La1-xTaxOBiS2超导体单晶生长及超导性能研究

摘要

超导体由于具备特有的性能，百余年来一直是科学家研究的重要课题，而其中层状结构超导体更是研究的重点。2012年6月新型层状铋硫基超导体被发现，迅速引起了科学家的关注，科学家借鉴铜氧化物和铁基高温超导体的研究经验，短时间内，一系列BiS2基新型超导体相继问世，形成了一个BiS2基超导体大家族。目前，对于层状高温超导体的超导机制尚不清楚，新层状超导体的研究将为我们理解其超导机制提供更多有用的信息。本文主要以新型BiS2基层状超导体La1-xTaxOBiS2为研究对象，采用助溶剂法生长单晶，探索大块超导单晶的最佳生长工艺，并对其晶体结构、微观形貌、各向异性、磁性能和电输运性能等进行全面表征，探索其产生超导电性的可能原因。论文第一章为绪论部分，简单介绍了超导电性的发现，回顾了百年超导研究史，介绍了几种超导微观机理，重点介绍了本论文研究方向的相关文献综述和超导多晶、单晶的研究概况，最后阐述了本论文的研究内容和结构。
　　论文第二章为本论文实验过程中涉及到的样品制备方法、所用试剂、实验设备、样品表征分析手段以及La1-xTaxOBiS2超导体单晶生长实验的介绍。首先简单介绍了本论文中所用到的固相反应法和助溶剂法以及实验试剂和实验设备，然后，介绍了样品的晶体结构、微观结构、磁性能和电输运性能的表征方法，最后重点介绍了La1-xTaxOBiS2超导体单晶生长实验。
　　论文第三章为采用助溶剂法生长La1-xTaxOBiS2超导体单晶，通过调整掺杂量、助溶剂类型、原料种类、反应容器类型以及热处理工艺来优化单晶生长工艺，成功得到了毫米级超导体单晶片，具有CeOBiS2型四方晶体结构，属于P4/nmm空间群，同时有部分杂相存在，单晶片自发形核并通过二维晶核生长方式长大，沿ab面生长，最终形态为片层状，M-T测试结果表明，当x=0.1时，大片单晶片和小片单晶片的Tc分别为3.02K、2.92K，Tirr分别为2.36K、2.48K，当x=0.15时，Tc为3.06K，Tirr为2.39K。
　　论文第四章为采用固相反应法和助溶剂法制备得到母相LaOBiS2多晶和单晶样品，发现了超导电性，对其晶体结构、微观形貌、超导性能进行详细表征，探索其产生超导电性的可能原因。XPS研究结果表明样品中没有其他元素，纯度较高，LaOBiS2多晶具有CeOBiS2型四方晶体结构，属于P4/nmm空间群，Tc约为3K。对于单晶样品，单晶XRD研究表明其晶体结构可能为四方、单斜或三斜，而且部分样品中存在缺陷，理论计算发现不同晶体结构所对应的能带结构的费米面均处于带隙中，不具备金属性特征，通过引入点缺陷，体系在费米面的态密度增加，而且随着点缺陷的增加而增加。导致母相LaOBiS2中出现超导电性的可能原因有点缺陷或结构的不稳定，或者二者皆有。利用超导转变温度Tc和不可逆转变温度Tirr得到单晶的磁各向异性参数γ为3.1和7.24，表现出微弱的磁各向异性。
　　论文第五章为采用固相反应法制备得到不同热处理温度的La0.9Ta0.1OBiS2多晶超导体样品，研究热处理温度对超导体成相和性能的影响，优化热处理温度，获得体系的相图，研究结果表明当热处理温度为950℃时，超导体具有优异的性能，具有CeOBiS2型四方晶体结构，属于P4/nmm空间群，同时有部分杂相存在，晶粒较小，致密均匀，晶粒连接性较好，金属-半导体转变能隙最小，在低温下发生结构相变的温度最低，RRR值最大，表明其低温下金属性特征明显，同时得到其上临界磁场Hc2(0)为1.94T，相干长度ξ为13.03nm。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超导电性的发现

1．2 百年超导回顾

1．3 超导微观机理

1．3．1 二流体模型

1．3．2 London理论

1．3．3 Pippard非局域理论

1．3．4 G-L理论

1．3．5 BCS理论

1．4 新型BiS2基超导体研究概况

1．4．1 BiS2基超导体多晶研究

1．4．2 BiS2基超导体单晶研究

1．5 论文研究内容和结构

第二章 实验方法及性能表征

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 固相反应法

2．2．2 助溶剂法

2．3 实验试剂和仪器

2．3．1 实验试剂

2．3．2 实验仪器

2．4 性能表征

2．4．1 晶体结构

2．4．2 显微结构和表面形貌

2．4．3 磁性能分析

2．4．4 电性能分析

2．5 La1-xTaxOBiS2超导体单晶生长

2．5．1 前驱粉末合成实验

2．5．2 单晶生长实验

2．5．3 单晶生长实验影响因素

2．6 本章小结

第三章 La1-xTaxOBiS2单晶生长及性能

3．1 引言

3．2 实验结果与讨论

3．3 本章小结

第四章 LaOBiS2超导电性研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 纯样LaOBiS2多晶实验结果与讨论

4．4 纯样LaOBiS2单晶实验结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 热处理温度对La0．9Ta0．1OBiS2多晶成相和性能的影响

5．1 引言

5．2 实验方法

5．3 实验结果及讨论

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果