拓扑绝缘体和层状钴氧化物复合物研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）

自从高温超导和巨磁电阻效应的发现，大量的试验和理论一直努力研究这些现象。研究表明：铜氧化物和水锰矿不仅有超导现象及和巨磁电阻效应:这些看起来简单的单金属与氧位面拥有非常丰富的相图,来自于电子的强自旋、电荷,轨道,晶格自由度^1-3,特别是强电子的相互作用,阻止电子填充布洛赫带,使这些系统形成纳米相分离。这个电子的作用仍然是有争议的。通常认为,超导现象和巨磁电阻现象不可能出现在一个均匀的系统内。相反的是，锰和铜氧化合物的物理复杂性也使得理解这些化合物非常困难。一些针对过渡金属氧化物的研究为铜氧化物和水锰矿有着不同的系统和不同表现行为提供了线索。各种各样的探索是富有成效的，例如,对于非常规超导体⁴和氧化钙钛矿钌矿⁵的发现。镍钴氧化物的研究也揭示了自旋电荷有序现象^6-9和纳米级相分离现象^10.11非常类似那些铜酸盐和锰;这些观察证实了电荷有序的普遍存在性。到目前为止,钴氧化物比较有趣的现象是其范围巨大的MR（Ref. 12-17） 和巨大的温差电势率，电子在热力学统计学的属性^18-21所造成的非常规超导性⁵。显然，研究钴氧化物铜酸盐或亚锰酸盐,成为了这一领域的热门话题。

图1.RBaCo₂O_{5 X}结构，X =0.5示意图。值得注意的是，在RO_X层中的氧离子表现出强烈的倾向排序;对于x= 0.5，它们形式交替填充并沿着一个轴填充

参考。 ^12，23和²⁸。

不像铜酸盐及锰，层状钴氧化物具有两个基本上不同结晶类型：即从正方形晶格CoO₂位面派生，类似于超导和巨磁电阻化合物，或者类似于Na_xCoO₂从三角形晶格CoO₂面派生。这两种情况下,Co离子因为CoO₂面电荷掺杂产生了Co₂ 价态离子和 Co_{4 1}价态离子。换句话说,一个Co原子上会掺杂电子/离子则称为“母相”。正方形晶格与三角形晶格系统有完全不同的表现。举例来说，正方形晶格钴氧化物,如La_2-xSr_xCoO₄ Bi₂Sr₂CoO₆ ,RBaCo₂O₅ x 通常来说R是稀土元素^{8,11-17,22-25} ,它的性质就如同之前提到过的立方钙钛矿 La1xSrxCoO3_.10。相比之下,三角形晶格辉钴矿^18,26,27与水化Na_xCoO₂都有超导性质⁵，这种行为上的差异可能是因为掺杂水平的不同，因为后者化合物中有更高度空穴掺杂区域，正方形晶格氧化钴的非金属态的更根本的来源是一个非常强烈的电子放电，11,25 而在三角晶格化合物这种趋势可能相当弱。

在这项工作中,我们対掺杂水平对于正方形晶格的输送与磁性质进行了研究。为此,我们选择了RBaCo₂O₅ x R是一个稀土元素化合物由于他的迷人的特性,她的巨磁电阻效应^{8 .,9,12-17,22-24,28-30} ，这个RBaCo₂O₅ x 化合物具有层状晶体结构由正方形晶格层CoO2 - BaO - CoO2 - ROx——沿c轴连续推放 如图1——所谓的“112”型结构，这个结构来源于一个简单立方钙钛矿R1-xBaxMO₃ 其中M是一种过渡金属,但与后者相比,稀土和碱土离子位于各自的层而不是随机混合。我们通过RBaCo₂O_{5 x}化合物研究含氧量的变化:

什么使RBaCo₂O₅ x 化合物的含氧量的变化，通过改变退火条件下,稀土元素ROx 位面的氧浓度如图1就可以改变RBaCo₂O₅ x的氧含量。在一定的范围里面 0 x 1 x 依赖于R3 离子^12,28 ,而在x= 0.5时的 “母相”状态氧含量与Co的纳米界面有关,它从2.5 3.5 ,进而为3 。通常,根据实验检测时距相图的固体非常耗费时间,因为需要增加很多不同成分的单晶。相比之下,对已经构成RBaCo₂O₅ x晶体生长改变不同的退火温度和氧分压,允许使用同一个单晶在整个相图中使用,通过改变氧气含量可以调节掺杂水平,使研究变得简单。

在选择RBaCo₂O_{5 x}团簇时，最好选择一个非磁性离子,如Y,以避免额外的稀土磁性相互作用。不幸的是,非磁性元素的单晶生长实际上是不可能的31 。因此,我们选择了GdBaCo₂O₅ x化合物:Gd₃ 4 离子在s轨道时,贡献了主要的顺磁性，从而引起总体磁化。同时,由于Gd元素的价电子填充不满,GdBaCo₂O₅ x的氧气含量变化很大。最近,我们成功利用悬浮区法GdBaCo₂O_{5 x},研究了x=0.5时“母相”状态17 的磁性和输送性质。

在这里,我们提出在0 x 0.77时GdBaCo₂O₅ x随着化合物掺杂浓度的变化它的磁性质变化,我们已经开发出一种技术,它提供了一个简单和精确的方法改变GdBaCo₂O₅ x单晶的氧气含量,并且成功的在x = 0.50掺杂“母相”电子与空穴。因此,我们可以比较掺杂空穴和电子下的GdBaCo₂O₅ x。

本文内容如下:我们使用悬浮区技术生长了高质量的GdBaCo₂O_{5 x}单晶,修改他们的氧含量,用去孪生技术获得单极斜方晶体。测量了详细的磁性质和输送性质数据。研究了GdBaCo₂O₅ x的氧气含量的变化。用获得的数据建立一个经验相图在本小节的末尾。基于获得的实验结果,我们首先提出一个详细的GdBaCo₂O₅ 化合物空穴和电子的“母相”定义,解释在输送过程中的巨磁电阻的起源,然后我们讨论了氧掺杂浓度对于GdBaCo₂O_{5 x}的影响,最后得出这种化合物的相图。第五部分总结了我们的发现。

我们把高质量GdBaCo₂O_{5 x}单晶用悬浮区技术处理,使用一个红外加热焚化炉进行处理，型号NEC机械SC E-15HD。首先准备固态Gd₂O₃固体用于多晶光杆的晶体生长，然后Gd2O3, BaCO3, 和CoO 干粉末混合物先后在850℃、900℃、950℃和1000°C煅烧,每次20 h,二次粉碎后继续烧结。然后得到齐次单相GdBaCo₂O₅ x粉末，然后以恒定速率的0.5毫米/小时空气流动进行晶体生长。获取出“112”晶体结构,和少量的晶体棒;这时不可避免地会有多晶的生长。使用光学显微镜和劳厄x射线背射控制晶体生长,我们选择单领域部分生长晶体棒然后切成平行六面体的结构，这种结构的样本更加适用于结构、输送性质和磁化的测量。所有的样品的晶体位面都有1°的误差。