Magnetic Dynamics in Underdoped YBCO Direct Observation of a Superconducting Gap
三维拓扑绝缘体的磁电耦合效应与冷暗物质轴子
三维拓扑绝缘体的磁电耦合效应与冷暗物质轴子三维拓扑绝缘体(3D topological insulator)是一类具有特殊电子能带结构的材料,其在体内具有能隙,而在表面或边缘却存在能带交叉点形成的拓扑保护边界态。
这些边界态具有特殊的性质,如无能隙、自旋锁定等,使得它们在电子输运和自旋电子学等领域具有潜在的应用价值。
磁电耦合效应(magneto-electric coupling)是指通过磁场和电场的相互作用,导致材料内部磁性和电性之间产生耦合效应的现象。
在磁电耦合效应下,磁场可以控制电场和电流,反过来电场也可以控制磁矩的方向和大小。
这种耦合可以实现电磁波的操控、能量转换和信息存储等应用。
与磁电耦合效应相关的是一些特殊的材料,例如多铁材料。
多铁材料同时具有磁性和铁电性质,因此可以通过外界的磁场和电场激发产生强耦合效应。
这可能与一些拓扑绝缘体材料的表面电荷输运特性相结合,从而实现磁电耦合效应。
此外,通过表面修饰或多层结构等手段也可以调控3D拓扑绝缘体的磁电耦合效应。
冷暗物质轴子(cold dark matter axion)是一种理论上提出的暗物质粒子。
据一些物理学理论,冷暗物质轴子是一种质量非常轻、几乎不与普通物质相互作用的粒子,其存在可以解释宇宙学中的一些未解之谜。
然而,与3D拓扑绝缘体的磁电耦合效应之间并没有明确的直接联系。
冷暗物质轴子存在与否以及与材料性质之间的关系都需要进一步的实验证据和研究探索。
总结来说,尽管有些材料和物质的特性可能与3D拓扑绝缘体的磁电耦合效应相关,但与冷暗物质轴子之间并没有明确的直接联系。
这两者分别属于不同领域的研究课题,各自都需要进一步的实验证据和理论解释来支持和发展。
具有负膨胀性能的磁性材料
具有负膨胀性能的磁性材料前沿进展具有负膨胀性能的磁性材料术温永春王聪孙莹(北京航宅航天大学理学院凝聚态与材料物理中心北京100083)摘要文章综述了闰内外近些年来在各种磁性材料研究中发现的具有显着异常热膨胀行为的磁性化合物,其中包括反钙钛矿结构类型的Mn,AX,ThZn结构类型的RFe"1M—C和钙钛矿结构类型的R…AMnO等系列.运用磁学理论,定性分析了负膨胀产生机理,并从实际应用角度对今后此类材料的进一步研究提出了展望.关键词负膨胀(NTE),反钙钛矿,磁致伸缩,磁体移l效应MagneticmaterialswithnegativethermalexpansionWENY ong—ChunWANGCong十SUNYing (CenterforCondensedMatterandMaterialsPhysics,SchoolofScience,BeiHangUniversity ,Beijing100083,China) AbstractMagneticcompoundswithremarkablyanomalisticthermalexpansionwhichwere discovereddomesti—callyandoverseasinrecentyearsarereviewed.TheseincludeMn3AXofanti—perovskitestructure,R2Fe17一xMxCvofTh2Zn17structure,andR1一xAxMnO3ofperovskitestructure.Themechanismofnegativethermalexpan—sionisqualitativelyanalyzed,andfurtherinvestigationsareproposedwithaviewtopracticala pplications.Keywordsnegativethermalexpansion,anti—perovskite,magnetostriction,magnetovolumeeffect一般材料都具有热胀冷缩的物理性质,但随着科学技术的不断发展,越来越多的精密仪器,仪表和设备,尤其是微电子器件,要求其材料或表面具有近零的热膨胀系数,这样才能保证其在环境温度变化的情况下稳定正常地工作所以研究负膨胀(nega—tivethermalexpansion)材料和近零膨胀材料具有重要的应用价值.而且,对此类材料膨胀机理的研究本身就具有重要的理论意义一目前人们对负膨胀材料的研究重点主要集中在钼酸盐,硅酸盐,钨酸盐,磷酸盐等氧化物材料.但是,近年来研究人员发现,除因瓦合金外,某些具有自发磁体积效应(spontaneousmagnetovolume effect)的磁性材料也具有异常热膨胀,即负膨胀于是现在国内外一些学者开始关注磁性材料的这一重要性质,一方面从理论上分析其产生机理,另一方面开发新的具有实用意义的磁性负膨胀化合物.目前研究的具有负膨胀特性的磁性材料主要包括具有反钙钛矿结构的MnAX,具有Thzn结构的RFe MC,和具有钙钛矿结构的R一AMnO系列材料.1具有负膨胀性能的MnAX材料分子式为MnAX的三元锰化合物(A=Ga,A1,cu,zn,In,sn等;X=C,N)具有立方钙钛矿结构.Mn原子位于面心位置,A原子位于顶角位置,原子位于体心位置,因此人们又称其为反钙钛矿结构. 该化合物的晶体结构尽管简单,但是在电阻,磁结构和晶体结构等方面具有许多特殊转变,而且这些转变相互之问往往具有紧密联系.目前该类化合物的研究大部分集中在巨磁阻和超导材料,这里则主要关注其中某些立方反钙钛矿化合物所表现出的负膨国家新世纪优秀人才计划资助项目(批准号:NCET-05-O197); 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室开放基金资助项目2007—04—18收到初稿,2007—06—12收到修改稿十通讯联系人.Email:*****************.ell物理前沿进展胀性能.在此系列材料中,研究人员已发现立方反钙钛矿锰氮化物和锰碳化物MnAX(A:Ga,Zn,Sn;X:C,N)具有大的自发体积磁致伸缩一..如图1,在MnOaC化合物中,Mn原子磁矩仅约为1(图1 (a)),说明其具有巡游电子特征.随着温度的降低,MnOaC在250K附近由顺磁(PM)转变为铁磁(FM);温度继续下降,在150K附近,铁磁转变为反铁磁(AFM)(图1(b)).而且在不同的外场作用下,其转变温度也有明显变化在奈尔温度,材料的晶格常数和电阻率均随着温度的降低突然增加(图1(c),(d)).显然,晶格常数和电阻率的突变与反铁磁转变之间具有密切的关联,在MnSnC化合物中,随着温度的降低,磁化率,电阻和晶格常数在居里点处均有一个明显突然的增加.电阻和晶格常数的突变是由于亚铁磁转变造成的.随着温度的降低,亚铁磁相成为化合物的稳定相,亚铁磁有序使得晶胞体积增加,即自发磁体积效应.晶格常数的变化可能导致费米面从一个布里渊区进入到另一个布里渊区一MnSnC电子态密度(DOS)表明,其费米面紧挨着DOS的尖峰处一因此,费米能小的变化就能够使费米面附近DOS突然减小,这就使得有效传导电子数目明显减少,从而导致电阻突然增加= 对于MnZnN和MnGaN,随着温度的降低,晶胞体积分别在165K和290K处有一个突然的,明显的增加,如图2所示.中子衍射分析表明,在晶格突变处,伴随着具有三角r自旋结构的反铁磁转变,而晶体结构不变:电阻,磁性和晶体结构相关联的现象引起了人们对立方反钙钛矿类型化合物的广泛注意与研究最近,日本学者TakenakaK和TakagiH专门针对此类材料的负膨胀性能进行了初步的研究,并取得了一些有益的结果如图3所示,在磁性转变处,在不具有体积突变的MnCuN中掺入Ge时替代Cu,形成MnCu GeN.当赃;0.1时,产生了负膨胀,而且随着Ge含量的不同,负膨胀大小和温度范围也不同.除此之外,加入Ge还改变了MnCuN的低温结构,由四方结构变成立方结构,改变了磁性转变类型一当=0.3时,由铁磁转变变为反铁磁转变,提高了磁性转变温度,体积突变转变为体积平缓变化J.磁性转变温度与A位原子的价电子有关.经验表明,A原子的价电子越多,则其磁性转变温度越高由于Ge的价电子较多,所以掺入越多的Ge,36卷f2007年)9期言\1温度对Mn3GaC磁性,晶格常数和电阻率的影响Mn,(Cu~Ge)N磁性转变温度越高关于Ge展宽了Mn(CuGe)N的体积变化的温度范围,文献[6]推测可能是Ge产生的强烈局域无序造成的:本文作者认为,体积突变的展宽和磁性转变中磁化强度变缓相对应,而这一变缓应该是非共线性磁性转变的一种表现.所以掺杂Ge可能起到使Mn,(Cu…Ge)N中非共线性磁性加强的作用文献[7]给出了Mn,(CuGe)N磁化率随的变化情况(如图4),很明显随着的增加,磁化率变化dx/dr趋于平缓了.利用反钙钛矿MnAX做负膨胀材料不用与其他材料复合形成复合材料单相形式下就可以调制使用的温度范围和负膨胀系数,负膨胀系数可达一25 一目3\前沿进展图2(a)Mn3AN线热膨胀;(b)和磁化率倒数曲线图3Mn3(Cul…Ge)N的线热膨胀.6×10K~,且各向同性;此外,它还具有金属性,高电导率和高导热性.所以,对此类化合物的研究具有十分重要的意义.2具有负膨胀性能的RFe,一MC材料几十年来,人们对具有Thzn型结构的二元稀土化合物永磁材料R:Fe进行了大量研究,到目前为止已发现替代及加入间隙原子可以大幅度改善722?图4Mn3(CuGe)N磁化率曲线R2l7一MX(M=Cr,Mn,Si,A1等,X=B,C,N,I-/等)化合物的磁性.近年来,人们对RFe化合物的热膨胀性质产生了兴趣.研究人员发现RFe化合物具有较大的自发磁化强度以及较强的磁弹耦合系数,这些因素使得RFe化合物具有较强的自发磁致伸缩,这种强烈的自发磁致伸缩与正常的热膨胀综合的结果,使得某些RFe,化合物呈现出反常热膨胀,因而使膨胀合金具有新的应用前景.1991年, Andreev等人发现R2Fe17一M及其碳化物R2Fe17一MC在包括室温在内的较宽的温度范围内(5—400K)具有负膨胀效应,而且预测通过调整碳的含量有可能得到具有良好因瓦效应的材料8j.国内研究人员也对此系列材料进行了研究.如图5所示,化合物Tl】FeCr的铁磁转变温度与发生异常体膨胀的温度范围相对应,而且异常膨胀温度范围比较宽J.在291__672K温度范围内,平均体膨胀系数为一5.28×10~/K;在5ll_556K温度范围内为一2.10×10~/K;在556--672K温度范围内为一2.16×10~/K.除此之外,还有Y2Al3FellMn3,Pr2A1Fel6一Mn,Nd2A1Fel6一Mn,Ce2Fel7,Dy2A1Fe16~Mn和Er2A1Fe16一Mn等化合物都有类似的性质.上述所有的化合物在其居里点附近都表现出负热膨胀行为.这种反常热膨胀现象与样品的自发磁致伸缩有紧密联系.在磁性状态下,决定此类化合物热膨胀行为的因素主要有两个:一是磁有序类型随温度的变化,特别是在居里点附近,磁有序随温度升高而下降,此即正的自发磁致伸缩.二是原子的非简谐振动对热膨胀的贡献,即正常的热膨胀,它导致化合物的热胀冷缩.在此类化合物居里点附近,当自发磁致伸缩导致的化合物单胞体积收缩超过原物理前沿进展图5温度对Tb2Fel6Cr磁化强度和体积的影响子非简谐振动的贡献时,就产生了负膨胀现象.如图6所示.图6白发磁致伸缩导致负膨胀现象示意图具有负膨胀性能的R.Fe一Mc材料与反钙钛矿MnAX材料相比,其磁性转变类型比较简单, 而且其体积收缩是连续的,部分RFe化合物负膨胀温度范围较宽.但RFe化合物负热膨胀系数较小,而且是各向异性的.具有负膨胀性质的磁性合金化合物,除上述两大类以外,还有R2FeB(R=Y,Nd,Gd,Tb,Er),RFe12一M合金(M=V,Ti,Mo等)和Fe795Ga2o5等等一3具有负膨胀性能的R.一AMnO材料稀土钙钛矿锰氧化物RhAMnO(R=稀士金属元素离子,如La¨,Nd¨,Pr",等,A=碱土金属元素离子ca,sr,Ba等),因其具有超大磁电阻效应(CMR)和重要的应用价值,使得对混价钙钛矿锰氧化物的输运机制和CMR效应的机理研究直是凝聚态和材料物理领域的研究热点之36卷(2007年)9期一l10,11j.这类体系由于双交换作用和电荷/轨道有序相互关联,导致其电磁相图非常丰富.特别是电荷有序和电子去局域化间接交换作用之间的相互竞争更引起了人们的广泛关注.通常来说,双交换作用有利于铁磁金属态,而电荷/轨道有序通过超交换作用有利于反铁磁绝缘态.由于两相的竞争非常激烈,通常出现相分离现象,即铁磁磁畴与反铁磁磁畴共存.这种竞争也导致了十分有趣的现象,如电阻率的热滞现象,热电势以及晶格结构的变化等.近来研究人员也发现其具有异常的热膨胀现象'",其物理机制是同时存在两类磁有序相对温度的不同响应的综合效应.而且异常热膨胀与CMR在磁性转变点有相似的表现. 