（凝聚态物理专业论文）bi2223高温超导体混合态相关物理性质研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 1 0 ( b i 一2 2 2 3 ) 是目前有望实现大规模应用的高温超导体之一。电 力应用不仅要求b i 2 2 2 3 带材具有高的临界电流密度( 与磁通钉扎机制有关) 和机械 性能，而且必须要有低的损耗，以降低它的运行成本和提高装置稳定性。人们通 过对低温超导体物理性质的研究已经积累了大量的实验结果和较完善的理论， b i 2 2 2 3 高温超导体混合态的物理性质总体上与传统低温超导体有较大区别，例如 高温超导体的高临界温度、短的相干长度、颗粒特性和强烈的各向异性等使得高 温超导体的交流损耗机制和磁通钉扎机制与传统低温超导体不完全相同。近年来， 国内外对高温超导体混合态的相关物理性质进行了大量研究，促进了高温超导体 的实际应用。本文主要探讨了b i 2 2 2 3 高温超导带材磁通钉扎机制和交流损耗两个 方面的内容。 一方面的内容是对b i 2 2 2 3 高温超导体的磁通钉扎机制的研究。超导体的磁通 钉扎力是由磁相互作用或芯相互作用引起的。随着g l 参量r 的增大，磁相互作用 要比芯相互作用引起的钉扎力减小快得多。对于b i 系高温超导体，由于它们的g l 参量茁大，磁相互作用机制基本可以忽略，仅需考虑芯钉扎机制。本文根据d d e w h u 曲e s 理论模型建立了一个简化的描述钉扎力密度的公式，通过计算机拟合， 对两种不同的样品进行了分析，得到的结论与参考文献也比较一致。这个简化的 理论公式不但简单，而且也便于理解，对弄清b i 一2 2 2 3 高温超导带材的钉扎机制也 很有帮助。 另一方面的内容就是研究了在7 7 k 时，对处于5 0 m t 直流磁场中负载7 4 a 交变 电流时的样品带材的传输交流损耗。结果表明受s c ( b ) 的影响，在相同幅值磁场下， b c 时的交流损耗要明显高于b a b 时的交流损耗。其次，在直流磁场条件下，交流 损耗随频率的增加而略有下降，这符合磁通蠕动模型预期的结果，总的来看，交 流损耗仍以磁滞损耗为主。最后，我们根据n o r r i s 总结的方程，给出了交流损耗随 直流磁场方向改变的规律。结果表明：直流磁场与b i 2 2 2 3 高温超导带材a b 面的角 度越大，交流损耗也就越大，而交流损耗的计算值与参考文献的实验值吻合的很 好。 关键词：高温超导体，b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 i o ，交流损耗，磁通钉扎 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t b i 一2 2 2 3i so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gh i g ht cs u p e r c o n d u c t o r st h a tc o u l db e c o m m e r e i c a l i z e dc u r r e n t l y p o w e ra p p l i c a t i o n sr e q u i r en o to n l yh i 曲j ca n dg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f b i - 2 2 2 3t a p e sb u ta l s ol o wa l t e r n a t i n gc u r r e n tl o s s e st h a tc o u l d r e d u c ei t so p e r a t i o nc o s ta n di n c r e a s et h es t a b i l i t yo fd e v i c e si ni t sa p p l i c a t i o n t h r o u g h t h ei n v e s t i g a t i o no na l t e r n a t i n gc u r r e n tl o s s e si nt r a d i t i o n a ll o wt cs u p e r c o n d u c t o r s ， l a r g eq u a n t i t yo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dp e r f e c tt h e o r i e sh a v eb e e na c c u m u l a t e d t h e a l t e r n a t i n gc u r r e n tl o s s e sc h a r a c t e r so fb i 一2 2 2 3h i g ht cs u p e r c o n d u c t o r st a p e sa r e d i f f e r e n tf r o mt h a to f t r a d i t i o n a ll o wt cs u p e r c o n d u c t o r s ，b u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f h j 【e r a t cs u p e r c o n d u c t o r s ， s u c ha s h i g h c r i t i c a l t e m p e r a t u r e ， s h o r tc o h e r e n c el e n g t h ， g r a n u l a r i t ya n ds t r o n ga n i s o t r o p y , l e a dt ot h ea l t e r n a t i n gc u r r e n tl o s s e sa n df l u xp i n n i n g m e c h a n i s m sp a r t i a l l yd i f f e r e n tf r o mt h o s eo ft r a d i t i o n a ll o wt cs u p e r c o n d u c t o r s r e c e n t l y , m a n ys t