（凝聚态物理专业论文）熔融织构yba2cu3o7x块材的有效钉扎势.pdf

西北师范人学硕：t 学位论文 摘要 由于熔融织构y b c o 具有高的转变温度和临界电流密度，所以被广泛应用， 如超导磁悬浮、超导电机、超导飞轮等等。本论文简要介绍了超导材料的发展现 状及选题意义和选题内容，讲述了所研究材料的结构特点、制备i i 艺及其特性 重点阐述了熔融织构y b c o 的有效钉扎势的研究，具体分析并确定了有效钉扎 势中的二个参数玻璃态指数、临界电流密度、钉扎势( 有效钉扎势的标度势) 。 1 对于熔融 ：5 构y b c o 样品，我们用定场磁驰豫方法获得了玻璃态指数 ，。( 丁，) ，结果表明与用磁场扫描方法得到的结果变比趋势致，并且符合集体 钉扎理论。 2 在集体钉扎理论中，存热激活磁通运动中，彳i 个描述磁通运动的苹要参 数有效钉扎势，它是临界电流密度j 。、破璃态指数“和钉4 t 能u o 的函数。确定 钉扎能是比较网难的，这哏我们介绍r 一种新办法来确定钉扎能u o ，在i 个参 数都确定的前提卜，有效钉扎势的问题才得到解决。 3 用震动样t 忆磁强汁测量了熔融织构y b c o 样品的磁滞回线，并根据集体钳 扎里论确定了临界电流密度j c ，| | i 此得到的| | | i 线中，分别在t = 7 7 k 和8 3 k 观察 到了鱼尾效应。进一步研究表明鱼尼效戍足玻璃态指数和钉扎势之间竞争的结果 同时我们也看到随着温度的下降峰向- 岛磁场方向移动。 关键词：y b c o ，熔融织构，集体钉扎理论，磁驰豫，玻璃念指数，磁通钉扎 l 临界电流密度，鱼尾效应，超导电性，钉扎能 两北师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h eh i g ht r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h eq u i t eh i g hc r i t i c a lc u r r e n td e n s i t y , t h ey b a 2 c u 3 0 1 d ( y b c oo ry 1 2 3 ) s u p e r c o n d u c t o rc a r tb ea p p l i e df o rm a n yp o t e n t i a l a s p e c t s ，s u c ha ss u p e r c o n d u c c i n gm a g n e t i cs u s p e n s i o n ，s u p e r c o n d u c t i n gm o t o ra n d s u p e r c o n d u c t i n gf l y w h e e l r h i s d i s s e r t a t i o n g i v e s ab r i e fi n t r o d u c t i o n o ft h e d e v e l o p e dh i s t o r ya n dt h el a t e s ti n v e s t i g a t i o no nt h ee f f e c t i v ep i n n i n ge n e r g yo ft h e m t gy b c o ，a n dt h es i g n i f i c a n c ea n dm a i nc o n t e n to ft h i st h e s i s ；t e l l so ft h er e s e a r c h m a t e r i a ls t r u c t u r e ，s y n t h e s i z et e c h n i q u ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s ；e x p a t i a t eo nt h e e f f e c t i v ep i n n i n ge n e r g yo ft h em 7 i gy b c o ，a n a l y s i sa n dd e t e r m i n i n go ft h et h r e e p a r a m e t e r s ( t h eg l a s s ye x p o n e n t ，t h ec r i t i c a l c u r r e n td e n s i t y , p i n n i n ge n e r g y ) o f e f f e c t i v ep i n n i n gp o t e n t i a l ( 。 