但目前还没有对此类化合物的异常热膨胀性质进行专门深入的研究.8图7温度对热膨胀率的影响[图7为LaBaMnO,在不同外场下的热膨胀率,在磁性转变温度附近,出现了明显的负膨胀现象.在外加磁场的情况下,sm.Sr.MnO,化合物体积也发生了负膨胀,在附近,负膨胀达到最大,如图8所示.图8化合物s0l55Sro45MnO3体积的异常膨胀" DetainR等人用铁磁有序与反铁磁有序状态前沿进展共存(magnetictwo—phasestateMTPS)来解释CMR现象,由于在磁性转变温度附近同时存在CMR与负膨胀现象(如图9所示)El4],所以Lal…SrMnO化合物的负膨胀性能也可由MTPS解释.龟躲量褪趁图10LaFe11_3Coo6Si1l1晶格常数及其Fe原子平均磁矩与温度的关系(插图为自发体积磁致伸缩系数与M的关系曲线)[]图9归一化温度对La一SrxMnO3单晶体积磁致伸缩的影响¨5存在的问题与展望此类化合物与立方反钙钛矿MnAX相比,虽然均为钙钛矿类型,但前者多为四方结构而后者为立方结构,而且原子占位也不同,Mn和O的位置正好交换.不过其在磁性转变点附近表现出来的一些特殊效应却有着相似之处相对来说,人们对R一AMnO材料的理论研究较MnAX材料多,所以研究MnAX材料的负膨胀性能可借鉴前者的一些理论分析4其他具有负膨胀性能的磁性材料除了以上几个系列的磁性材料外,还有一些磁性材料也具有负膨胀性能.如NaZn结构的LaFe一Si,当si含量低时,在居里点处表现出非常明显的负热膨胀;而且在铁磁状态下,晶格膨胀与磁化强度存在密切关系j,如图10所示.此外,研究人员在Gdsn,RFeB,Gd,(Fe—Ti),.,TbPdIn(DyNiA1,GdNiA1),Gd(Si,Ge),GdAJ等化合物中也发现了体积的异常膨胀一驯通过以上分析可知,这些磁性材料的异常热膨胀与其磁有序及其转变有密切关系,故可以从磁性人手研究其异常膨胀的机理,并达到控制异常膨胀的目的如可以考虑通过改变磁性转变温度来控制负膨胀产生温度,通过调控磁化强度大小来改变异常变化的程度,以及通过掺杂元素来扩展异常膨胀的温度范围.这些方法有待于进一步的研究证实.724?如上所述,立方反钙钛矿MnAX材料作为负膨胀材料具有许多优点,但能否满足实际应用其关键还在于:负膨胀效应的温度范围是否足够宽,膨胀系数是否恒定.这些也是今后此类材料研究的重点.目前,我们正在从事此类负膨胀材料的研究工作.具有负膨胀性能的RFe一MC材料除了存在上述问题外,还要解决其各向异性问题.稀土钙钛矿锰氧化物R…AMnO虽然也具有异常热膨胀,但大多在外加磁场下才具有较大的负膨胀,这就限制了其实际应用.不过,R…AMnO材料的一些研究成果可以为MnAX材料的探讨提供借鉴.对具有负膨胀性能磁性材料的研究主要运用磁学理论.然而在铁磁学已建立的理论中,大部分仍落后于实验和应用的现状和发展要求,也许这是长期存在的矛盾.所以要利用磁学理论严格地分析和指导此类材料的研究困难很大.但我们可以在实验结果的基础上不断选择一些更符合实验现象的磁学理论与模型,逐渐从定性分析走向定量分析.因此,对它们的研究不仅具有实际应用价值,而且有重要的理论意义具有负膨胀性能磁性材料的一个共性是都具有较大的自发体积磁致伸缩,但它们与普通的磁致伸缩材料不同普通的磁致伸缩材料是材料在外磁场的作用下,磁化状态改变时产生形状变化(主要是线磁致伸缩).而具有负膨胀性能的磁性材料是指在磁有序转变温度附近由于磁性能的变化与其晶格物理前沿进展变化密切相关而产生负膨胀效应的材料.磁性材料种类繁多,有容易被磁场磁化的软磁材料,持续产生磁场的永磁材料,改变磁化方向而记录情报的磁记录材料,利用光进行记录和再生的光磁记录材料,电阻随磁场大小而变化的磁阻材料,由磁化而导致体积变化的磁致伸缩材料,能自由改变粘性乃至形状的磁流体材料等等.将来,随着科研人员在磁性负膨胀研究领域的不断深入与发展,很可能产生另一类新的磁性材料——磁性负膨胀材料.参考文献[1]王聪,王天民,沈容等.物理,2001,30:772[WangC,Wang TM,ShengReta1.Wuli(Physics)2001,30:772][2]FruchartD,BeaautEF.J.Phys.Soc.Jpn.,1978,44:781[3]KimWS,ChiE0,KimJCeta1.SolidStateCommun., 2001,119:507[4]"YB,LiWF,FengWJa1.Phys.Rev.B,2005,72:0244ll[5]Motizuki,NagaiH.J.Phys.C,1988,21:5251[6]TakenakaK,TakagiH.App1.Phys.Lett.,2005,87:261902[7]TakenakaK,TakagiH.Mater.Trans.,2006,47:471[8]HaoYM,ZhaoM,ZhouY eta1.Scriptamaterialia.,2005,53:357[9]DuH,ChengBeta1.J.App1.Phys.,2005,97:1[10]JinS,Tei~lTH,McCormackMeta1.Science,1994,264:413[11]JinS,BryanHM,TiefelTHeta1.App1.Phys.Lett.,1995,66:3[12]DeminRV,KorolevaLI,BalbashovAM.PhysicsLettersA,1997,231:279[13]MarquinaC,IbarraMR,AbramovichAIeta1.J.Magn.Magn.Mate.,2001,(226—230):999[14]DeminR,KorolevaL,SzymczakReta1.PhysicsLettersA,2002,296:139[15]DeminRV,KorolevaLI,PrivezentsevRV eta1.PhysicsLet-tersA,2004,325:426[16]WangF,KurbakovA,WangGeta1.PhysicaB,2006,(385—386):343[17]Y angH,RaoG.JournalofAlloysandCompounds,2004,368:248.[18]Y angN,DennisKW.JoumalofMagnetismandMagneticMa-terials,2005,295:65[19]MorellonL,AlgarabelPA.J.Magn.Magn.Mate.,1995,150:285[20]DanisS,JavorskyP,R~fajaD.JournalofAlloysandCom-pounds,2002,345:100000◆00◆00◆0c◆…0O◆00◆00◆..◆00◆OO◆00◆00◆.OO00◆00◆00◆0.◆0●00◆00◆00◆00◆c0◆00◆00◆00◆0.◆00◆00◆00◆00◆00◆00◆o0◆00◆OO◆00◆00◆00◆00◆0.◆00◆00◆0中国物理学会通讯?第六届周培源物理奖获奖成果介绍获奖项目:重味,超对称和新物理现象获奖者:黄朝商(中国科学院理论物理研究所)黄朝商及其合作者在两个Higgs二重态模型(2HDM)和超对称模型里计算了B介子的稀有半轻子衰变的有效哈密顿量,给出了由于中性Higgs玻色子贡献所诱导的新的算符和对应的领头阶Wilson系数的演化,揭示了在超对称模型里tan13大时Higgs传递的味道改变中性流导致衰变振幅有大的增长(比例于tan13的三次方),揭示了B一一是在LHC上最有希望找到新物理(特别是超对称模型里的Higgs玻色子)证据的过程之一.他在超对称模型里计算了中性Higgs玻色子对B介子的稀有半轻子衰变的贡献,指出计人中性Higgs玻色子的贡献时B—Kzz一(z=,丁)的前后不对称不为零;揭示了在重夸克极限下—的极化与重子的结构无关.他指出,B和B介子的稀有轻子衰变如Bfdl)一一和B一下丁一的cP破坏,在标准模型里不可观察地小,在cP软破缺的2HDM和超对称模型里可以达到百分之几或几十,并指出这一观测量没有由于对低能强作用不够了解而造成的理论不确定性.他将中性Higgs玻色子的效应的研究从轻子和半轻子末态推广到强子末态.他指出,在超对称模型里tanB大时,在Tevatron上通过bg—bH道有可能发现超对称模型里的中性Higgs玻色子.本项研究的成果对于发现新物理或检验标准模型以及B物理有重要意义,有助于在大型加速器LHC上发现Higgs粒子和超对称粒子这一目标的实现,对有关实验有指导意义.36卷(2007年)9期。
悬浮偶极场磁约束dipole field magnetic confinement
悬浮偶极场磁约束dipole field
magnetic confinement
悬浮偶极场磁约束(Dipole Field Magnetic Confinement)是一种重要的磁约束技术,在核聚变研究中扮演着至关重要的角色。
该技术通过特定的磁场配置,实现对高温等离子体的稳定悬浮和约束,从而为核聚变反应提供了必要的条件。
在悬浮偶极场磁约束中,一个关键要素是偶极磁场(dipole field)的创建。
这种磁场通常由一对相对的磁极产生,它们之间的磁力线形成一个封闭的环路。
当等离子体被注入到这个磁场中时,由于洛伦兹力的作用,带电粒子会沿着磁力线运动,并被限制在磁场的特定区域内。
这种约束作用有助于防止等离子体与容器壁的直接接触,从而减少了能量损失和杂质污染。
悬浮偶极场磁约束的另一个显著特点是其悬浮能力。
通过精确控制磁场的强度和分布,可以使得等离子体在磁场中达到一种动态平衡状态,即悬浮状态。
在这种状态下,等离子体既不会接触到容器壁,也不会因自身重力而塌缩,从而保证了聚变反应的持续进行。
然而,悬浮偶极场磁约束也面临着一些挑战。
例如,由于等离子体的不稳定性和磁场的不均匀性,可能会导致等离子体的逃逸和能量损失。
此外,高温等离子体中的热辐射和粒子输运也会对磁约束效果产生不利影响。
为了克服这些难题,研究人员正在不断改进磁场设计、优化等离子体参数以及探索新的磁约束技术。
总的来说,悬浮偶极场磁约束是一种具有广阔应用前景的磁约束技术。
随着科学技术的不断进步和创新,相信在未来会有更高效、更稳定的磁约束方案问世,为核聚变能源的发展提供有力支持。
空芯螺线管型YBCO超导储能磁体的优化设计王浩
第36卷 第6期 2 0 1 4 年 12 月
低 温 物 理 学 报 CHINESE JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSICS
Vol.36,No.6 December 2 0 1 4
100kJ空芯螺线管型 YBCO 超导储能磁体的优化设计*
王 浩 朱英伟 陈彬兵 姚 领
【Abstract】 Small superconducting magnet energy storage system (SMES)played an important role in the applica- tion of maintaining the stability of the smart grid .This paper contributed the electromagnetic model of small sole- noid SMES using YBCO tape by Ansoft Maxwell.Considering anisotropy of the YBCO critical current,this paper made up the function of the maximum magnetic field intensity which has a 40°angel to YBCO tape in Ansoft Maxwell field caculator.These make the calculation of the YBCO magnets critical current,the actual running current and practical energy storage capacity rapidly and accurately.Transformed the magnet shape variable space,and made use of parametric calculation in order to narrow the search range as well as shortening the convergence time of optimiza- tion algorithm.Based on the above work,this paper designed and optimized a 100kJ solenoid HTS magnet,and an- alyzed the optimization results.
