鐵基超導(dǎo)材料SmFeAsO1-XFX的制備及摻雜動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、自從2008年發(fā)現(xiàn)了LaFeAsO1.xFx材料具有26K超導(dǎo)電性以來(lái)，鐵基超導(dǎo)體的研究成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題。這一發(fā)現(xiàn)也引起了人們探尋和研究具有高臨界溫度超導(dǎo)體的興趣。SmFeAsO1-xFx材料具有較高的臨界溫度，高于100特斯拉的上臨界場(chǎng)，較銅氧化物超導(dǎo)體更小的各向異性等優(yōu)點(diǎn)，因此有較好的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。本論文以SmFeAsO1-xFx材料為研究對(duì)象，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 首先講述了鐵基超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展，

2、介紹了鐵基超導(dǎo)材料的制備方法和工藝，在對(duì)比文獻(xiàn)中制備方法工藝的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)和摸索了一套適合鐵基超導(dǎo)材料的工藝，對(duì)傳統(tǒng)的制備工藝做了優(yōu)化。其中利用最優(yōu)制備工藝，可以常壓下合成Tc為57K的SmFeAsO0.75F0.25超導(dǎo)體，這是目前F單摻雜材料中轉(zhuǎn)變溫度最高的材料之一。利用兩步合成法和粉末裝管法(PIT法）合成了SmFeAsO0.8F0.2和SmFeAsO0.75F0.25超導(dǎo)體，通過(guò)SEM對(duì)其結(jié)構(gòu)和微觀形貌進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)晶粒的尺

3、寸在5-20微米之間。對(duì)比材料的臨界溫度和XRD衍射圖譜，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變溫度與F元素的摻雜水平密切相關(guān)。通過(guò)EDX能譜發(fā)現(xiàn)晶粒中有F元素存在，說(shuō)明F元素已經(jīng)有效摻雜。
　　 其次，系統(tǒng)研究了樣品制備過(guò)程中石英管中的氧氣含量對(duì)SmFeAsO1-xFx材料超導(dǎo)電性影響及機(jī)理。在制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)SmFeAsO1-xFx材料對(duì)氧氣非常敏感，特別是樣品制備時(shí)石英管中的氧氣含量多少直接影響到SmFeAsO1-xFx超導(dǎo)電性的有無(wú)。為研究氧氣對(duì)SmF

4、eAsO0.8F0.2材料的影響，我們通過(guò)控制密封樣品的石英管內(nèi)空氣壓強(qiáng)的變化來(lái)間接實(shí)現(xiàn)不同含量氧氣與樣品的反應(yīng)，然后采用相同的退火工藝處理樣品，并對(duì)樣品進(jìn)行XRD表征和電阻率測(cè)量發(fā)現(xiàn)：
　　 1．在SmFeAsO0.8F0.2材料中SmOF雜質(zhì)相的生成與氧氣含量有關(guān)，氧含量多的SmFeAsO0.8F0.2材料SmOF雜質(zhì)相的數(shù)量也多。并通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了樣品制備時(shí)石英管中殘留的氧氣在高溫下生成SmOF的事實(shí)，表明樣品制備時(shí)石

5、英管中剩余的氧氣是SmOF雜質(zhì)生成的誘導(dǎo)因素。
　　 2．SmFeAsO0.8F0.2材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度受氧氣的影響，轉(zhuǎn)變溫度隨著樣品制備時(shí)石英管內(nèi)氧含量的增加出現(xiàn)降低趨勢(shì)，當(dāng)樣品制備時(shí)石英管內(nèi)氧含量達(dá)到一定程度時(shí)，SmFeAsO0.8F0.2材料失去超導(dǎo)電性，從而表現(xiàn)出母相的行為。這與低真空的條件下SmFeAsO0.8F0.2材料不超導(dǎo)相吻合。
　　 3．對(duì)比石英管內(nèi)剩余氧氣的數(shù)量和SmFeAsO0.8F0.2材料中氧

6、缺位的數(shù)量發(fā)現(xiàn)，剩余氧氣的數(shù)量低于氧缺位的數(shù)量，我們定義石英管內(nèi)剩余氧氣的數(shù)量和SmFeAsO0.8F0.2材料中氧缺位的數(shù)量百分比為Y％,則超導(dǎo)出現(xiàn)的范圍是Y%≤44.3165。這說(shuō)明當(dāng)Y%＞44.3165即使有氧缺位的剩余但SmFeAsO0.8F0.2材料也是不超導(dǎo)的。
　　 最后，研究了SmFeAsO1-xFx超導(dǎo)材料的摻雜的動(dòng)力學(xué)研究是在氧氣摻雜的基礎(chǔ)上通過(guò)更換不同的初始原料來(lái)判斷F元素的摻雜對(duì)成相的影響。解釋了摻雜動(dòng)力

7、學(xué)過(guò)程和可能存在的反應(yīng)化學(xué)方程。使用Sm2O3和FeAs做反應(yīng)的初始原料研究發(fā)現(xiàn)，只用Sm2O3來(lái)提供SmFeAsO1-xFx材料中O元素的樣品不超導(dǎo)，當(dāng)使用Sm2O3和Fe2O3來(lái)共同提供氧源時(shí)，其中Sm2O3和FeF2物質(zhì)量之比滿足1:1和小于1:1時(shí)樣品均具有超導(dǎo)電性。樣品的XRD圖譜符合ZrCuSiAs結(jié)構(gòu)，但是都有少量的雜質(zhì)相。摻雜動(dòng)力來(lái)自初始原料粉末之間的高溫?cái)U(kuò)散作用，實(shí)現(xiàn)F元素的摻雜。
　　 本論文還探索了F元素和