1 b ym a g n e t i cr e l a x a t i o nm e t h o dw eo b t a i n e dt h eg l a s s ye x p o n e n t ( 7r i i ) o f t h em e l tt e x t u r e dy b a 2 c u 3 0 7 xs a m p l e t h er e s u l t sh a v eas i m i l a rb e h a v i o rc o m p a r e d w i t ho n e su s i n gt h em e t h o do fm a g n e t i cf i e l ds w e e p ，a n da r ec o m p a t i b l ew i t ht h e m o d e lo fc o l l e c t i v ep i n n i n gt h e o r y 2 i nc o l l e c t i v ep i n n i n gt h e o r y e f f e c t i v e p i n n i n gp o t e n t i a l ，u 叫i s ak e y p a r a m e t e ri nd e s c r i b i n gt h e r m a l l ya c t i v a t e df l u xm o t i o n ，b u ti t i saf u n c t i o no ft h e e x p o n e n t ，s c a l ee n e r g yu oa n dc r i t i c a lc u r r e n td e n s i t yj c ，u n d e rt h eb a s eo f g r i e s s e n sa n do u rg r o u p sm e t h o d so fo b t a i n i n gj ca n dp ，r e s p e c t i v e l y d e t e r m i n i n g u 0i sf lt r o u b l e s o m ep r o b l e m i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e dan e ww a yo fd e t e r m i n i n g p i n n i n ge n e r g yu o ，t h u s t h ec o m p l e xp r o b l e mo fg e t t i n gu 哺h a sb e e ns o l v e d s u c c e s s f u l l y 3 a c c o r d i n gt ot h ec o l l e c t i v ep i n n i n gm o d e l ，w ed e t e r m i n et h ec r i t i c a lc u r r e n t d e n s i t yj cf o rm e l tt e x t u r e dy b a 2 c u 3 0 7 xb u l kb yu s i n gm a g n e t i ch y s t e r s i sl o o p s ( m h l s ) i nav i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) ，, a n do n l yo b s e r v et h ef i s h t a i l e f f e c t ( p e a ke f f e c t ) a tt = 7 7 ka n d8 3 k f u r t h e ri n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tt h ef i s h t a i l e f f e c ti st h ec o m p e t i t i v er e s u l to ft h eg l a s s ye x p o n e n t 肛a n dt h ep i n n i n ge n e r g yu o ， w h i c ha r ev a r y i n gw i t hm a g n e t i cf i e l da n dt e m p e r a t u r e w ea l s oo b s e r v et h a tt h e f i s h t a i le f f e c ts h i f tt o w a r d sh i 曲e rf i e l d sa qt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d 西北师范大学硕l 学位论文 k e y w o r d s ：y b c o ，m t g , c o l l e c t i v ep i n n i n gt h e o r bm a g n e t i cr e l a x a t i o n ，g l a s s y e x p o n e n t ，f l u xp i n n i n g ，c r i t i c a l c u r r c n t d e n s i t b f i s h t a i l e f f e c t ， s u p e r c o n d u cc i v “y ，p i n n i n ge n e r g y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文巾 不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 7 = 7 i l i 范人 学或其他教育机构的学位或证二碡而使用过的材料。与我一同一l ：作的问志对 本研究所做的任何贡献均已在论文r f i 作j 7 明确的说明并表示了鲥意。 学位论文作：占签名：一一旦曙碡e i 期：兰! ! 