u d i e sh a v eb e e nm a d eo nt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fh i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r s a th o m ea n da b r o a d , w h i c ha c c e l e r a t e st h ea p p l i c a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s i nt h i sp a p e r , w ei n v e s t i g a t e dt w os i d e so fb i 一2 2 2 3h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r so nt h ef l u xp i n n i n gm e c h a n i s ma n d t h ea l t e r n a t i n gc u r r e n t l o s s e s o n eo ft h ew o r k s ，w ei n v e s t i g a t e dt h ef l u xp i n n i n gm e c h a n i s mo fb i 一2 2 2 3h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r t h ef l u xp i n n i n gf o r c eo fs u p e r c o n d u c t o r sw a sa t t h e b o a o mo fm a g n e t t s mr e c i p r o c i t ya n dc o r er e c i p r o c i t y t h ef l u xp i n n i n gf o r c eo f m a g n e t i s mr e c i p r o c i t yr e d u c e df a s t e ri nc o m p a r i s o nw i t l lt h ef l u xp i n n i n gf o r c eo fc o r e r e c i p r o c i t yw i t l la g g r a n d i z e m e n to fg l sp a r a m e t e rk d u et ot h eg u sp a r a m e t e rr w a sb i g ，o n l yc o r ep i n n i n gm e c h a n i s mw a sc o n s i d e r e d ，t h em a g n e t i s mr e c i p r o c i t y m e c h a n i s mc a nb ei g n o r e df o rb is e r i e sh i i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r t oa n a l y z e t h ep i n n i n gm e c h a n i s mi nb i 一2 2 2 3h i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s ，ap r e d i g e s t i o n f o r m u l ao fp i n n i n gh a sb e e np r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ed d e w - h u g h e sm o d e l i n a c c o r d a n c ew i t l lt h ee x p e r i m e n t a ld a t ao ft h er e f e r e n c e s ，t h ep i n n i n gm e c h a n i s mi n b i 一2 2 2 3h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r sw a sc o n f i r m e db yc n l v ef i t t i n g a tl a s t ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ec o n c l u s i o no f t h er e f e r e n c e s i nt h eo t h e rp a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et r a n s p o r tc u r r e n tl o s s e so f t h es a m p l et a p e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 u n d e r5 0 r o td cf i e l dc 棚砸n g7 4 aa l t e r n a t i n gc u r t - c u tl o s s e sa t7 7 ki sp r e s e n t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l t e r n a t i n gl o s s e sf o rb ei sm u c h l a r g e rt h a nt h a tf o r b a bd u et ot h ee f f e c t so fi c ( b ) b e h a v i o r u n d e rd cm a g n e t i cf i e l d ，t h ea l t e r n a t i n g c u r r e n tl o s s e si sa l s oal i t t l ei nv e r s ep r o p o r t i o nt ot h ef r e q u e n c i e so fc u r r e n t ，w h i c h c o u l db ee x p l a i n e db