實驗裝置與量測系統 ………………………………… 44
  4-1 X-ray繞射儀 ………………………………………… 44
4-1-1 X-ray基本原理簡介 …………………………… 44
4-1-2 X-ray繞射儀實驗 ……………………………… 44
4-1-3 Gsas結構精算系統程式 ……………………… 45
4-2 管型高溫爐 ………………………………………… 48
  4-3 低溫電阻量測系統 ……………………………… 49
    4-3-1低溫電阻量測系統簡介 ………………… 49
    4-3-2低溫電阻量測部分 ……………………… 54
  4-4 物理性質量測系統PPMS …………………………… 57
    4-4-1 氣壓控制 ………………………………… 57
    4-4-2液態氦容量測量 ………………………… 58
4-4-3磁場控制 ………………………………… 60
4-5 振動樣品磁性量測儀(Vibrating Sample Magnetometer;VSM) ………………………………………………… 63
4-5-1操作原理 ……………………………… 63
4-5-2 VSM零件介紹 ………………………… 65
4- 5-3 將樣品對到線圈對的中心 ………………… 72
第五章  實驗結果與討論  …………………………………… 74
  5-1 樣品之結構分析 ……………………………………… 74
  5-2 樣品之電性分析 ……………………………………… 88
  5-3 樣品之磁性分析 ……………………………………… 96
 5-4 樣品之磁阻分析 ……………………………………… 108
5-5 吸收譜實驗數據分析 ……………………………… 117
第六章 結論  …………………………………………………  121
參考文獻 ………………………………………………………… 123
圖目錄
【圖1-1】 RuSr2(Eu, Gd)Cu2O8結構圖 ……………………… 5
【圖1-2】 RuO6八面體在[001] 平面上繞著c軸旋轉示意圖 … 6
【圖1-3】 Ru磁性對Gd, Eu影響關係圖 ……………………… 6
【圖2-1】銅氧化合物的相圖 …………………………………… 11
【圖2-2】YBa2(CuxZn1-x)3O7-δ,x = 0 ~ x = 0.1的電阻率和溫度關係圖
…………………………………………………………… 14
【圖2-3】 順磁性磁化率倒數、磁化強度與溫度之關係圖 …… 19
【圖2-4】鐵磁性物質的磁區結構示意圖 ……………………… 20
【圖2-5】磁滯曲線示意圖 ……………………………………… 21
【圖2-6】鐵磁性磁化率倒數、磁化強度與溫度之關係圖 …… 21
【圖2-7】 反鐵磁性之排列方式及磁化率與溫度的關係圖 …… 22
【圖2-8】 自旋在鐵磁序和反鐵磁序中的排列方式 …………… 23
【圖2-9】 根據罕德定則電子3d軌域的排列方式 …………… 25
【圖2-10】 龐磁阻之雙交換機制示意圖 ……………………… 25
【圖2-11】雙重交換機制 ………………………………………… 28
【圖2-12】超交換機制 …………………………………………… 28
【圖2-13】 光子能量與典型物質吸收截面關係圖 …………… 30
【圖2-14】XANES與EXAFS分界圖 ………………………… 34
【圖2-15】 光電子平均自由路徑與能量關係圖 ……………… 35
【圖2-16】 單一散射與多重散射之圖像 ……………………… 35
【圖2-17】射出電子受鄰近原子的背向散射而產生干涉現象 … 36
【圖3-1】RuSr2GdCu2O8製程流程圖 …………………………… 40
【圖3-2】RuSr2EuCu2O8製程流程圖 …………………………… 41
【圖3-3】 M-doped Ru1212 Gd/Eu的X-ray繞射圖 …………… 42
【圖3-4】SrRuO3的X-ray繞射圖 …………………………… 43
【圖4-1】Rietveld法結構晶算流程圖 ………………………… 47
【圖4-2】溫度計接線示意圖 ………………………………… 49
【圖4-3】樣品量測桿示意圖 ………………………………… 51
【圖4-4】樣品裝置處示意圖 …………………………………… 51
【圖4-5】液氦儲存桶內部構造示意圖 ……………………… 52
【圖4-6】電阻量測系統線路概要配置圖 …………………… 53
【圖4-7】樣品接上白金線示意圖 …………………………… 55
【圖4-8】等效電路圖 ………………………………………… 56
【圖4-9】PPMS壓力控制閥門管路示意圖 ………………… 57
【圖4-10】Sample Tube外觀示意圖 ………………………… 59
【圖4-11】液態氦容量測量示意圖 ………………………… 60
【圖4-12】 PPMS磁場模式示意圖 …………………………… 62
【圖4-13】 VSM訊號傳遞示意圖 …………………………… 64
【圖4-14】 Coilset Puck外觀示意圖 …………………………… 65
【圖4-15】 Coilset Puck內部構造圖 …………………………… 66
【圖4-16】Sample Tube外觀示意圖 ………………………… 67
【圖4-17】VSM裝置到PPMS示意圖 ……………………… 68
【圖4-18】Linear Motor Transport外觀示意圖 ……………… 69
【圖4-19】Linear Motor Transport內部構造圖 ……………… 69
【圖4-20】Sample Rod示意圖 ………………………………… 70
【圖4-21】Sample holder示意圖 ……………………………… 71
