光学浮区法制备新型高温超导单晶

摘要

对于高Tc铜氧化物超导体来说，空穴载流子浓度对正常和超导态性质有着非常重要的作用，理解超导与载流子浓度之间的关系是阐述超导机理非常重要的一步。大量研究致力于阐述超导转变温度Tc与二维Cu-O面上氧含量也就是空穴载流子浓度的关系。在Bi-2212系统中，发现通过改变载流子浓度，Tc可以在很大的范围内变化。对于Bi-2212体系来说，控制载流子浓度可以通过离子掺杂和气氛退火改变氧含量及分布来实现。Bi系的载流子是空穴并且CuO2面的空穴载流子浓度决定晶体的超导转换温度Tc，而空穴载流子浓度决定于氧含量，因为每个多余的氧原子会产生两个空穴。
　　大量的实验表明，Bi-2212单晶的氧含量和分布对其超导性质有非常大的影响。论文目的是通过光学浮区法制备高质量的Bi-2212单晶，光学浮区法作为一种单晶制备的方法，可以制备大块高质量的Bi-2212单晶。然后将解理的单晶进行退火处理，分为空气中不同温度下的退火和相同温度下不同氧压下的退火。研究退火对单晶氧含量的影响，由此分析退火对Bi-2212单晶结构和超导性质的影响。
　　首先，将Bi-2212单晶在空气中不同温度下退火，退火温度分别为300℃、400℃、450℃、500℃和600℃。对所有的退火样品利用XRD、SEM、和电磁输运（ρ-T和M-T）进行物性测量。XRD结果表明单晶为正交晶格结构，随着退火温度的增加单晶c轴的值减小，也就是氧含量增加。而ρ-T和M-T数据结果表明，超导转变温度Tc随着退火温度增加而减小。这个结果表明退火温度对单晶的氧含量有影响，使得单晶的c轴参数和超导温度Tc都发生改变。
　　然后，将Bi-2212单晶在450℃进行不同氧压下的退火，退火氧压分别为10bar和100 bar。对退火后的单晶样品利用XRD、SEM和电磁输运（ρ-T和M-T）进行物性测量。结果表明高氧压退火得到过掺杂单晶，单晶的Tc随着退火氧压的增加而减小，退火氧压在很大程度上影响了样品的超导转换温度Tc。而XRD数据的结果表明单晶的c轴晶格参数随着退火氧压的增加而变小。Tc和c轴晶格参数的关系表明Tc的变化与Bi-O层和Cu-O层氧含量增加和氧重新分布有关。测量单晶在不同大小外加磁场下的R-T，外加磁场分别平行和垂直于c轴。由此可以得到单晶不同方向的上临界场μHc2和温度T的关系图，可以看出Bi-2212单晶具有各向异性的本质。根据WHH理论，得到T=0时不同方向上的μHc2(0)，由此可计算Γ=μHc2⊥(0)/μHc2//(0)，这个值随着退火氧压的增加而减小，表明单晶的各向异性随着退火氧压增加而变小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 晶体生长概述

1．1．1 晶体生长的意义和常见晶体生长方法

1．1．2 浮区法生长晶体简介及其应用

1．2 铜氧化物高温超导体简介

1．2．1 铜氧化物高温超导体的发展历程

1．2．2 铜氧化物高温超导体的结构

1．2．3 铜氧化物高温超导体的相图

1．3 Bi系铜氧化物超导体的研究概述

1．3．1 Bi系超导体的结构

1．3．3 Bi系铜氧化物的研究进展

1．4 Bi系高温超导单晶的制备

1．5 本论文的研究目的和主要内容

参考文献

第二章 光学浮区法晶体生长和晶体物性表征手段

2．1 序言

2．2 光学浮区法晶体生长装置

2．3 光学浮区法晶体生长工艺

2．3．1 粉体制备

2．3．2 料棒制备

2．3．3 晶体生长

2．4 Bi-2212晶体表征方法与物性测量

2．4．1 X射线衍射分析(XRD)

2．4．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．3 物理性能综合测试系统(PPMS)

参考文献

第三章 Bi2Sr2Ca1Cu2O8+δ单晶的制备及物性研究

3．1 序言

3．2 Bi-2212单晶的生长过程

3．3 Bi-2212单晶的晶体表征

3．3．1 Bi-2212单晶的微结构分析

3．3．2 Bi-2212单晶的超导性能表征

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Bi-2212单晶在高氧压下的退火研究

4．1 序言

4．2 样品的制备方法

4．3 高氧压下退火Bi-2212单晶的表征

4．3．1 高氧压下退火Bi-2212单晶的结构表征

4．3．2 高氧压退火Bi-2212单晶的超导性能表征

4．4 高氧压下退火Bi-2212单晶的各向异性研究

4．5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

硕士期间发表论文

致谢