导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应
㊀第40卷㊀第10期2021年10月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.40㊀No.10Oct.2021收稿日期:2021-01-25㊀㊀修回日期:2021-02-10基金项目:国家自然科学基金面上项目(11874098);兴辽英才计划资助项目(XLYC1807156);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT20LAB111)第一作者:王孟怡,女,1995年生,硕士研究生通讯作者:邱志勇,男,1978年生,教授,博士生导师,Email:qiuzy@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202101019导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应王孟怡,邱志勇(大连理工大学材料科学与工程学院三束材料改性教育部重点实验室辽宁省能源材料及器件重点实验室,辽宁大连116000)摘㊀要:自旋霍尔效应及其逆效应作为自旋电子学中实现自旋-电荷转换的核心物理效应,对纯自旋流的产生㊁探测有着重要的应用价值,是自旋电子器件开发与应用的关键技术节点㊂对高自旋-电荷转换效率材料体系的探索与开发是该领域的核心课题㊂以导电氧化铋薄膜为对象,研究其中的逆自旋霍尔效应㊂采用交流磁控溅射系统,使用氧化铋陶瓷靶制备了不同厚度的导电氧化铋薄膜,并与坡莫合金薄膜构成铁磁/非磁双层自旋泵浦器件,在该器件中首次观测并确认了导电氧化铋薄膜中逆自旋霍尔效应所对应的电压信号㊂通过逆自旋霍尔电压对氧化铋薄膜厚度的依存关系,定量地估算了氧化铋薄膜的自旋霍尔角及自旋扩散长度㊂通过提出一种新的具备可观测逆自旋霍尔效应的材料体系,不仅拓展了自旋电子材料的选择空间,也为新型自旋电子器件的设计和应用提供了思路㊂关键词:氧化铋;导电氧化物;逆自旋霍尔效应;自旋霍尔角;自旋扩散长度;自旋泵浦中图分类号:O469㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2021)10-0756-05Inverse Spin Hall Effect of Conductive Bismuth OxideWANG Mengyi,QIU Zhiyong(Key Laboratory of Energy Materials and Devices (Liaoning Province),Key Laboratory of Materials Modificationby Laser,Ion and Electron Beams,Ministry of Education,School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116000,China)Abstract :The direct and inverse spin Hall effect is the key effect for spin-charge conversion in spintronics,which plays avital role in the generation and detection of pure spin currents.It is a core issue to develop and explore materials with high spin-charge conversion efficiency.Here,we demonstrate the inverse spin Hall effect in a conductive bismuth oxide.The bis-muth oxide thin films with different thicknesses were prepared from a sintered bismuth oxide target by an rf-sputtering sys-tem.Then,permalloy /bismuth oxide bilayer spin pumping devices were developed,with which voltage signals corresponding to the inverse spin Hall effect were confirmed by the spin pumping technique.Furthermore,by systematical studying of bis-muth-oxide thickness dependence of those spin Hall voltages,the spin Hall angle and spin diffusion length were quantitative-ly estimated.Our results propose a novel system with an observable inverse spin Hall effect,which expands the possibility of spintronic materials and guides a new path for the development of spin-based devices.Key words :bismuth oxide;conductive oxide;inverse spin Hall effect;spin Hall angle;spin diffusion length;spin pumping1㊀前㊀言自旋电子学是以电子的量子自由度自旋为研究核心的新兴科研领域[1]㊂因在电子信息领域中的巨大应用潜力,自旋电子学建立伊始即吸引了众多研究者,现今是凝聚态物理领域不可忽视的科研分支之一㊂凝聚态体系中自旋的产生㊁操纵与检测相关的机理探讨和应用拓展是自旋电子学领域的核心课题[2]㊂本文所讨论的逆自旋霍尔效应即自旋霍尔效应的逆效应,是实现自旋流向电流转换的重要物理效应,其对自旋流特别是纯自旋流的检测有着不可替代的应用价值㊂逆自旋霍尔效应一方面可直接应用于弱自旋流的检测,另一方面也可作为自旋流-电流的转换媒介实现自旋向电荷体系的能量及信息传博看网 . All Rights Reserved.㊀第10期王孟怡等:导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应递[3-5]㊂而逆自旋霍尔效应的应用长期受制于自旋流-电流转换效率,即自旋霍尔角[6]㊂因此,新材料体系的探索及高自旋霍尔角材料的开发是逆自旋霍尔效应应用的关键所在㊂由于具有较大的自旋轨道耦合强度,重金属及其合金体系长期以来是高自旋霍尔角材料的研发重点[7-17]㊂其中贵金属Pt和Au的自旋霍尔角在室温附近分别可达11%ʃ8%和11.3%[7,8],是最常用的自旋霍尔材料㊂重金属合金AuW及CuBi报道的自旋霍尔角也达到10%以上[9,10]㊂此外,其它材料如半导体体系也是逆自旋霍尔效应的研究热点㊂2012年,Ando等[18]首次在室温下观测到p型半导体Si中的逆自旋霍尔效应,开拓了半导体中自旋霍尔效应及其逆效应的研究㊂此外,Olejník等[19]在外延的GaAs超薄膜中观测到逆自旋霍尔效应,并估算其自旋霍尔角θSHEʈ0.15%㊂有机聚合物体系中也被发现具有可观测的逆自旋霍尔效应[20,21]㊂Qaid等[20]在导电聚合物PEDOTʒPSS中观测到约2%的自旋霍尔角,进一步拓展了逆自旋霍尔效应的材料空间㊂另一方面,氧化物因其数量庞大的物质群及丰富多变的物理特性,一直以来都是凝聚态物理和材料研究的重点㊂而氧化物具有合成容易㊁性能稳定㊁价格低廉等特点,成为应用型功能材料的优先选项㊂自旋电子学领域的研究者很早就关注并对氧化物中的逆自旋霍尔效应进行了探索㊂在导电氧化物ITO㊁IrO2等材料中先后观测到逆自旋霍尔效应[22-24]㊂其中5d金属氧化物IrO2的自旋霍尔角达到6.5%[24],揭示了重金属氧化物作为自旋功能材料应用的可能,也拓展了氧化物体系中自旋霍尔功能材料的开发方向㊂本工作以导电氧化铋(Bi2O3)薄膜为研究对象,构建并制备了坡莫合金(Py)/Bi2O3的双层自旋泵浦器件㊂并利用自旋泵浦技术对Bi2O3中的逆自旋霍尔效应进行了系统的研究㊂首先在Bi2O3薄膜中观测并确认了逆自旋霍尔效应对应的电压信号;通过对Bi2O3薄膜厚度与信号强度的系统分析,确认该信号与自旋泵浦效应的等效电路模型预测相符;并定量地给出了Bi2O3薄膜的自旋霍尔角和自旋扩散长度㊂2㊀实验原理与方法本工作通过交流磁控溅射由烧结Bi2O3靶材制备了Bi2O3薄膜㊂通过控制成膜时气压(Ar:0.7Pa)及后期真空热处理工艺(<3ˑ10-5Pa,1h@500ħ),在具有热氧化层的硅基板上成功制备了导电Bi2O3薄膜㊂利用四端法确定Bi2O3薄膜的的电导率为2.1ˑ104Ω-1㊃m-1㊂通过改变成膜时间,系统地制备了膜厚范围在12~112nm的Bi2O3薄膜㊂并利用电子束沉积技术将10nm的Py薄膜与Bi2O3膜复合,构建了如图1a所示的Py/Bi2O3双层自旋泵浦器件㊂其中由10nm的Py单层薄膜测得的电导率为1.5ˑ106Ω-1㊃m-1㊂图1b是具有SiO2氧化层的硅基板上沉积的Py/Bi2O3双层膜的X射线衍射图谱,其中Py层与Bi2O3层的厚度分别为10和32nm㊂在2θ=69.1ʎ附近可观测到属于硅基板(400)晶面的强衍射峰;而2θ=27.7ʎ附近可以观测到微弱的特征衍射峰,对比衍射数据库可以判断该衍射峰来源于δ-Bi2O3的(111)晶面;除此之外,无明显可观测的衍射峰,由此判断器件中的Bi2O3为萤石结构的δ-Bi2O3相[25-27],并具备法线方向为[111]的择优取向㊂考虑到测得的薄膜电导率与离子导电的纯δ-Bi2O3的电导率之间存在差异[28],不能排除器件中的Bi2O3薄膜存在氧缺陷或伴生金属铋相从而导致薄膜的电导率上升㊂在衍射图谱中没有明显的氧化硅及Py特征峰,可以归因于氧化硅和Py均为非晶态结构且Py层膜厚过薄㊂图1㊀Py/Bi2O3双层膜器件及自旋泵浦实验设置示意图,H为外加磁场(a);具有SiO2氧化层的硅基板上Py/Bi2O3双层膜的X射线衍射图谱(b)Fig.1㊀Schematic illustration of the Py/Bi2O3bilayer system and spin-pumping set-up,H is the external magnetic field(a);XRD patterns of the Py/Bi2O3bilayer film on an oxidizedsilicon substrate(b)图1a还给出了自旋泵浦实验设置的示意图㊂实验样品置于TE011微波谐振腔中心,微波谐振腔特征频率为9.444GHz,此时样品处微波的电场分量取最小,而磁场分量取最大㊂同时在样品膜面方向上施加外磁场H㊂在微波的交变磁场与外磁场的共同作用下,当微波频率f 与外磁场大小H满足共振条件:757博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷2πf =μ0γH FMR (H FMR +4πM s )(1)Py 中的铁磁共振被激发,其中γ和4πM s 分别是Py 薄膜的有效旋磁比和饱和磁化强度[29]㊂由自旋泵浦模型可知,此时Py 与Bi 2O 3薄膜界面产生自旋积累,纯自旋流J s 将通过界面注入到Bi 2O 3层中[20-22,29-36]㊂由于Bi 2O 3中的逆自旋霍尔效应,该自旋流将被转换为电流,并以电场E ISHE 的形式被检测㊂这里E ISHE :E ISHE ɖJ s ˑσ(2)其中,σ为磁性层的自旋极化矢量,E ISHE ,J s 与σ互为正交矢量时E ISHE 取最大值㊂E ISHE 可以通过Bi 2O 3表面两端的电极测量㊂3㊀结果与讨论图2a 给出了Py /Bi 2O 3双层膜器件中测得的典型铁磁共振微分吸收谱d I (H )/d H ㊂其中I 为微波吸收强度,H 为外磁场强度㊂由共振微分吸收谱可知,在H FMR ʈ99mT时,d I (H )/d H=0,即该磁场强度处微波吸收强度I 达到最大值,为Py 的铁磁共振场㊂图中正负峰值的间距对应图2㊀Py /Bi 2O 3双层膜铁磁共振微分吸收谱d I (H )/d H 和外加磁场H 的依存关系,I 为微波吸收强度(a);Py /Bi 2O 3双层膜中测得的电压信号V 与磁场强度H 的关系图,其微波功率为200mW(图中空心圆为实测数据,红色虚线为Lorentz 及其微分函数的拟合结果,蓝绿虚线分别为拟合曲线中的对称和反对称分量)(b)Fig.2㊀External magnetic field H dependence of the FMR signal d I (H )/d H for the Py /Bi 2O 3bilayer film,I denotes the microwave ab-sorption intensity (a);external magnetic field H dependence of the voltage signal V for the Py /Bi 2O 3bilayer film excited by mi-crowave with a power of 200mW (open circles are the experimen-tal data,the dash curves are the fitting results)(b)铁磁共振线宽W ,对比单层10nm 的Py 薄膜,Py /Bi 2O 3双层膜的铁磁共振线宽W 明显增大,表明在双层膜器件中由于铁磁共振的激发,产生了基于自旋泵浦效应的自旋流[31]㊂该自旋流通过Py /Bi 2O 3界面被注入到Bi 2O 3层㊂如图2b 所示,当固定微波功率为200mW 时,Py /Bi 2O 3双层膜在垂直于外磁场方向上可以测得与铁磁共振相对应的电压信号,其电压峰值对应的磁场基本与铁磁共振场H FMR 相符㊂利用Lorentz 及其微分函数拟合,可以很好地再现电压V 与磁场H 的依存关系(图2b)㊂其中,Lorentz 微分函数的反对称分量通常归因于自旋整流及其他效应的贡献[29,32-34]㊂从拟合参数可知反对称分量在整个电压信号中的占比小于5%㊂而Lorentz 函数的对称分量V s 主要归因于自旋泵浦产生的自旋流所对应的电压,其峰位与铁磁共振场H FMR 完全对应㊂同时考虑到无法排除对称信号中自旋整流效应的贡献,将电压信号中对称分量V s 定义为[28]:V s =V ISHE +V sr ㊂其中V ISHE 为逆自旋霍尔效应对应的电压信号,V sr 对应自旋整流效应的电压信号㊂图3a 和3b 分别给出了在外磁场方向不同的情况下测得的铁磁共振微分吸收谱d I (H )/d H 与电压信号V 对外磁场强度H 与铁磁共振场H FMR 的差值的依存关系图,其中外磁场方向角θH 的定义如图3c 中的插图所示㊂在改变外磁场方向角θH 的情况下,微波微分吸收谱的形状与线宽基本没有发生改变(图3a)㊂而电压信号V 随θH 的变化产生了较大的差异(图3b),当外磁场平行于膜面,即θH =ʃ90ʎ时,电压峰值取最大值,符号相反;当外磁场垂直于膜面,即θH =0ʎ时,电压峰信号消失㊂由式(2)可知,在自旋泵浦实验中逆自旋霍尔效应的信号大小与磁性层中的自旋极化方向相关,即E ISHE ɖsin θM ㊂这里θM 对应铁磁薄膜磁化方向与薄膜法线方向的夹角,可以根据铁磁共振场数据及外磁场方向角θH 计算获得[22,31,35]㊂考虑到薄膜样品中退磁场的影响,当且仅当磁场方向与膜面平行或在法线方向(即θH =ʃ90ʎ,0ʎ)时,铁磁薄膜的磁化方向与外磁场方向相同,此时E ISHE 取正负最大值和零㊂在Py /Bi 2O 3双层膜器件中测得的电压信号很好地符合了该实验模型㊂对所有外磁场方向角θH 下测得的电压数据进行Lorentz 及其微分函数拟合,分离出的电压信号对称分量V s 与外磁场方向角θH 的关系如图3c 所示㊂铁磁层Py 磁化强度M //H eff =H +H M ,这里H 为外加磁场,H M 为Py 薄膜的退磁场㊂V s 的磁场方向角θH 依存可以很好地基于自旋泵浦的动力学模型拟合[22,31,35,36],从而验证了V s中逆自旋霍尔效应的贡献占主导地位㊂857博看网 . All Rights Reserved.㊀第10期王孟怡等:导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应图3㊀不同外磁场方向角θH 下Py /Bi 2O 3双层膜的铁磁共振微分吸收谱d I (H )/d H (a)和电压信号V (b)与外磁场强度H 和铁磁共振场H FMR 差值的关系图;电压信号对称分量V s 与外磁场方向角θH 的关系图(实验数据表示为空心菱形,红色实线为拟合结果,插图中定义了外磁场方向角θH )(c)Fig.3㊀H -H FMR dependence of FMR signals d I (H )/d H (a)and voltagesignals V (b)for the Py /Bi 2O 3bilayer film at various out-planemagnetic field angles θH ;the out-plane magnetic field angle θHdependence of V s (the out-plane magnetic field angle θH is deter-mined in the insert)(c)㊀㊀图4a 中给出了在不同微波功率P MW 下的电压信号V 与外磁场H 的依存关系㊂与自旋泵浦模型的预期相符,电压峰值随着P MW 的增加而增大㊂图4b 为电压信号的对称分量V s 与微波功率P MW 的关系㊂由图可见,在微波功率为0~200mW 范围内,V s 与P MW 呈线性关系,与直流自旋泵浦模型的预测一致[22,30,35]㊂图5给出了Py /Bi 2O 3器件中的V s 对Bi 2O 3层厚度d N的依存关系㊂V s 随Bi 2O 3层厚度d N 的增大而减小,这基本可以归因于随Bi 2O 3层厚度d N 增加所导致的器件整体电阻的减小㊂该结果明显区别于Py /Bi 自旋泵浦器件中自旋泵浦信号随Bi层厚度的增加而先增加后减小的结图4㊀不同微波功率P MW 下的Py /Bi 2O 3双层膜的电压信号V 与磁场H 的关系图(a),电压信号对称分量V s 与微波功率P MW 的依存关系图(b)Fig.4㊀External magnetic field H dependence of voltage signals V for thePy /Bi 2O 3bilayer film at various microwave powers P MW (a),the P MW dependence of the voltage signal V s (b)果[37]㊂因此,在这里忽略可能存在的Rashba-Edelstein 效应等界面效应的影响,根据等效电路模型[29,31],同时考虑到Py 层中自旋整流效应的可能贡献,将V s 表示为[29]:V s =V ISHE +V sr=ωθSHE λtanh(d N /2λ)d N σN +d F σF 2e ћ()j 0s +j srd N σN +d F σF(3)其中,d N ㊁d F ㊁σN 和σF 分别表示Bi 2O 3层和Py 层的厚度d 和电导率σ;j 0s 是Py /Bi 2O 3界面处的自旋流密度,可以通过Py 层中铁磁共振线宽W 的变化量计算获得;j sr表示自旋整流效应对应的等效电流㊂利用式(3)对V s 与Bi 2O 3层厚度d N 依存关系的实验数据进行拟合,可以获得Bi 2O 3薄膜中的自旋霍尔角θSHE 及自旋扩散长度λ㊂如图5所示,拟合所得的θSHE 和λ的上限分别为0.7%和6.5nm,而θSHE 和λ的最佳估测值分别为0.5%和3.5nm㊂4㊀结㊀论本工作利用自旋泵浦效应首次在导电Bi 2O 3薄膜中观测并确认了逆自旋霍尔效应㊂在Py /Bi 2O 3双层膜中探测到的电压信号与逆自旋霍尔效应和自旋泵浦效应的模型相符㊂通过系统探讨逆自旋霍尔电压与Bi 2O 3薄膜厚度的关系,定量地给出了导电Bi 2O 3薄膜中的逆自旋霍尔角约为0.5%,自旋扩散长度约为3.5nm㊂导电Bi 2O 3中逆自旋霍尔效应的发现,不仅拓宽了逆自旋霍尔效应957博看网 . All Rights Reserved.中国材料进展第40卷图5㊀Py/Bi2O3双层膜中Bi2O3厚度d N与电压信号对称分量V s的依存关系(实验数据表示为空心圆,实线为式(3)的拟合结果,插图为Py/Bi2O3双层膜系统中考虑了逆自旋霍尔效应和自旋整流效应的等效电路图)Fig.5㊀The experimental and fitting results of Bi2O3thickness d N dependence of V s for the Py/Bi2O3bilayer films(the insert is theequivalent circuit of the Py/Bi2O3bilayer system,in which inversespin Hall effect and spin-rectification effect are both considered)材料的选择范围,也为新型自旋电子器件的设计和应用提供了新的选择㊂参考文献㊀References[1]㊀FLATTE M E.IEEE Transactions on Electron Devices[J],2007,54(5):907-920.[2]㊀TAKAHASHI S,MAEKAWA S.Science Technology Advanced Materi-als[J],2008,9(1):014105.[3]㊀SCHLIEMANN J.International Journal of Modern Physics B[J],2006,20:1015-1036.[4]㊀JUNGWIRTHT,WUNDERLICH J,OLEJNIK K.Nature Materials[J],2012,11(5):382-390.[5]㊀NIIMI Y,OTANI Y.Reports on Progress in Physics[J],2015,78(12):124501.[6]㊀SINOVA J,VALENZUELA S,WUNDERLICH J,et al.Reviews ofModern Physics[J],2015,87(4):1213-1260.[7]㊀SEKI T,HASEGAWA Y,MITANI S,et al.Nature Materials[J],2008,7(2):125-129.[8]㊀ALTHAMMER M,MEYER S,NAKAYAMA H,et al.Physical Re-view B[J],2013,87(22):224401.[9]㊀LACZKOWSKI P,ROJAS-SÁNCHEZ J C,SAVERO-TORRES M,etal.Applied Physics Letters[J],2014,104(14):142403. [10]NIIMI Y,KAWANISHI Y,WEI D H,et al.Physical Review Letters[J],2012,109(15):156602.[11]VLAMINCK V,PEARSON J E,BADER S D,et al.Physical ReviewB[J],2013,88(6):064414.[12]FAN J Y,EOM J.Applied Physics Letters[J],2008,92(14):142101.[13]HAHN C,LOUBENS G,KLEIN O,et al.Physical Review B[J],2013,87(17):174417.[14]MOROTA M,NIIMI Y,OHNISHI K,et al.Physical Review B[J],2011,83(17):174405.[15]MOROTA M,OHNISHI K,KIMURA T,et al.Journal of AppliedPhysics[J],2009,105(7):07C712.[16]PAI C F,LIU L Q,LI Y,et al.Applied Physics Letters[J],2012,101(12):122404.[17]NIIMI Y,MOROTA M,WEI D H,et al.Physical Review Letters[J],2011,106(12):126601.[18]ANDO K,SAITOH E.Nature Communications[J],2012,3(1):629.[19]OLEJNÍK K,WUNDERLICH J,IRVINE A C,et al.Physical ReviewLetters[J],2012,109(7):076601.[20]QAID M M,MAHANI M R,SINOVA J,et al.Physical Review Re-search[J],2020,2(1):013207.[21]QIU Z Y,URUICHI M,HOU D Z,et al.AIP Advances[J],2015,5:057167.[22]QIU Z Y,KAJIWARA Y,ANDO K,et al.Applied Physics Letters[J],2012,100(2):022402.[23]QIU Z Y,HOU D Z,KIKKAWA T,et al.Applied Physics Express[J],2015,8(8):083001.[24]FUJIWARA K,FUKUMA Y,MATSUNO J,et al.Nature Communica-tions[J],2013,4(1):2893.[25]BOYAPATI S W,CHAKOUMAKOS E D,BRYAN C.Solid State Ion-ics[J],2001,138(3/4):293-304.