Bi系超导材料中缺陷界面对其电输运特性的影响

摘要

本文系统地研究了Bi系超导材料中缺陷界面对其电输运特性的影响。在Bi系超导材料中，缺陷界面主要来源于Bi系超导结构中具有本征的由阳离子之间部分替代引起的不均匀结构和不同晶体取向的超导晶粒间的晶界。由于这两种缺陷界面的存在，使得实际生产中得到的多晶Bi系超导材料表现出颗粒超导电性。为了更好地理解这两种缺陷界面对多晶Bi系超导材料电输运特性的影响，本文首先分别对Bi/La等价掺杂的多晶Bi-2212超导体和Sr/Ca掺杂的多晶Bi-2201超导体的电输运特性进行详细的研究。然后，为了进一步了解Bi-2212超导体内部本征不均匀结构对其电输运特性的影响，对c轴外延Bi-2212超导薄膜的电输运特性进行系统的研究。
　　为了满足实验的需要，先后自行设计搭建了三套电输运测试系统。通过不断的改进，最终得到了测试温区为10K～325K，测试时间为3～4个小时和数据能实现自动采集和存储等高性能高稳定性的电输运测试系统。
　　通过对多晶Bi-2212超导体中Bi位进行微量La的等价掺杂，系统地研究了由Bi/La掺杂引起的缺陷界面变化对Bi-2212超导体电输运特性的影响。结果表明:随着La掺杂量的增加，正常态电阻逐渐增大，且经历了从有序的金属态逐渐向无序的金属态的转变;超导转变过程中，均出现两步转变，并且两步转变温度均随掺杂量增加而降低。La微掺杂引起Bi-2212颗粒超导电性变化的电输运模型被建立，从模型中可以看出，La掺杂一方面在电流路径中增加了结构不均匀所形成的低Tc的(Bi，La)-2212晶粒数目，另一方面间接使电流路径加长引起超导晶界结效应显著。
　　通过对多晶Bi-2201超导体进行不同比例的Sr/Ca掺杂，仔细分析了Sr/Ca掺杂带来的不均匀结构引起80KBi-2201超导电性的电输运特性。结果表明:在零场下，当Ca掺杂量大于等于0.2时，BCSCO样品的起始转变温度在81K～85K范围内变化，80K的Bi-2201超导电性在电阻特性中得以证实。超导转变过程中，除了x=0.3样品以外，两步转变过程均能被观察到。Ca掺杂引起BCSCO颗粒超导电性的电输运模型的建立，一方面很好地解释了由Sr/Ca掺杂带来80K的Bi-2201的电输运特性，另一方面，作为第3章所建立颗粒超导电性电输运模型的一个补充，给出了在由掺杂带来的局域不均匀结构引起晶粒内超导电性提高情况下的电输运模型，从而完善了由掺杂引起Bi系颗粒超导电性变化的电输运模型。磁场下BCSCO的电阻特性表明，当H=500Gs时，Ca掺杂引起的结构不均匀性和晶界等缺陷对颗粒超导电性的影响在弱场范围达到一个“饱和状态”。
　　通过对Pechini法制备出的四种不同结晶性c轴外延的Bi-2212薄膜，研究了不均匀成分对其电输运特性的影响，结果表明:具有c轴很好外延性的层状结构消除了超导晶粒间由晶界带来的相干超导转变，超导态所反映的超导转变是由Bi-2212晶粒内超导电性决定的。对于所有薄膜来说，通过在磁场下的R-T曲线和J-V曲线可以看出，当磁场大于Bi-2212的下临界磁场时，随着磁场的增加，超导体的Tc,zero和Jc(T)随之减小，而导致△Tc加宽，这种电输运特性被认为是在缺陷结构处的热激活磁通流动引起的。比较四种薄膜结构与电输运特性的关系可以看出，Bi-2212薄膜的结晶性越好，薄膜具有更好的电学性能;薄膜表面越粗糙，正常态电阻越大。总体上讲，用Pechini方法得到了c轴外延的Bi-2212超导薄膜，该超导薄膜具有80K以上的零电阻转变温度、温度在60K时临界电流密度为1.6×103A/cm2和下临界磁场为1000Gs的电输运特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高温超导体的电输运特性研究

1．2．1 电阻温度特性(R-T特性)

1．2．2 电流电压特性(I-V特性)

1．3 Bi系超导材料的研究现状

1．3．1 Bi系超导体的结构特征

1．3．2 Bi系超导粉体的研究现状

1．3．3 Bi系超导薄膜的研究现状

1．4 本论文的研究意义和内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

参考文献

第2章 实验方法与原理

2．1 引言

2．2 相关物理概念

2．2．1 渗透模型

2．2．2 邻近效应

2．2．3 约瑟夫森效应

2．2．4 磁通动力学

2．3 制备方法

2．3．1 超导粉体的制备

2．3．2 超导薄膜的制备

2．3．3 超导块体及薄膜电极的制备

2．4 电输运测试系统

2．4．1 电输运测试系统Ⅰ(77K～200K)

2．4．2 电输运测试系统Ⅱ(64K～273K)

2．4．3 电输运测试系统Ⅲ(10K～290K)

2．5 结构表征手段

2．5．1 X射线衍射

2．5．2 金相显微镜

2．5．3 扫描电子显微镜

2．5．4 原子力显微镜

参考文献

第3章 Bi2Sr2CaCu2O8+δ超导体中Bi位掺La对其电输运特性的影响

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 样品制备

3．2．2 分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 (Bi1-xLa)2Sr2CaCu2O8+δ薄片的物相成分分析

3．3．2 零场下(Bi1-xLax)2Sr2CaCu2O8+δ薄片的电输运特性研究

3．3．3 磁场对(Bi1-xLax)2Sr2CaCu2O8+δ薄片的电输运特性影响

3．4 本章结论

参考文献

第4章 由Sr／Ca不均匀结构引起80K Bi-2201超导电性的电输运特性研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．1 样品制备

4．2．2 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 BCSCO薄片的物相成分分析

4．3．2 零场下BCSCO薄片的电输运特性研究

4．3．3 磁场对BCSCO薄片的电输运特性影响

4．4 本章结论

参考文献

第5章 c轴外延的Bi-2212薄膜中不均匀成分对其电输运特性的影响

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 样品制备

5．2．2 分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 Bi-2212薄膜的结构分析

5．3．2 Bi-2212薄膜的电输运特性研究

5．4 本章结论

参考文献

第6章 结论

致谢

攻读博士学位期间已发表和在投的论文