yf l u xc r e e pm o d e l b u tt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n ti sm a i n l yd o m i n a t e d b yh y s t e r e s i si ng e n e r a l f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ee l l i p s em o d e lo ft h en o r r i se q u a t i o n ， w ep r e s e n tt h ev a r i a t i o n a ll a wo ft h e a l t e r n a t i n gc u r r e n t l o s s e sw i t hd i 岳踟l t o r i e n t a t i o n so fd cm a g n e t i cf i e l d t h er e s u l ts h o w e dt h eb i g g e rt h ea n g l eo fd c m a g n e t i cf i e l da n da bp l a n eo ft h eb i 2 2 2 3t a p e si s ，t h eb i g g e rt h ea l t e r n a t i n gc u r r e n t l o s s e si s t h ec a l c u l a t i o n a lv a l u e so ft h ea l t e r n a t i n gc h i t e n tl o s s e sa f ea l s oc o n s i s t e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：h i 曲t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r , b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 1 0 ，a l t e r n a t i n gc u r r e n t l o s s e s ，f l u xp i n n i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：+ p4 - 签字日期：2 d 口了年厂月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、。汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名刍尸军 签字日期倒了年6 月弓日 一名：彩苡彳 j 签字日期：叮年占月8 - 日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 超导研究的历史 1 1 1 零电阻与m e i s s n e r 效应 1 9 0 8 年，荷兰l e i d e n 大学的h ko r m e s 等人【1 1 ，通过多年的不懈努力，首 次实现了氦气的液化，为超导体的发现做好了必要的技术准备。三年后，他们在 测量汞的低温电阻随温度的变化时，发现电阻在4 2 k 附近突然降为零，出现零电 阻效应，由此开辟了一个新的物理研究领域超导物理研究领域。 1 9 3 3 年w m e i s s n e r 和o c h s e n f e l d 发现超导体一旦进入超导裂”，体内的磁通 量将全部被排出体外，磁感应强度恒等于零( 胆o ) ，即具有完全抗磁性，称之为 m e i s s n e r 效应。从此人们认识到超导体不等同于理想导体，它同时具有零电阻和完 全抗磁性两个基本特性。这两个基本特性使超导体具有潜在的巨大应用前景，推 动着超导科学技术的发展。 1 1 2 b c s 理论 1 9 5 7 年美国依利诺伊大学的b a r d e e n ( 1 9 5 6 年因发明半导体晶体管而获诺贝尔 奖) ，c o o p e r ( 量子场论专家) 和s c h r i e f f e r ( b a r d e e n 的学生) 合作 3 l 【4 1 ，克服了数学和 物理学上的巨大困难，建立了一套完整的超导微观理论。后来以三位科学家姓名 第一个大写字母命名，称之为b c s 理论。 这一理论的核心是计算出导体中存在电子间相互吸引作用，从而形成一种共 振态，即存在“电子对”，通常称为库柏对( c o o p e r sp a i r s ) 。该理论能够较好地解释 超导现象，即正常态的电子是互相排斥的，超导态时，一个电子与点阵相互作用 使点阵发生形交；第二个电子感受到经过形变的点阵，就乘机自行调整，以利用 形变来降低它的能量。这样，第二个电子通过点阵形变与第一个电子发生了相互 作用，两两相互吸引，形成库柏对。含有库柏对的金属具有较低的能态。量子力 学可以说明库柏对的总动量在与金属正离子碰撞时不损失，因而，在低能态下， 库柏对就像无阻力的流体一样易于流动。 b c s 理论可以解释超导电性的各种现象：可以导出l o n d o n 方程和 o i n z b u r g - l a n d a u 方程。由此可以得出超导电性的中心现象即m e i s s n e r 效应。穿透 深度和相干长度作为b c s 理论的自然结果而出现。解释了同位素效应以及超导 电子比热容、零电阻和临界磁场的温度公式。b c s 基态涉及的是电子对，由它 可推出磁通量子化用电子对电荷是2 e 而不是e 。 1 1 3 高温铜氧化物超导体 在1 9 8 6 年之前由于传统超导体的工作温度很低，超导转变温度最高的n b 3 g e t 习 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 薄膜也仅能达到2 3 3 k ，使超导技术使用成本过高，一直难以推广应用。这种形势 在1 9 8 6 年被瑞士苏黎世i b m 实验室的j g b e d n o r z 和k a m u e l l e i l 6 】的创造性发 现给完全扭转了过来。他们发现的您值高达3 5 k 的l a 2 一$ a x c u 0 4 是高温超导的起 始点，它在人类科学和技术发展史上和1 9 1 1 年昂内斯发现汞的超导具有同等重要 的意义。