[26]BATTLE P D,CATLOW C R A,DRENNAN J,et al.Journal ofPhysics C:Solid State Physics[J],1983,16(17):561-566. [27]JOLLEY A G,JAYATHILAKE R,WACHSMAN E D,et al.Ionics[J],2019,25(8):3531-3536.[28]LAURENT K,WANG G Y,TUSSEAU-NENEZ S,et al.Solid State I-onics[J],2008,178(33):1735-1739.[29]QIU Z Y,AN T,UCHIDA K,et al.Applied Physics Letters[J],2013,103(18):182404.[30]KAJIWARA Y,HARII K,TAKAHASHI S,et al.Nature[J],2010,464(7286):262-266.[31]ANDO K,TAKAHASHI S,IEDA J,et al.Journal of Applied Physics[J],2011,109(10):103913.[32]BAI L H,HYDE P,GUI Y S,et al.Physical Review Letters[J],2013,111(21):217602.[33]HARDER M,CAO Z X,GUI Y S,et al.Physical Review B[J],2011,84(5):054423.[34]BAI L H,FENG Z,HYDE P,et al.Applied Physics Letters[J],2013,102(24):22402.[35]ANDO K,KAJIWARA K,TAKAHASHI S,et al.Physical Review B[J],2008,78(1):014413.[36]LIN C,MATSUKURA F,OHNO H.Nature Communications[J],2013,4(1):2055.[37]HOU D,QIU Z Y,HARII K,et al.Applied Physics Letters[J],2012,101(4):042403.(编辑㊀吴㊀锐)067博看网 . All Rights Reserved.㊀第10期中国材料进展特约编辑王聪特约编辑雷娜特约编辑刘恩克特约撰稿人方梅特约撰稿人魏大海王㊀聪:北京航空航天大学集成电路科学与工程学院教授,博士生导师㊂1995年在中国科学院物理研究所获得博士学位,曾先后在德国㊁法国㊁美国短期工作㊂长期从事反钙钛矿磁性功能材料㊁反铁磁自旋电子学材料,太阳能光热转换涂层㊁辐射致冷薄膜以及太阳能集热器等的研究㊂在Adv Mater,Phys Rev系列等刊物上发表论文近240篇,SCI他引超过3500次,2020年被评为爱思唯尔(Elsevier)中国被高引学者;授权国家发明专利13项,2012年获得教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学二等奖;2020年获得中国材料研究学会科学技术二等奖㊂现兼任中国物理学会理事㊁中国晶体学会理事㊁中国物理学会粉末衍射专业委员会副主任㊁中国材料学会环境材料委员会副主任㊁国家能源太阳能热发电技术研发中心技术委员会委员㊁国际衍射数据中心(ICDD)委员㊁中国物理学会相图委员会委员㊁IEEE PES储能技术委员会(中国)储能材料与器件分委会委员㊂Journal of Solar EnergyResearch Updates主编㊂‘北京航空航天大学学报“‘硅酸盐学报“‘中国材料进展“等杂志编委㊂承担国家 863 项目,国家基金委重点项目等20余项,培养博士㊁硕士研究生近50名㊂雷㊀娜:女,1981年生,北京航空航天大学集成电路科学与工程学院副教授,博士生导师㊂主要研究方向为低维磁性材料的自旋调控,围绕电控磁的低功耗自旋存储与自旋逻辑器件方面取得一定成果,发表相关SCI论文30余篇,包括Nat Commun3篇,Phys Rev Lett,Phys RevAppl,Nanoscale各1篇等㊂其中1篇Nat Com-mun文章为ESI高被引论文;Phys Rev Appl上文章被编辑选为推荐文章㊂刘恩克:男,1980年生,中国科学院物理研究所研究员,博士生导师㊂2012年于中国科学院物理研究所获得博士学位,获中科院院长奖学金特别奖㊁中科院百篇优秀博士论文奖㊂2016~2018年作为 洪堡学者 赴德国马普所进行研究访问,合作导师为Claudia Felser和StuartParkin教授㊂主要从事磁性相变材料㊁磁性拓扑材料㊁磁性拓扑电/热输运等研究㊂在国际上首次实现了磁性外尔费米子拓扑物态,提出了全过渡族Heusler合金新家族,发现了 居里温度窗口 效应,提出了等结构合金化 方法等㊂已在Science,NatPhys,Nat Commun,SciAdv,PRL等期刊上发表学术论文200篇㊂曾获国家基金委 优青 基金㊁中科院青促会优秀会员基金㊁国家自然科学二等奖(4/5)等㊂方㊀梅:女,1984年生,中南大学物理与电子学院副教授,硕士生导师㊂长期从事功能薄膜㊁自旋电子器件的设计㊁制备与表征的研究工作,探索自旋电子学相关机理㊂以第一作者/通讯作者在Nature Com-munications(2篇)㊁Physical Review Applied,APL Materials,AppliedPhysics Letters等国际期刊上发表学术论文20余篇,获得国家授权发明专利1项㊂主持国家自然科学基金青年项目㊁湖南省自然基金面上项目㊁中国博士后科学基金一等资助和特别资助㊁中南大学 猎英计划 等项目多项㊂兼任PhysicalReview Letters,PhysicalReview Applied等10余个国际期刊审稿人㊂魏大海:男,1982年生,2009年博士毕业于复旦大学物理系,现任中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师㊂2010~2015年先后在日本东京大学物性研究所㊁德国雷根斯堡大学开展博士后研究㊂主要致力于半导体自旋电子学的物理与器件研究,基于新型自旋电子材料开展注入㊁探测以及调控,通过自旋霍尔效应㊁自旋轨道矩等自旋相关输运现象,探索自旋流的各种新奇特性及其可能的应用㊂在Nature Com-munications㊁Phys RevLett,等期刊上发表40余篇论文㊂曾获 国家海外高层次青年人才 ㊁德国洪堡 学者奖金㊁亚洲磁学联盟青年学者奖,作为负责人入选首批中特约撰稿人邱志勇科院稳定支持基础研究领域青年团队 ,承担十三五 国家重点研发计划 量子调控与量子信息 专项青年项目㊂邱志勇:男,1978年生,大连理工大学材料科学与工程学院教授,博士生导师㊂长期从事功能材料与自旋电子学融合领域的研究工作,近年来在Nature Materi-als,Nature Comm,PRL,ACTA Mater等知名杂志上发表论文60余篇,H因子25,引用2200余次㊂依托材料开发背景,在自旋电子材料及自旋物理方向进行了长期研究,近两年以推进新一代磁存储器技术为目标,致力于反铁磁自旋电子学领域的开拓,取得了基于反铁磁材料的自旋物理及应用相关的一系列先驱性成果㊂167博看网 . 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超导储能
高温超导储能应用研究的新进展侯炳林朱学武(核工业西南物理研究院,成都,610041)摘要:简要回顾了用于高温超导储能磁体的高温超导磁体材料的性能。
重点介绍了近年来几种类型的高温超导储能磁体的研究新进展。
然后分别介绍了Bi-2212和Bi-2223高温超导储能磁体的研究情况。
最后简述了将来可能用YBCO(或NdBCO)涂层导体材料设计在液氮温区运行的高温超导储能磁体。
关键词:高温超导材料,高温超导磁体,磁储能1引言为了更有效地利用能源,必须设置能量的储存系统。
现有电力系统中的电力储存技术主要是抽水储能。
抽水储能电厂一般都建在远离负荷地点的山间,必需长距离的送变电设备。
在储能效率仅65%~70%较为低下的基础上,长距离输送又要损耗不少电能,与分散型电力储存系统相比是极为不利的。
超导储能(superconducting magnetic energy storage 简称SMES)是利用超导线圈通过整流逆变器将电网过剩的能量以电磁能形式储存起来,在需要时再通过整流逆变器将能量馈送给电网或作其他用途。
由于超导线圈在超导状态下无焦耳热损耗运行,同时其电流密度比一般常规线圈高1-2个数量级。
因此它不仅能长时间无损耗地储存能量,而且能达到很高的储能密度。
它的储能效率高,响应速度快也是其它类型储能装置无法比拟的。
随着高温超导材料研究逐步走向实用化,高温超导储能(简称HTS-SMES)也成为一个研究方向,并有相应的微型样机问世。
HTS-SMES储能装置中的高温超导线圈是储能装置的核心部件;因此,本文就HTS-SMES装置中的超导线圈部分的研究作一些介绍。
2 目前储能用的高温超导材料目前共出现了五代高温超导材料:镧系、钇系、铋系、铊系和汞系,其中最有实用前途的是钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x)和铋系BSCCO(包括Bi2Sr2Ca2Cu3O y 简称Bi-2223和Bi2Sr2CaCu2O y简称Bi-2212)。
填充聚合物挤出过程中的在线介电监测(美国)
填充聚合物挤出过程中的在线介电监测(美国)
佚名
【期刊名称】《《化工科技市场》》
【年(卷),期】2002(025)012
【总页数】1页(P36)
【正文语种】中文
【中图分类】TQ320.663
【相关文献】
1.螺杆挤出机中聚合物混合状态的超声波在线监测方法 [J], 丁战阳;王召巴;陈友兴;金永
2.聚合物挤出在线超声监测传感器研究 [J], 陈友兴;王召巴;郑建利;丁战阳
3.小角光散射在线系统研究多相聚合物双螺杆挤出过程中的相尺寸——非相容
PE/PA1010体系 [J], 陈云;盛京;沈宁祥;贾宏涛
4.炭黑填充聚合物体系渗流转变过程中的介电性能 [J], 倘余昌;刘星;孔兰芳;吴国章
5.单螺杆挤出过程中聚合物混合状态的超声在线监测技术 [J], 陈友兴;王召巴;贾润礼;韩婧;褚红伟
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聚多巴胺对氧化钨膜电致变色性能的影响探究
06092
2021 年 第 6 期 (52)卷
图3 添加0mL(a),0.3mL(b),0.6mL(c),1.0mL(d)和2.0mL(e)PDA 制备的 WO3 电致变色复合膜的扫描电子 显微镜图和添加,0.6mL(f)PDA 制备的 WO3 电致变色复合膜的剖面扫描电子显微镜图
Fig3SEMimagesofWO3electrochromiccompositefilmsadded0,0.3,0.6,1.0and2.0mLPDAandSEMsec-
2.1.2 复合膜的 FT-IR 和 XPS分析 图4为 添 加 0 mL,1.0 mLPDA 的 WO3 膜 冻 干
物与 PTA 冻干物的 FT-IR 测试光谱。FT-IR 测试光 谱中的1620cm-1 为 PTA 结 合 水 的 O-H 伸 缩 振 动 峰[25],这部分水通过氢键的 作 用 与 PTA 结 合,无 法 通 过冻干、干 燥 的 方 法 除 去;960cm-1 为 W = Od 特 征 峰,879cm-1 为 W-Ob-W 特 征 峰,802cm-1 为 W-OcW 特征峰,说明通过电化学沉积的方法制备了 Keggin
图2 添加0 mL(a),0.3 mL(b),0.6 mL(c),1.0 mL(d)和2.0 mL(e)PDA 制 备 的 WO3 电 致 变 色 复 合 膜 的 原 子力显微镜图
Fig2AFMimagesof WO3 electrochromiccompositefilmsadded0,0.3,0.6,1.0and2.0 mL PDA onITO substrate
张 旭 等:聚多巴胺对氧化钨膜电致变色性能的影响探究
mg/mLPDA 溶液。将氧化铟锡(ITO)玻 璃 基 片 清 洁 后在 PEI溶液中浸泡15h[22],用 N2 吹干。以 Pt为对 电极,饱和甘汞电 极 为 参 比 电 极,25 mLPTA 溶 液 作 为电解 液 ,分 [23-24] 别 加 入 0 mL,0.3 mL,0.6 mL,1.0 mL,2.0 mL PDA 溶 液,-0.5 V 恒 定 电 压 条 件 下 沉 积 500s,得到混合不同浓度 PDA 的 WO3 电 致 变 色 复 合 膜。图1为 WO3 电致变色复合膜的结构,混合不同量 的 PDA 在电解液中的浓度如表1所示。 1.2 结构分析与测试
磁流体电机[发明专利]
专利名称:磁流体电机专利类型:发明专利
发明人:胡世耕,周天宝申请号:CN94103170.5申请日:19940323
公开号:CN1106960A 公开日:
19950816