【圖4-22】VSM touchdown模式示意圖 ……………………… 73
【圖5-1】 Ru-1212Gd未摻雜母體有超導性和沒有超導性樣品X-ray
…………………………………………………………… 78
【圖5-2】 Ru-1212Eu未摻雜母體有超導性和沒有超導性樣品X-ray
…………………………………………………………… 78
【圖5-3】 室溫RuSr2GdCu2O8母體GSAS彌合圖形 …………… 79
【圖5-4】 室溫RuSr2Eu Cu2O8母體GSAS彌合圖形 …………… 80
【圖5-5】 RuSr2RCu2O8電阻率對溫度的關係 ………………… 85
【圖5-6】 P4/mmm和P4/mbm空間對稱群結構圖 …………… 85
【圖5-7】不同稀土元素對臨界溫度和晶格參數的關係 ……… 85
【圖5-8】Ru-1212Gd晶格常數和摻雜量的關係 ……………… 86
【圖5-9】Ru-1212Eu晶格常數和摻雜量的關係 ……………… 86
【圖5-10】釕氧八面體隨著雜質摻雜量增加結構上的變化示意圖
…………………………………………………………… 87
【圖5-11】釕氧平面隨著雜質摻雜量增加與與ab平面夾角的變化示
意圖 ………………………………………………… 87
【圖5-12】Ru-1212Gd未摻雜母體有超導性樣品之電阻與溫度關係圖 …………………………………………………… 91
【圖5-13】Ru-1212Eu未摻雜母體有超導性樣品之電阻與溫度關係圖 …………………………………………………… 91
【圖5-14】不同磁場下Ru-1212Gd未摻雜母體有超導性樣品之電阻與溫度關係圖 ……………………………………… 92
【圖5-15】不同磁場下Ru-1212Eu未摻雜母體有超導性樣品之電阻與溫度關係圖 ……………………………………… 92
【圖5-16】 Ni摻雜Ru-1212Gd樣品之電阻與溫度關係圖 …… 93
【圖5-17】Zn摻雜Ru-1212Gd樣品之電阻與溫度關係圖 …… 93
【圖5-18】Ni摻雜Ru-1212Eu樣品之電阻與溫度關係圖 …… 94
【圖5-19】Ni摻雜Ru-1212Eu樣品之電阻與溫度關係圖 …… 94
【圖5-20】不同總自旋組態的離子摻入銅氧化合物銅氧平面的示意圖 …………………………………………………… 95
【圖5-21】 Ru-1212樣品之超導臨界溫度與摻雜量關係圖 …… 95
【圖5-22】Ru-1212Gd及Ru-1212Eu未摻雜母體樣品在不同磁場下之磁化強度與溫度關係圖 ………………………… 97
【圖5-23】Ni及Zn摻雜Ru-1212Gd樣品之磁化強度與溫度關係圖
………………………………………………………… 98
【圖5-24】Ni及Zn摻雜Ru-1212Eu樣品之磁化強度與溫度關係圖
………………………………………………………… 98
【圖5-25】Ni摻雜Ru-1212Gd樣品之磁化強度與溫度關係圖
………………………………………………………… 99
【圖5-26】Zn摻雜Ru-1212Gd樣品之磁化強度與溫度關係圖
………………………………………………………… 99
【圖5-27】Ni摻雜Ru-1212Eu樣品之磁化強度與溫度關係圖
………………………………………………………… 100
【圖5-28】Zn摻雜Ru-1212Eu樣品之磁化強度與溫度關係圖
………………………………………………………… 100
【圖5-29】 Ru-1212樣品之磁轉變溫度與摻雜量關係圖 ……… 101
【圖5-30】Ru-1212Gd χM-1與溫度關係圖 …………………… 104
【圖5-31】 Ru-1212Eu χM-1與溫度關係圖 …………………… 105
【圖5-32】Ni摻雜Ru-1212Gd樣品之磁滯曲線 …………… 106
【圖5-33】Zn摻雜Ru-1212Gd樣品之磁滯曲線 …………… 106
【圖5-34】Ni摻雜Ru-1212Eu樣品之磁滯曲線 ……………… 107
【圖5-35】Zn摻雜Ru-1212Eu樣品之磁滯曲線 ……………… 107
【圖5-36】Ru-1212Gd未摻雜母體在不同溫度之MR ratio與外加磁場關係圖 …………………………………………… 110
【圖5-37】Ni摻雜Ru-1212Gd樣品在60 K之MR ratio與外加磁場
關係圖 …………………………………………… 111
【圖5-38】Zn摻雜Ru-1212Gd樣品在60 K之MR ratio與外加磁場關係圖 …………………………………………… 111
【圖5-39】 Ni摻雜Ru-1212Eu樣品在50 K之MR ratio與外加磁場關係圖 …………………………………………… 112
【圖5-40】Zn摻雜Ru-1212Eu樣品在50 K之MR ratio與外加磁場關係圖 …………………………………………… 112
【圖5-41】Ni摻雜Ru-1212Gd樣品在120 K之MR ratio與外加磁場關係圖 ……………………………………………… 114
【圖5-42】Zn摻雜Ru-1212Gd樣品在120 K之MR ratio與外加磁場關係圖 ……………………………………………… 114
【圖5-43】Ni摻雜 Ru-1212Eu樣品在110 K之MR ratio與外加磁場關係圖 …………………………………………… 115
【圖5-44】Zn摻雜 Ru-1212Eu樣品在110 K之MR ratio與外加磁場關係圖 …………………………………………… 115
【圖5-45】 Ru-1212的Ru L3-edge的X-ray吸收光譜 ………… 119
【圖5-46】 Ru-1212的Cu L3-edge的X-ray吸收光譜 ………… 120
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