在b e d n o r z 和m u e l l e r 发表他们的发现后四个月，也就是1 9 8 7 年元月， 华裔科学家朱经武领导的休斯顿小组和吴茂昆【”领导的h u n t s v i l l e 小组协作合成了 死值为9 3 k 的新材料y b a 2 c u 3 0 7 ，冲出了超导7 7 k 的液氮温度大关。紧随着这一 重大突破，1 9 8 7 年法国的m i c h e l 等【8 】人发现铋锶铜氧化合物( b i 2 s r 2 0 u 0 6 + 0 ，虽然 其死仅约2 0 k ，但随后m a e d a 等【9 】人将c a 加入此系统中，获得恐高达1 1 0 k 的 超导体化合物( b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 1 0 + 0 ，并逐步形成了b i 2 s r 2 c a 。一l c u 。o y ( n = 1 ，2 ，3 ) 体系。 同年阿肯色的盛正直【1 0 和h e r m a n n 亦发现恐值为1 2 5 k 的铊钡钙铜氧化合物 ( t 1 2 b a 2 c a z c u 3 0 1 0 + 0 。后来t l m b a 2 c a n l c u n 0 2 n + 2 ( m = 1 ，2 ；n = l ，2 ，3 ，4 ) 被发现，使高温 超导体的临界温度进一步提高。p u t i l i n 等1 人又于1 9 9 3 年发现死值为9 4 k 的含 汞超导材料h g b a 2 c u 0 4 + d ，之后s c h i l l i n g 等【1 2 】人发现将c a 加入含汞超导材料中， 所形成的h g b a 2 c a 2 c u 3 0 s + d 超导体，其值高达1 3 5 k ，是目前琵值最高的超导 材料。朱经武教授所领导的德州高温超导研究中心，更发现若将h g b a 2 c a 2 0 u 3 0 8 + d 加压至1 5 0 k b a r ，可再将值提升至1 5 3 k ，接近地球表面记录到的最低温度。 现在已有的镧铜氧、钕铜氧、锶铜氧、钇钡铜氧、铋锶钙铜氧、铊钡钙铜氧 和汞钡钙铜氧七大铜氧化物系列，由此七大系列衍生出来的超导体多达百种以上。 高恐铜氧化物超导体的出现不仅为理论物理学家创建新的超导机制和理论提供一 个良好的机会，而且由于其蕴藏的巨大商业应用前景，使人们在超导电缆、超导 磁体等强电领域的应用研究中更加投入。但是由于高温超导体具有相干长度短、 超导转变温度高、以及层状结构导致的强各向异性等特点，使得高温超导体中磁 通运动加剧，产生所谓的“巨磁通蠕动”，在高温高场下的载流能力低、交流损耗高 等等。本章将概述b i 。2 2 2 3 高温超导体在磁通钉扎机制、交流损耗的研究现状，以 及本文研究内容和意义。 1 2b i 2 2 2 3 a g 带材研究进展 1 2 1b i 2 2 2 3 a g 带材临界电流密度和磁通钉扎性能研究进展 为了解决高温氧化物陶瓷材料本征的脆性所带来的不利影响，1 9 8 9 年，h i k a t a 等【l3 】首先采用粉末银套管法，制备出b i 系a g 包套带材，即把氧化物或前驱粉末 混合封装到高纯银或银合金管内，然后通过模具进行锻造、拉拔形成直径0 5 2 m m 的单股包层线，再经轧制，即形成最终厚度约o 1 m m 的带材。将多个单股线重排 在直径更大的银管内，通过类似的形变处理步骤还可以得到多股缆线。这种方法 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 制各的带材的弱连接问题在很大程度上得到了解决，同时实现了晶粒的取向排列， 从而使其在零场下的l 临界电流密度得到很大提高。在7 7 k 的液氮中无外加磁场( 自 场1 时其临界电流密度j e = 6 9 3 0 a c m 。1 9 9 1 年，u e y a m a 等【1 4 】通过反复形变热处 理，使超导晶粒变成高度织构，使得五大幅度提高，在7 7 k 自场下达到5 4 0 0 0 a c m - 2 y a m a d a 等【1 5 】通过改进工艺制备的样品在7 7 k 自场下五= 6 6 0 0 0a c m 一；q l i 等 1 5 1 又使7 7 k 自场下的五= 6 9 0 0 0a c m 。目前，国内采用粉末银套管法制备的最 好的b i 2 2 2 3 a g 带材的样品性能指标为：j o = 3 5 1 0 4 a c m ( 7 7 k ，0 3 3 ，上= 1 3 1 0 5 a c m - 2 ( 4 2 k ，0 t ) ，五= 4 - 3 1 0 4 a c m - 2 ( 4 2 k ，2 3 t ) 。人们发现，b i 2 2 2 3 a g 带材的五相对于大块体材料大幅度提高，主要归因于超导晶粒沿a b 导电面的择优 取向和晶界性质改善，从而大大改善了晶界弱连接。至今，粉末银套管法制备b i 系带材仍是最有效的高温超导体实用成材技术。目前，b i 系带材的制备在国外己 具有商业规模，可生产上千米的长带材，并开展了多方面的应用研究；而在国内 也正在向这种目标努力。 对于高五的b i 一2 2 2 3 a g 带材，从低温至高温其临晃电流的限制因素主要在于 磁通蠕动。因此，要使b i 系带材走向实用，特别是在液氮温区强磁场下的广泛使 用，这就要求在进一步改善晶界弱连接的前提下，提高b i 系带材的磁通钉扎能力。 从磁通钉扎的匹配效应出发，只有当缺陷尺度与相干长度e 相比拟时，才可能成为 有效的钉扎中心。由于高温超导体的相干长度极小( 约为纳米量级) ，在传统超导体 内不能起有效钉扎作用的近原子尺度的缺陷，如氧空位、阳离子空位等都有可能 成为高温超导体内有效的磁通钉扎中心，而晶界等大尺寸缺陷却不再是有效的磁 通钉扎中心。引入纳米尺度的人工缺陷钉扎无疑是提高b i 2 2 2 3 a g 带材磁通钉扎 能力直接而有效的途径。除此之外，比如优化形变热处理工艺，提高带材中位错 网络密度也可以提高其磁通钉扎能力。l i u 等【1 7 】通过可控的熔融工艺制备了 b i 2 2 2 3 a g 带材，其磁通钉扎能力得到了显著提高，他们将其原因归因于相变过 程中形成的细微弥散的少量( o k 时，磁逋有效钥孔努垒 = 一= u 0 ( 1 一也。) 。该式说明，线性依赖于- ，即跳跃磁通之间不存 在关联。磁通运动平均速率1 ，= ，。d ，磁通运动产生的耗散电场