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明属于一种电机,即发电机或电动机,具体地说是一种磁流体电机,其组成包括定子、转子、线圈和永久磁铁,主要特征是定子和转子的气隙中注入磁流体媒质,气隙的两端头设有密封件,磁流体的导磁率远远高于原气隙中的空气的导磁率,而且它不影响定子与转子之间的相对运动,本发明能够做到体积小,原材料消耗低,温升小,是节能降耗产品。
申请人:周天宝,胡世耕
地址:150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区文成街5号
国籍:CN
代理机构:哈尔滨专利事务所
代理人:刘娅
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用电子顺磁共振响应数据测量含原油地下构造的孔隙率与渗透率[发明专利]
专利名称:用电子顺磁共振响应数据测量含原油地下构造的孔隙率与渗透率
专利类型:发明专利
发明人:J·D·金,倪庆文,A·迪洛斯桑托斯
申请号:CN99807645.7
申请日:19990422
公开号:CN1306622A
公开日:
20010801
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:一种探测和我测量地下岩层构造中原油量的方法和装置(100),电子顺磁共振(EPR)测量结果用于计算原油量,经校正还可确定原油的具体类型。
这些测量结果可以与核磁共振(NMR)测量结果结合使用,精确地估算孔尺寸与渗透率。
申请人:西南研究会
地址:美国得克萨斯州
国籍:US
代理机构:上海专利商标事务所
代理人:徐泰
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二酯基磁流体的应用
二酯基磁流体的应用二酯基磁流体是一种新型的功能材料,具有磁性和流动性,因此在多个领域都有广泛的应用。
以下是一些二酯基磁流体的应用领域:1.密封:由于二酯基磁流体具有磁性和流动性,可以在磁场的作用下,对一些缝隙进行密封,有效地防止气体的泄漏。
2.润滑:二酯基磁流体具有很好的润滑性能,可以用作机械设备的润滑剂,减少摩擦和磨损,提高设备的运行效率和使用寿命。
3.医学:二酯基磁流体在医学领域也有广泛的应用,例如用于核磁共振成像技术中,可以提高成像的分辨率和清晰度。
此外,二酯基磁流体还可以用于药物输送和药物控制释放中,通过磁场的作用,将药物定向输送到病变部位,提高药物的疗效和降低副作用。
4.扬声器:二酯基磁流体可以用于扬声器的制造,提高扬声器的音质和音量。
5.印刷:二酯基磁流体可以用于印刷领域,例如制造防伪标签和特种印刷品。
6.能量转换:二酯基磁流体可以用于能量转换领域,例如将机械能转换为磁场能,提高能源的利用效率。
7.航天:二酯基磁流体在航天领域也有广泛的应用,例如用于制造卫星和航天器的部件。
综上所述,二酯基磁流体的应用领域非常广泛,可以在不同领域中发挥其独特的优势和功能。
以下是二酯基磁流体的优缺点:优点:1.磁性强:二酯基磁流体具有较高的磁性,可以用于制造高性能的磁性器件。
2.稳定性好:二酯基磁流体在常温常压下可以稳定存在,不易分解和变质。
3.流动性好:二酯基磁流体具有良好的流动性,可以方便地填充到各种微小缝隙和孔洞中,实现密封和润滑。
4.应用领域广泛:二酯基磁流体在密封、润滑、医学、扬声器、印刷、能量转换、航天、军事等领域都有应用。
缺点:1.成本较高:目前二酯基磁流体的制备过程较为复杂,成本较高,限制了其应用范围。
2.对环境敏感:二酯基磁流体对温度和湿度等环境因素较为敏感,容易受到外界因素的影响。
3.安全性问题:由于二酯基磁流体是一种功能性材料,需要注意其安全使用和储存,避免对人体和环境造成危害。
综上所述,二酯基磁流体具有优缺点并存的特点,需要根据具体的应用场景和需求进行选择和使用。
高温超导体的上临界场与磁通流动特性的研究
高温超导体的上临界场与磁通流动特性的研究引言:高温超导体是指在相对较高温度下(通常在低于室温的液氮温度范围内)表现出超导性的材料。
超导性是指在一定的温度和外加磁场下,电阻将完全消失,并且磁通能够无阻碍地穿过材料。
高温超导体的研究对电子学、能源传输和医学成像等领域具有重要意义。
其中,高温超导体的上临界场和磁通流动特性是研究的关键问题之一。
定律解读:1. 波恩-奥本海默效应波恩-奥本海默效应是指在超导体中,当温度接近超导转变温度时,金属电阻会迅速降低,直至彻底消失。
这个定律的实验表明了超导电性的存在,并提供了研究高温超导体的基础。
2. 门肯效应门肯效应是指在外界磁场的作用下,超导体中会产生电流。
当磁场达到一定值时,超导体会出现临界电流而失去超导性。
这个效应对于研究高温超导体的上临界场非常重要。
实验准备:为了研究高温超导体的上临界场与磁通流动特性,我们需要准备以下实验设备和材料:1. 高温超导体样品:选择已知高温超导体材料,如YBCO(钇钡铜氧化物)等。
样品应具有高超导转变温度和较高的上临界场。
2. 磁场生成系统:使用超导磁体或永磁体来产生稳定的外加磁场。
确保磁场的强度可以在所需范围内调节。
3. 温控系统:使用液氮或液氩来保持样品温度在超导转变温度以下。
4. 磁通测量设备:选择合适的磁通测量设备来测量材料中的磁通。
例如,霍尔效应传感器或SQUID(超导量子干涉器件)等。
实验过程:1. 样品制备:通过固相反应等方法制备高温超导体样品。
样品的形状和尺寸可以根据实验要求设计。
2. 实验设备搭建:将磁场生成系统、温控系统和磁通测量设备组合在一起,确保它们可以稳定地工作并与样品连通。
3. 样品放置:将样品放置在实验装置中心的位置,使得磁场可以均匀地作用在样品上。
4. 样品冷却:打开温控系统,使样品温度降至超导转变温度以下。
确保温度的稳定和均匀性。
5. 磁场施加:通过调节磁场生成系统,施加外加磁场,并逐渐增加其强度。
新型超导材料的研究进展
新型超导材料的研究进展
钱廷欣;周雅伟;赵晓鹏
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2006(020)002
【摘要】综合评述了铜氧化合物高温超导材料研究进展,详细介绍了近年来发展的铜氧高温超导材料改性的各种方法,阐述了硼化镁、有机超导体研究现状,特别是有关硼化镁结构及性质的研究结果;简要介绍了最近开展的钴氧化物新型超导材料研究等.
【总页数】4页(P98-101)
【作者】钱廷欣;周雅伟;赵晓鹏
【作者单位】西北工业大学应用物理系电流变技术研究所,西安,710072;西北工业大学应用物理系电流变技术研究所,西安,710072;西北工业大学应用物理系电流变技术研究所,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
【相关文献】
1.铁基高温超导材料中新型拓扑边界态首次发现 [J], ;
2.新型高质量拓扑超导材料 [J], ;
3.MgB2新型超导材料研究进展 [J],
4.新型FeSe基超导材料研究进展 [J], 金士锋;郭建刚;王刚;陈小龙
5.超导材料的最新研究进展——1992年国际应用超导会议超导材料部分综述 [J], 李成仁
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超导体中的磁通动力学研究
超导体中的磁通动力学研究超导体是一种具有特殊电性质的材料,其在低温下能够表现出零电阻和完全抗磁性。
超导体内部的电流是通过电子对的形式流动的,这种电流也被称为超导电流。
而超导电流在超导体中的传播与磁通动力学息息相关。
本文将对超导体中的磁通动力学进行研究,并深入探讨其影响因素和应用前景。
一、超导体中的磁通动力学现象超导体内部的磁通是由超导电流所引起的。
当外磁场通过超导体时,部分磁通会穿透超导体,形成一种称为磁通子的结构。
而超导电流则将磁通限制在超导体内部,并阻止磁通子的运动。
这种超导电流与磁通之间的互作用形成了超导体中独特的磁通动力学现象。
在超导体中,当磁通密度较低时,磁通子会以规则的排列方式进入超导体,并形成一种称为阿贝尔态的有序磁通结构。
而当磁通密度增大时,磁通子之间会发生相互引力,导致磁通子的排列变得无序,这种无序排列的现象被称为磁通子涡流态。
与此同时,超导电流会受到磁通子排列的影响而发生改变,从而改变超导体的电性质。
二、超导体中磁通动力学的影响因素超导体中磁通动力学的研究不仅可以帮助我们理解超导电性的本质,还可以为超导材料的设计和应用提供指导。
以下是一些影响超导体磁通动力学的重要因素:1. 温度:超导体需要低温环境才能展现出超导电性。
随着温度的增加,超导电流的强度和磁通子的密度会发生变化,从而影响超导体的磁通动力学行为。
2. 磁场强度:外磁场的强度会直接影响磁通子的密度和排列方式。
在不同的磁场强度下,超导体中的磁通动力学行为也会有所不同。
3. 材料性质:超导体的材料性质对磁通动力学有着重要的影响。
不同的超导材料拥有不同的超导电性质和磁通排列方式,这也决定了超导体中磁通动力学的特性。
三、超导体中磁通动力学的应用前景超导体中的磁通动力学研究在能源、传输和储存等领域具有广阔的应用前景。
以下是一些潜在的应用方向:1. 超导电磁体:超导电磁体是利用超导体中的磁通动力学现象制造的一种强磁场装置。
其在核磁共振成像、磁悬浮列车等领域有着重要的应用。
纳米磁流体
纳米磁流体
牟蔚
【期刊名称】《《中国涂料》》
【年(卷),期】2010(000)003
【摘要】磁流体(Magnetic Liquid)是由具有铁磁性的超细固体微粒(直径为几~十几纳米)高度弥散在基液中而构成的稳定的胶体溶液。
磁流体一般包含3个组分:①铁磁性纳米级颗粒;
【总页数】1页(PI0027)
【作者】牟蔚
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TQ637.3
【相关文献】
1.均相和非均相反应和热辐射对Cu-水纳米流体在非均匀热源平板上磁流体力学的影响 [J], DOGONCHI A S;CHAMKHA Ali J;HASHEMI-TILEHNOEE M;SEYYEDI S M;RIZWAN-UL-HAQ;GANJI D D
2.纳米磁流体在薄片上流动的非线性边界条件:传热和传质的强化 [J], Vahid FARHANGMEHR;Hesam MOGHADASI;Sasan ASIAEI
3.纳米磁流体驱替原油的作用机理分析 [J], 李雄杰
4.极低频率电磁场下Fe3O4纳米磁流体对小鼠种植性肝癌杀伤作用研究 [J], 谢环宇;宫金伟;赵明星;孙继勇
5.双层包裹分散纳米铁酸镍磁流体的稳定性 [J], 刘远清;吴张永;王瑞;蔡晓明;魏镜弢
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我学者发现高倍压电效应材料
我学者发现高倍压电效应材料
佚名
【期刊名称】《发明与创新:大科技》
【年(卷),期】2004()4
【总页数】1页(P25-25)
【关键词】电致应变;压电效应材料;环境保护;金属材料;钛酸钡基材料
【正文语种】中文
【中图分类】TM282
【相关文献】
1.树木石油异军突起·用细菌也能合成塑料·我学者发现高倍压电效应材料·美发明固氮制氨新方法·无辫电车面世·南非发明一种眼球植入体·雷达式"生命探测仪"研制成功 [J],
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3.我国学者与海外合作者在磁性材料中发现•多拓扑荷特性“磁束子” [J],
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5.中国学者发现新型红外隐身材料 [J], 王珏玢
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二维超导铁磁异质结
二维超导铁磁异质结
二维超导铁磁异质结是一种特殊的材料,它由二维铁磁体Fe3GeTe2和其他材料组成。
这种异质结在低温下可以表现出铁磁性,同时具有高磁导率和良好的稳定性。
这种材料的特性使其在磁性器件领域具有广泛的应用前景。
此外,二维铁磁体Fe3GeTe2具有层状结构,每个层由Fe、Ge和Te原子组成,其中Fe原子形成六角形的晶格,Ge和Te原子则填充在晶格的空隙中。
这种层状结构使该材料具有独特的物理和化学性质。
在研究这种材料时,需要考虑到它的一些特性,例如低温下的铁磁性、高磁导率、良好的稳定性等。
同时,还需要考虑如何制备这种材料,以及如何控制其结构和性能等问题。
总的来说,二维超导铁磁异质结是一种具有重要应用前景的特殊材料,值得进一步研究和探索。
磁刺激下外周神经纤维激励函数的理论
磁刺激下外周神经纤维激励函数的理论
姜常珍;王鹤;王江;张立
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】2004(037)009
【摘要】利用外施载流线圈的磁效应,作用于外周神经纤维,诊断和治疗某些神经异常疾病,这是目前极具应用价值的研究课题.传统的分析方法,往往简单地将神经纤维视为无限长圆柱体.为了更切合实际,将神经纤维视作有限长.通过引入特殊函数、严密的数学推导和电磁理论分析,给出了电磁量的计算公式,并通过实际计算,分析了细胞动作电位发生的可能性,提出了线圈优化设计的思想.
