Cu_O同位素效应与高Tc超导体超导电性机理

2005年12月 陕 西 理 工 学 院 学 报

D ec .2005第21卷第4期 Journa l o f Shaanx i U niversity of T echnology V o.l 21 N o .4

[文章编号]1673-2944(2005)04-0092-03

Cu 、O 同位素效应与高Tc 超导体超导电性机理

陈 羽1, 黄新民2

(1.陕西理工学院化学系, 陕西汉中 723000;2.陕西理工学院物理系, 陕西汉中 723000)

[摘 要] Cu 元素、O 元素在铜氧化物高Tc 超导体中对超导电性的产生,超导转变温度的变

化,掺杂元素的特征效应具有决定性作用。对Cu 元素、O 元素的性质特征认识,成键特点,以

及在铜氧化物高Tc 超导体中的同位素效应清楚的理解,对全面揭示高T c 铜氧化物超导体超

导电性机理具有关键作用。通过分析Cu 元素、O 元素在铜氧化物超导体中的同位素效应,得

出了高Tc 铜氧化物超导电性的机理仍是电声机制,CuO 2平面上的Cu 元素,O 元素的声子直

接参于电声子配对,CuO 2平面上的Cu 、O 元素的键态的声子模对电声配对具有决定性作用。

[关 键 词] 同位素效应; 高Tc 铜氧化物超导体; 超导电性机理

[中图分类号] O4 [文献标识码] A

收稿日期:2005-09-02

作者简介:陈羽(1959)),男,陕西勉县人,陕西理工学院高级实验师,主要研究方向为超导实验工程及材料。自高Tc 超导电性被发现以来[1]

,有关这类新型高Tc 铜氧化物超导体的高Tc 微观机理研究一直是

研究者极为关注的研究课题[2]。根据一些实验结果,相继提出了许多的理论模型。但是,至今没有一

个理论能够全面彻底地解释高T c 起源机理[3]。除了实验上要取得一些无可争议的关键性结果,更重

要的是找出关键性问题。Cu 元素、O 元素在高Tc 铜氧化物超导体中是最重要的两个元素[4],也是被研

究得最广泛的两个元素[5],对Cu 、O 元素在高Tc 铜氧化物超导体中的作用[6]、键型[7]、同位素效应[8]以及相关作用已有定论性的结果。本文通过Cu 、O 元素对高T c 铜氧化物超导体的同位素效应的实验结果的分析讨论,首次得出高Tc 铜氧化物超导电性机理是电声机制,CuO 2平面上的元素Cu 元素、O 元素的声子直接参于电声子配对,CuO 2面上Cu 、O 键态的声子模对电声配对具有决定性作用。1 高T c 铜氧化物超导体中的同位素效应研究

1.1 氧的同位素效应研究

高Tc 铜氧化物超导电性被发现后,初期大量的同位素效应研究主要是对氧的同位素效应的研究。1987年)1988年期间所得出的氧的同位素效应A 平均0.2,在La 系和Y 系

[9],这个结论成为当时提出高Tc 铜氧化物超导电性机理不同于BCS 理论的描述的依据[10]。

1989年,由Y.J .U e m ura 等

[11]做了一项极为有意义的研究,得出了磁场穿透深度与超导载流子密度及有效质量的关系,即,1/K 2W n s /m *,这里K 为磁场穿透深度,n s 为超导载流子密度,m *

为有效质量,为研究同位素效应寻求了一种精确而便于操作的方法。Jan ice .H.N icke l 等

[12]研究了~95%的18O 在YBa 2Cu 3O 7超导体中CuO 2面[O2、O3]位置,16O 在[O4]和链位置[O1],结果指出声子参与

YBa 2Cu 3O 7成对机制,这些参与配对的声子不仅是铜氧面上的氧原子的声子,也包括顶角位置的氧原子

[O4]。J .P .Franck 等[13]小组在对La 2-x Sr x CuO 4超导体中铜元素的同位素效应的研究得出的:对于x =0.15,A Cu =0.15,A O =0

.11;对x =0.125,A Cu =0.93,A O =0.91,他们认为铜、氧的声子频率影响了超导体的转变温度。Guo-m eng Zhao 等[15)17]系统的研究了YBa 2Cu 3O 6.94、Y 0.7Pr 0.3Ba 2Cu 3O 7、YB a 2Cu 3O y 超导材料O 的同位素效应和Cu 的同位素效应,他们认为:高Tc Y 系铜氧化物超导体中,CuO 2面上的O 、Cu 元素的声子在电声成对机制中起着重要作用。D.Zech 等

