新型MgB-,2-系列超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性與微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、本論文研究了新型MgB2超導(dǎo)體及其摻雜系列多晶塊材樣品的超導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)性質(zhì)。我們首先通過(guò)低溫X射線衍射(XRD)和拉曼光譜測(cè)試考察了未摻雜的MgB2超導(dǎo)體低溫下的結(jié)構(gòu)及微結(jié)構(gòu)特性變化；然后合成了Cr摻雜、Ag和Al雙摻雜、Zn和Ni雙摻雜等三個(gè)系列的摻雜MgB2超導(dǎo)體樣品，并研究了摻雜后MgB2超導(dǎo)體超導(dǎo)電性及體系結(jié)構(gòu)、微結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)變化。論文共分為五章，主要內(nèi)容簡(jiǎn)要?dú)w納如下： 第一章首先簡(jiǎn)單介紹了超導(dǎo)體的基本概念及發(fā)現(xiàn)、

2、發(fā)展歷史；然后重點(diǎn)綜述了新型MgB2超導(dǎo)體的研究進(jìn)展情況，主要包括合成方法、電子能帶結(jié)構(gòu)、同位素效應(yīng)、輸運(yùn)性質(zhì)、元素替代效應(yīng)、壓力效應(yīng)以及拉曼光譜等研究?jī)?nèi)容；最后，根據(jù)這些研究進(jìn)展情況，對(duì)MgB2超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制以及基礎(chǔ)研究中存在的問(wèn)題作了簡(jiǎn)單的總結(jié)。 第二章我們分別通過(guò)拉曼光譜和XRD測(cè)試研究了多晶MgB2超導(dǎo)體樣品的拉曼散射特性和晶格參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。隨著溫度的降低，樣品的晶格參數(shù)呈現(xiàn)近似線性的變化趨勢(shì)，沿a軸和c軸的熱

3、膨脹有所不同，這是因?yàn)镸gB2中的金屬-硼鍵相對(duì)較弱；通過(guò)XRD數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)MgB2樣品的晶粒尺寸在[100]和[001]兩個(gè)方向均約為45nm；在300K至12K的溫度范圍內(nèi)，沒(méi)有發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)相變。拉曼光譜中，在603cm-1附近觀察到一個(gè)反常的拉曼峰，這與理論預(yù)言的E2g面內(nèi)B振動(dòng)模相一致；我們還討論了引起拉曼峰位和線寬隨溫度變化的可能原因，并認(rèn)為納米尺度下MgB2的晶粒尺寸效應(yīng)對(duì)拉曼峰位和線寬會(huì)有明顯的影響。 第三章利用

4、傳統(tǒng)的固相反應(yīng)法合成了Mg1-xCrxB2(0≤x≤5％)系列多晶塊材樣品，并通過(guò)XRD、掃描電子顯微鏡(SEM)以及拉曼光譜對(duì)它們進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。隨著摻雜濃度的增大，樣品的c軸晶格參數(shù)逐漸減小，a軸卻沒(méi)有明顯變化，而且樣品的晶粒尺寸也有明顯的增大；摻雜后，樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)從38.2K(x=0)降至35.1K(x=0.03)，正常態(tài)電阻率也逐漸增大。我們通過(guò)分析討論認(rèn)為，Mg層和B層之間的電荷轉(zhuǎn)移造成了體系載流子濃度的下降，

5、進(jìn)而引起了Tc的下降和正常態(tài)電阻率的增大。另外，我們還對(duì)該系列樣品進(jìn)行了拉曼光譜研究，發(fā)現(xiàn)拉曼線寬隨摻雜濃度的增大而增大，這可以被理解為電-聲子耦合和摻雜引起的無(wú)序效應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)作用的結(jié)果；而電-聲子耦合和晶粒尺寸變化對(duì)拉曼峰位的共同影響使得摻雜后樣品的拉曼峰位并沒(méi)有明顯移動(dòng)。 第四章合成了Mg1-2x(AgAl)xB2(0.0≤x≤1.0％)系列多晶樣品，并分別通過(guò)XRD、拉曼光譜以及低溫電阻率測(cè)試研究了它們的結(jié)構(gòu)、拉曼散射特性以及

6、超導(dǎo)電性。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，Ag、Al雙摻雜造成體系晶格沿a軸和c軸同時(shí)擴(kuò)張，這是由摻雜后離子半徑的變化所致；摻雜后拉曼峰位的紅移則是由于晶胞體積變化所引起的聲子頻率的變化；另外，隨著摻雜濃度增大，樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也有明顯降低。通過(guò)Ag、Al雙摻雜，摻雜后MgB2超導(dǎo)體的空穴濃度保持不變，這就排除了載流子濃度變化對(duì)體系Tc的影響，Tc的下降主要是摻雜引起的無(wú)序效應(yīng)和化學(xué)壓力效應(yīng)共同作用的結(jié)果。 第五章我們成功地合成了Mg1-2x(

7、NiZn)xB2(0≤x≤5％)系列多晶樣品樣品，并以XRD測(cè)試對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，通過(guò)磁化率考察了它們的超導(dǎo)電性。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，Ni在MgB2中的固溶度較小(小于5％)；由于摻雜元素平均離子半徑與被摻雜的Mg2+幾乎相等，所以摻雜后樣品晶格參數(shù)沒(méi)有明顯變化；隨著Ni、Zn雙摻雜濃度的增大，MgB2的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度緩慢下降；另外，磁性元素Ni的單摻雜引起的Tc變化并沒(méi)有大于非磁性元素Zn的摻雜。因此，我們認(rèn)為磁性雜質(zhì)并不會(huì)明顯破壞Mg