【总页数】5页(P810-814)
【作者】姜常珍;王鹤;王江;张立
【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072;天津大学电气与自动化工程学院,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】Q424
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弛豫铁电单晶的研究进展—压电效应的起源研究
弛豫铁电单晶的研究进展—压电效应的起源研究李飞;张树君;李振荣;徐卓【期刊名称】《物理学进展》【年(卷),期】2012(32)4【摘要】由于具有优异的压电性能,弛豫铁电单晶自上世纪90年代问世以来即成为了铁电压电领域研究的热点材料,并被认为是研发下一代高性能换能器、传感器等器件的重要压电材料。
弛豫铁电单晶不但压电常数可达2500 pC/N,约为软性Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷的5倍,而且其电致应变滞后也远小于软性PZT陶瓷。
因此,弛豫铁电单晶高压电性能的产生机理一直是铁电压电领域的研究热点。
本文主要介绍了弛豫铁电单晶材料在近些年的发展,从本征压电效应(晶格压电畸变)的角度归纳总结了弛豫铁电单晶高压电效应的产生机理,着重探讨了弛豫铁电单晶的重要特点—剪切压电效应。
在本征效应的基础上,本文对弛豫铁电单晶压电效应与晶体组分、切向以及温度的关系进行了分析。
需要指出的是,目前基于本征角度对弛豫铁电单晶高压电效应的分析仍处于定性的阶段,因而还不能完全排除一些可能导致弛豫铁电单晶高压电效应的非本征物理机制。
【总页数】21页(P178-198)【关键词】弛豫铁电;单晶体;压电效应【作者】李飞;张树君;李振荣;徐卓【作者单位】西安交通大学电子材料研究所;美国宾夕法尼亚州立大学材料研究所【正文语种】中文【中图分类】O482.5;O482.42【相关文献】1.弛豫铁电单晶及织构陶瓷的研究进展 [J], 赵丽丽;唐斌;赵鸣;樊慧庆;田长生2.高居里温度弛豫基铁电单晶的研究进展 [J], 段子青;许桂生;王晓锋;杨丹凤3.铌镁(锌)酸铅-钛酸铅弛豫铁电单晶研究进展 [J], 吴广涛;李秀明;崔海瑛4.锆钛酸铅钡弛豫铁电陶瓷偏压压电效应的研究 [J], 庄志强;伍建新;利华5.铅基弛豫型铁电单晶研究进展及其应用 [J], 郭益平;罗豪甦;徐海清;贺天厚;方必军;殷之文因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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a rX iv:c ond-ma t/9611123v1[c ond-m at.s upr-con]15Nov1996Magnetic Dynamics in Underdoped YBa 2Cu 3O 7−x :Direct Observation of a Superconducting Gap P.Dai,1M.Yethiraj,1H.A.Mook,1T.B.Lindemer,1and F.Do˘g an,21Oak Ridge National Laboratory,Oak Ridge,Tennessee 37831-63932Department of Materials Science and Engineering University of Washington,Seattle,Washington 98195(February 1,2008)Abstract Polarized and unpolarized triple-axis neutron measurements were performed on an underdoped crystal of YBa 2Cu 3O 7−x (x =0.4±0.02,T c =62.7K).Our results indicate,contrary to earlier evidence,that the spin excitations in the superconducting state are essentially the same as those in the fully doped material except that the unusual 41meV resonance is observed at 34.8meV.The normal state spin excitations are characterized by a weakly energy-dependent continuum whose temperature dependence shows the clear signature of a superconducting gap at T c .The enhancement at the resonance is accompanied by a suppression of magnetic fluctuations at both higher and lower energies.PACS numbers:74.72.Bk,61.12.ExTypeset using REVT E XRecently,there has been a great deal of interest in underdoped superconducting copper oxides because these materials display unusual normal state properties[1]that suggest the opening of a pseudogap(a suppression of spectral weight)in the spin or charge excitation spectrum well above T c[2].The central issue is whether the physics of underdoped cuprates is fundamentally different from the description of the Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)theory of superconductivity.Although there is ample evidence[3–5]for the existence of a pseudogap in underdoped cuprates,no one has established a direct correlation between the pseudogap and the superconductivity.Furthermore,it is not known whether a superconducting gap opens at T c.Magnetic inelastic neutron scattering is a powerful technique for measuring the wavevec-tor dependence of the superconducting gap function[6]because the imaginary part of the dynamic susceptibility,χ′′(q,ω),probed by neutrons is directly associated with electron-hole pairs formed by transitions across the Fermi surface.In the BCS theory of superconductiv-ity,such transitions become disallowed for all wavevectors with energy transfer(¯hω)below 2∆(3.52k B T c for the weak-coupling limit)at T=0K,where∆is the superconducting gap.Since the availability of large single crystals of YBa2Cu3O7−x[denoted as(123)O7−x], there have been a large number of neutron scattering experiments on this system across the whole doping range[7–11].The nature of the scattering at low temperatures in the superconducting state of highly doped(123)O7−x appears established.Early measurements by Rossat-Mignod and co-workers[7]indicated an enhancement of scattering in the super-conducting state near41meV.Polarized neutron experiments by Mook et al.[9]have shown that below about50meV the magnetic scattering is dominated by a peak that is sharp in energy,located at41meV,and centered at(π,π)in the reciprocal lattice.The peak is generally referred to as a resonance peak and a number of theoretical explanations have been proposed[12].Since the resonance disappears in the normal state[11],it may be a signature of the superconducting state.Although there is general agreement about the low temperature spin excitations for highly doped(123)O7−x,χ′′(q,ω)for underdoped compounds(0.6>x≥0.35)has beenfar from ing unpolarized neutrons,Rossat-Mignod and co-workers[7,10]as well as Tranquada et al.[8]have reported two distinctive features inχ′′(q,ω)that are not present for highly doped(123)O7−x.Thefirst of these is an energy gap in the spin excitation spectrum (below which no magnetic intensity can be found)which is much less than2∆.They also reported a complicated temperature dependence ofχ′′(q,ω),but found no resonance coupled directly to T c.We report here thefirst polarized neutron scattering measurements on an underdoped single crystal of(123)O7−x(x=0.4±0.02,T c=62.7K).These experiments are able to isolate the magnetic scattering from nonmagnetic sources such as phonons and demonstrate that a clear superconducting gap opens in the spin excitation spectra at T c.This gap, observed at wavevector(π,π),is28meV(5.2k B T c)at the lowest temperatures which is large compared to that expected in the weak-coupling BCS limit.We also show,contrary to earlier evidence,that the low temperature spin excitations in the superconducting state are very much like those found for the fully doped material except for a change in the energy scale.The unusual resonance,found at41meV in the fully doped materials,is thus not unique to materials with high doping.In fact,the resonance energy falls with T c and is at 34.8meV for(123)O6.6.The polarized and unpolarized beam experiments have been performed on a twinned disk shaped crystal(123)O6.6(22.9mm in diameter and10.8mm in thickness)that weighs 25.59-g and has a mosaic of0.9◦as measured from the(006)reflection.Similar to other large single crystals of(123)O7−x used in previous neutron scattering experiments[9,11], our sample contains approximately14mol%Y2BaCuO5as an impurity[13]determined by neutron powder diffraction and Rietveld analysis on identically prepared samples.Oxygena-tion of large,dense(123)O7−x samples suitable for neutron scattering experiments is not a trivial matter.For example,although the T c of(123)O7−x exhibits the well known“60K plateau”for x≈0.4[14],previous neutron scattering samples with the nominal oxygen content of(123)O6.6[8]have had a T c variation of as much as7K.To overcome this diffi-culty,an improved technique for oxygenating dense(123)O7−x was used.Briefly,the samplewas oxygenated in a thermogravimetric apparatus(TGA)by annealing to the equilibrium weight(±0.1-mg)at T-p[O2]conditions for(123)O6.6as calculated from the thermodynamic models that werefitted to experimental data[15].Instead of quenching the sample after annealing,the partial pressure of oxygen(99.999%purity)in the TGA was adjusted contin-uously throughout the cooling process to maintain a constant sample mass,thus ensuring uniformity in oxygen content and an equilibrium crystal structure[16].The advantage of such technique is clearly evident in the AC susceptibility measurement shown in Fig.1which gives a superconducting onset temperature of62.7K,the highest for any(123)O6.6samples studied by neutron scattering.The room temperature lattice parameters[a=3.8316(5)˚A,b=3.8802(6)˚A,and c=11.743(2)˚A],the orthorhombicity[200(b-a)/(b+a)=1.2604], and the unit cell volume(V=174.59˚A3)are consistent with the(123)O6.6powder sample oxygenated using the identical methods[17].Inelastic measurements were made at the High-Flux Isotope Reactor at Oak Ridge Na-tional Laboratory using the HB-1and HB-3triple-axis spectrometers with afixedfinal neutron energy of30.5meV and a pyrolytic graphite(PG)filter before the analyzer[9]. To separate magnetic from nuclear scattering in polarized beam experiments,it is often sufficient to measure the spin-flip scattering(SF)and the non-spin-flip(NSF)scattering. In cases where the magnetic signal is on top of a large background,the SF scattering can be measured with neutron polarizationfirst parallel to the momentum transfer(horizontal guidefield or HF)and then perpendicular(VF).The difference(HF-VF)gives one-half of the magnetic intensity completely free of background effects[18].For the experiment we index reciprocal(Q)space by using the orthorhombic unit cell so that momentum transfers(Q x,Q y,Q z)in units of˚A−1are at positions (H,K,L)=(Q x a/2π,Q y b/2π,Q z c/2π)reciprocal lattice units(r.l.u.).Most of our measure-ments were made in the(H,3H,L)Brillouin zone.For highly doped(123)O7−x,this scattering geometry wasfirst used by Fong et al.