[14]在对YB a 2Cu 3O 6+x 超导体进行了位置

第4期陈羽,黄新民Cu、O同位素效应与高T c超导体超导电性机理

选择O的同位素效应研究,他们得出的结果是:超过80%的同位素效应值来源于CuO2面。J.H o fer 等[18]对La2-x Sr x CuO4单晶用文献[11]的方法,研究了O元素的同位素效应,认为:铜氧面上的晶格振动对La2-x Sr x CuO4超导体的高Tc超导电性起着重要的作用。R.Khasanov等[19]对比研究文献[11]的方法,对YBa2Cu3O7-D超导体CuO2面上的氧元素的同位素效应进行了研究,得出了同位效应同其他研究小组类似的结论。

1.2Cu元素的同位素效应研究

在高Tc铜氧化物超导体中,Cu元素的同位素效应,A Cu最初的数据来源于W eber c s模型处理La-Sr -Cu-O的理论结果,A Cu=0.165[9]。J.P.Franck等[13]在La2-x Sr x CuO4超导体系,分别对x=0.15和x =0.125组样品对Cu元素的同位效应做了详细的研究,发现A Cu与A O密切相关,对x=0.15的样品A Cu =0.15,A O=0.11,而x=0.125的样品A Cu=0.93,A O=0.91,从A Cu变化可以看出,A Cu值大小也与空穴掺杂相关,并且从A Cu值分析得出了CuO2面上的Cu元素声子参与成对机制。Guo-M eng Zhao 等[16]研究了YB a2Cu3O y超导体在y=6.6时,Cu铜元素的同位素效应A Cu,得出了A Cu U0.37且y=6. 94,A Cu趋于减少到零甚至略为负值,A Cu的值在y=6.6时与A O值相同,并有同样的Tc,他们由此得出铜氧面上的铜离子如同铜氧面上氧元素,它们声子都参与了成对机制。J.H ofer研究组[18]在对欠掺杂La2-x Sr x CuO4单晶样进行O同位素效应与平面穿透深度研究中得到:x=0.080,K-2ab(0)=-10(2)%; x=0.086,K-2ab(0)=-8(1)%,并且认为原因在于铜氧面的有效质量m*ab,由此,他们认为铜氧面晶格振动对超导电性起源是重要的。R.Khasanov研究组[19]在YB a2Cu3O7-D最佳掺杂进行O同位素效应和铜氧面穿透深度的研究中也得到v K ab/K ab=2.8(1.0)%在4K,v m*ab/m*ab=5.5(2.0)%,他们也认为超导载流子是与晶格振动相关的。

2高T c铜氧化物超导体的超导电性机理

由1的讨论笔者认为:高Tc铜氧化物超导电性的机制仍是电声机制,高Tc铜氧化物超导体中CuO2平面上的Cu元素的声子,O元素声子同时参于了高超导电性的起源;CuO2面上Cu、O键态声子模对电声配对具有决定作用。Szczesniak.R等[20]就二维晶格上电声子机制的超导电性起源的问题研究中指出:既是同位素效应较小,超导电性仍可由电声子机制起源。Fan.J.D和M alozovsky.Y.M[21]提出一种新的方法用于描述低温超导电性和高温超导电性的起源机制,他们指出这种新的方法和概念都在BCS理论的框架内。在早期的低温超导体研究中,也发现了同位素效应A值在0.2左右的电声机制的超导体[22]。对于掺杂C60普遍认为超导电性起源于电声机制,而碳的同位素效应A c=0.37[23]。2001年被日本科学家发现M gB2超导体,超导电性起源按BCS理论处理,硼的同位素效应A B=0.26?0. 03[24]。而在高温超导电性起源的研究中,由于初期同位效应研究中测定的值普遍较小,很多科学提出一系列解释同位效应值小的机制及相关的高温超导电性起源的机理。随着研究的深入,同位素效应的研究取得了极大的成功,这为认识高温超导电性起源机制打下了很好基础。

3结论

通过讨论高Tc铜氧化物超导体中CuO2面上的铜元素、氧元素的同位素效应,根据无可争议的结论性的实验结果,我们首次提出了在高Tc铜氧化物超导体中超导电性机理仍是电声配对机制,高Tc铜氧化物超导体中CuO2面上的Cu元素,O元素声子直接参于电声子配对,CuO2面的Cu与O的声子模对电声配对具有决定性作用。有关电声子机制如何能产生高Tc的研究工作正在进行中。

[参考文献]

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