[11]and has the advantage of having less phonon and accidental Bragg scattering.Since previous investigations on highly doped(123)O7−x showed magnetic scattering thatpeaked at(π,π)with a sinusoidal modulation along the(0,0,L)direction,we looked for mag-netic signal in the normal and superconducting states at(−0.5,−1.5,1.7)which corresponds to the maximum intensity of the(0,0,L)modulation.The results of the measurement are shown in Fig1.The dynamic susceptibility is featureless at75K,but at11K is dominated by a peak at∼34meV.In addition,the low energy excitations(¯hω≤28meV)vanish to within the error of the measurements,consistent with the opening of an energy gap.The NSF data indicates that the phonon scattering is essentially unchanged in this zone between11K and 75K.Consequently,our conclusions about the magnetic excitations in underdoped(123)O6.6 are different from those of previous unpolarized experiments[7,8,10]which reported a broad peak around22meV in the normal state and observed no34meV resonance or28meV gap in the superconducting state.Figure2summarizes the wavevector dependence of the magnetic excitations.The24 meV constant-energy scan at75K peaks at(π,π)with a full width half maximum of0.32˚A−1which corresponds to an antiferromagnetic correlation length of∼20˚A.The same scan was taken at11K with both HF and VF.To within the error of the measurement,no magnetic intensity is present.Similar scans were made at¯hω=34meV.The intensity of the resonance peak clearly increases below T c.The NSF phonon scattering(not shown)for these scans are featureless and changes negligibly between these temperatures.Since the phonon scattering does not change between11K and75K in the(H,3H,L) zone,unpolarized neutrons are used to determine the temperature dependence of the parison of the difference spectra in Fig.3reveals that the resonance softens and broadens slightly at high temperatures.The energy threshold below which the scattering is suppressed,indicated by arrows in thefigure,moves from25meV at50K to28meV at11K,indicating that the gap increases in energy with cooling.In addition,the energy width of the resonance narrows from6.6meV at50K to5.5meV at11K;and is resolution limited at11K.The negative values in the subtractions of Fig.3show the opening of an energy gap inχ′′(q,ω),consistent with polarized results of Fig.1.Furthermore,our data [Fig.3(c)]suggest that the enhancement at the resonance is accompanied by a suppressionof thefluctuations both below and above it.This point is clear from negative values on both side of the resonance.A detailed comparison between(123)O6.93and(123)O6.6will be reported in a forthcoming paper[21].One signature of the magneticfluctuations in(123)O7−x is its sinusoidal intensity mod-ulation along the(0,0,L)direction.These modulations,seen in all the(123)O7−x neutron scattering experiments[7–11],are the result of the antiferromagnetic CuO2bilayer cou-pling and may have important theoretical consequences[12,20].Since there are no magnetic fluctuations at low temperatures below28meV,the difference spectra between75and11 K should give an accurate account of the normal state magnetic scattering.Figure3(d) shows such a scan along the L direction at¯hω=24meV together with a calculated profile for the acoustic mode of the antiferromagnetic bilayer coupling[7,8].Clearly,the bilayer modulation is present in the normal state and the acoustic mode adequately describes the data.In Figure4we plot the temperature dependence of scattered intensity at24and35 meV which corresponds to frequencies below and above the gap energy,respectively.The intensity for both frequencies changes drastically at T c,but in opposite directions.Below T c,the intensity at¯hω=24meV decreases precipitously showing the opening of the super-conducting gap while the temperature dependence of the resonance at35meV parallels that of the41meV resonance for highly doped(123)O7−x[9,10].Since the polarized HF−VF data at24meV shows no magnetic signal at11K,we are able to determine the low tem-perature background(see Fig4).The correspondingχ′′(q,ω)can then be calculated via the fluctuation-dissipation theorem and shows a clear suppression at T c.An unusual feature of the temperature dependence of the resonance is that although a large increase in intensity takes place below T c,a smaller increase is observed that extends to temperatures well above T c.No such behavior is observed for ideally doped(123)O6.93[9,10].In conclusion,we have shown that magnetic excitations for underdoped(123)O6.6are essentially the same as those in the fully doped material except for a change in the energy scale.The normal state scattering is characterized by a weakly energy-dependent continuumwhose temperature dependence shows the clear signature of a superconducting gap at T c.We thank G.Aeppli,P.W.Anderson,D.Pines,D.J.Scalapino,D.G.Mandrus,G.D.Mahan,B.C.Chakoumakos,R.F.Wood,and J.Zhang for helpful discussions.This research was supported by the US DOE under Contract No.DE-AC05-96OR22464with Lockheed Martin Energy Research,Inc.REFERENCES[1]P.W.Anderson,Science256,1526(1992).[2]See for example,B.G.Levi,Physics Today,June1996,page17;B.Batlogg and V.J.Emery,Nature382,20(1996);N.P.Ong,Science273,321(1996);and references cited therein.[3]P.C.Hammel et al.,Phys.Rev.Lett.63,1992(1989);R.E.Walstedt and W.W.Warren,Science248,1082(1990);M.Takigawa et al.,Phys.Rev.B43,247(1991);H.Alloul et al.,Phys.Rev.Lett.70,1171(1993);M.Horvati´c et al.,ibid.47,3461(1993).[4]D.S.Marshall et al.,Phys.Rev.Lett.76,4841(1996);H.Ding et al.,Nature382,51(1996);A.G.Loeser et al.,Science273,325(1996).[5]C.C.Homes et al.,Phys.Rev.Lett.71,1645(1993);B.Batlogg et al.,Physica C235,130(1994).[6]R.Joynt and T.M.Rice,Phys.Rev.B38,2345(1988).[7]J.Rossat-Mignod et al.,Physica(Amsterdam)185C,86(1991);186B,1(1993);192B,109(1993);Physica Scripta T45,74(1992).[8]J.M.Tranquada et al.,Phys.Rev.B46,5561(1992)and references cited therein;B.J.Sternlieb et al.,Phys.Rev.B47,5320(1993);ibid.50,12915(1994).[9]H.A.Mook et al.,Phys.Rev.Lett.70,3490(1993);Physica(Amsterdam)213B,43(1995);Proceedings of10th anniversary HTS workshop on physics,in press.[10]P.Bourges et al.,Phys.Rev.B53,876(1996);Physica(Amsterdam)215B,30(1995);L.P.Regnault et al.,Physica(Amsterdam)235C,59(1994).[11]H.F.Fong et al.,Phys.Rev.Lett.75,316(1995);B.Keimer et al.,J.Phys.Chem.Solids56,1927(1995).[12]K.Maki and H.Won,Phys.Rev.Lett.72,1758(1994);Ref.[11];D.Eemler and S.C.Zhang,ibid.,75,4126(1995);D.Z.Liu et al.,ibid.,75,4130(1995);I.I.Mazinand V.M.Yakovenko,ibid.,75,4134(1995);V.Barzykin and D.Pines,Phys.Rev.B52,13585(1995);G.Blumberg et al.,ibid.,52,R15741(1995);N.Bulut and D.J.Scalapino,ibid.,53,5149(1996);B.Normand et al.,J.Phys.Jpn.64,3903(1995);Lan Yin et al.(unpublished).[13]C.Michel and B.Raveau,J.Solid State Chem.43,73(1982).We have studied thetemperature dependence of the scattering of a large powder sample of Y2BaCuO5and none of the effects which we ascribe to(123)actually occur in the impurity phase.Prior experience[9]show that Y2BaCuO5,an oxygen invariant compound,is important in providing pathways for oxygen diffusion in these large,dense(123)O7−x samples.[14]R.G.Munro and H.Chen,J.Am.Ceram.Soc.79,603(1996).[15]T.B.Lindemer et al.,J.Am.Ceram.Soc.72,1775(1989);Physica C174,135(1991).[16]Details of the sample oxygen equilibration and chemical diffusion will be reported else-where[T.B.Lindemer,Physica C,submitted].Although the sensitivity of the TGA corresponds to an accuracy of at least0.005in x,we use a larger error estimate of0.02 in x determined from systematic studies of other identically prepared samples.In any case,a small error in x will not affect the basic physics addressed in the paper.[17]B.C.Chakoumakos et al.(unpublished).[18]R.M.Moon et al.,Phys.Rev.181,920(1969).[19]The initial work of Mook et al.[9]only subtracted the analyzer turned background andthus did not correct for the nuclear spin incoherent(NSI)scattering.In the present work,the NSI scattering is determined from comparison of the intensity for SF(HF), SF(VF),and NSF(HF)for75K and11K.[20]S.Chakravarty et al.,Science261,337(1993).[21]P.Dai et al.,(to be published).FIGURESFIG.1.(a)Polarized beam measurements ofχ′′(q,ω)for the(−0.5,−1.5,1.7)r.l.u.position at75K and(b)11K,obtained by subtracting the background[19],correcting for incomplete polarization,and dividing by the Bose population factor n(ω)+1.Thefilled circles represent twice the SF,HF-VF,scattering.Theflipping ratio for HF and VF are15.8±0.25and16.5±0.26, respectively.The solid lines are guides to the eye.(c)The phonon scattering normalized to 600monitor counts.(d)AC susceptibility of the sample,showing the onset T c of62.7K with a transition width that is3.3K wide.FIG.2.(a)Polarized SF,(H,3H,1.7)scans using HF for¯hω=24meV at T=75K,and(b)11 K.Thefilled circles in(b)are the SF scattering using VF.HF-VF scattering shows no magnetic signal.(c)SF,HF,(H,3H,1.7)scan for¯hω=34meV at T=75,and(d)11K.Solid lines in(a), (c),and(d)are Gaussianfits to the data.The solid line in(b)is a guide to the eye.FIG.3.Unpolarized beam measurements at(0.5,1.5,1.7)r.l.u.in which the data at75K are subtracted from(a)50K,(b)30K,and(c)11K data.For energy transfers above45meV, the data was taken with neutronfinal energy of35meV.The lines arefits to Gaussians and linear backgrounds.Arrows in thefigure indicate points defined arbitrarily at1%of the resonance intensity.(d)Unpolarized beam constant-energy scan along(0.5,1.5,L)at¯hω=24meV using HB-1.The spectrum is obtained by subtracting the signal at75K from the T=11K background. The solid line is the expression f2Cu(Q)sin2(πzL)normalized to the intensity at(0.5,1.5,−1.7), where f Cu(Q)is the Cu magnetic form factor,and z·c=3.342is the distance between adjacent copper-oxide planes.FIG.4.Temperature dependence of the scattering at(0.5,1.5,1.7)for(a)¯hω=24,and(b) 35meV.(c)χ′′(q,ω)at¯hω=24meV obtained by subtracting the nonmagnetic scattering and dividing by the Bose population factor n(ω)+1.(d)Temperature dependence of the polarized SF scattering at(−0.5,−1.5,1.7)for¯hω=34meV.Thefilled circles represent the peak intensity of constant-energy scans and Gaussiansfits to the data(Fig.2)show a temperature independent background of20±1.5counts.Arrows in thefigure indicate the onset of T c and solid lines are guides to the eye.T (K)TcEnergy (meV)Figure 1.P. Dai et al.Energy (meV)(d)(c)Figure 2.H (r.l.u)YBa 2Cu 3O 6.6203040-0.7-0.6-0.5-0.4-0.320304020304050-0.6-0.5-0.4-0.320304050YBa 2Cu 3O6.6L (r.l.u)Energy (meV)Energy (meV)-200020********1020304050-200020*******102030405060-200020*******-4-3-2-1014080120160Figure 4.P. Dai et al.(0.5,1.5,1.7)∆E = 24 meVYBa 2Cu 3O6.6。