矗三旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西：i e 师范大学有关保留、使用学位论文的规定，巳：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被奁阅和借阅：学校可以公稚论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或；f c , f i ! l 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵：) ：此规定) 学位论文作者签名： 旦蓦基一n 期：壹! ! 当! 塾 论文指导老师签名：弩雄复虻日期：一雄 西北师范人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 超导体的发展概述 自从1 9 1 1 年荷兰物理学家h k a m e r l 。i n g h o n n e s 发现超导电性以来，超导研究发 展的历史大体可以分为一! 个阶段，第一阶段从1 9 1 1 年到1 9 5 7 年b c s 超导微观理论问 世，这是人类埘超导电f j ：的基本探索和认识阶段；第一二阶段大体从1 9 5 8 年到1 9 8 6 年高 温氧化物超导体h i ；d c u 一( ) 被发现之前，这是人类对超导应片j 技术准备性的探索 阶段，特别是本世纪6 0 年代，i ：实验室规模卜许多国家大力尝试丁超导的应用；第三 阶段足从1 9 8 6 年以后人类j 始步人了超导技术开发的阶段，当币) g f l n l l t ；i ；j t ：了序幕。1 9 8 6 年以前无法实现超导技术的大规模应用的t 要障碍是：以前超导材料的超导转变温度 ( t c ) 都人低，从而当时戍用超导技术都离1 i ) l ：液氦设备，这种设备花费大而且不方便。 这些t c 低的超导材料常被称为低温超导体。- f t 1 9 8 6 年以前人们已然认以到，如果能在 液态氮、液态氧或液态氢以：的温度实现超导电性，那所发生的技术革新也是影响很大 的。1 9 8 7 年，美国的朱经武雨i 中科院物理所分别宣御发现t c 为9 8 k 及l i o k 的 y b a c u o 超导体，使超野体研究摆脱了液氦，进入液氮( 7 7 k 以上) ，1 i 省了人鞋研究资 金，研究y b c oi e 沿着人们当初设想的方向走去，因此这方面的研究有着深远的科学意 义。 1 2 超导体的基本概念 1 2 1 超导体的坫本性质 1 零电阻效心：超导体在温度低于一定温度时，电阻突然变为零，从正常态进入超 导态。这一特定温度称为超导i 临界转变温度t c 。 2 完全抗磁性：超导体。旦进入超导态，体内的磁通量将全部被排除体外，磁感应 恒为零，又称迈斯纳效应。把超导体放入磁场，逐渐增大磁场到某一特定值后，超导体 会从超导态转变成为正常态，我们把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场心。 1 2 2 超导体的分类 根据临界转变；i r 矗度( t c ) 把超导体分为低话矗超导体和高温超导体。根据界面能( 其岁0 定 的依据足参数r = a 5 ) 把超导体分为两类：第1 类超导体和第1 i 类超导体。第1 类超导 第章绪论 体界面能为正( 或kc 1 i ) ，只有一个临界磁场h 。，大部分元素超导体归于这一类。第 儿类超导体界面能为负( 或k - ) 1 2 ) ，有两个临界磁场h 。2 ，h c l ，一般化合物，合金超 导体及馄，钒属于这一类。第1 类超导体存在两个态：超导态( 迈斯纳态) ，正常态，而 第1 i 类超导体则可存在于- - i 个态：迈斯纳态，混合态和正常态，混合态为超导体内部既 有正常区义自。超导区。第1 l 类超导体又分为理想和1 f 理想的两种。理想的第1 i 类超导体， 在混合念时，磁通涡旋线受磁通线间的射i 互作) lj 承j 镜像力，发生运动并域后趋十平衡， 形成均匀分佃的涡旋点阵。而非理想的第1 i 类超导体则形成非均匀的点阵，详细情况将 在下节介绍。 1 3 磁通钉扎理论和研究意义 ( 1 ) 磁通涡旋结构 a b r i k o s o v 存1 9 5 7 年首次从理论i ：通过解京兹堡朗道( g i 。) 方程说明了第二i 类超 导体的磁性质。第二类超导材料的关键点在f ，在h 。i 和h 。2 之间，磁通可以如一组涡 n _ ( b ) t i d f l 罔i - 1 在强度犬丁 k l 的外加磁场中的混合态( a ) i e 常芯子点阵及相芙的涡 旋电流：( b ) 超流电子的浓度两位置的变化；( c ) 磁通量密度的变化 旋线穿透到样品体内，因此m e i s s n c r 效应不如第一类超导材料那样彻底，在涡旋列阵核 心【| i 存在正常态，这种超导态与难常态的混合态称为涡旋态。1 9 6 5 年的中子散射实验及 后来的直接观测证实了这个大胆的假设。通常把1 e 常：出子和包围它的涡旋电流整个结构 称为涡旋结构或磁通涡旋线( 简称涡旋线或磁通线) 。如图l - 1 ( a ) 所，r 。e ( d 是形成超导 2 西北师范大学硕士研究生学位论文 的范围，它也是正常芯了的人小，即涡旋线的正常芯子的半径是e ( d ，而其环行电流围 绕芯子并屏蔽r 以外的磁场。 当磁场超过一定值时，磁通线会进 ， 入超导体内，那么这些磁通线是如何分 布的呢? 图l - 2 足理想和二l e 理想第二：类 超导体的磁通线分布。很显然，在理想 望j 三鬈篓i ：、羹兰霎竺茎主类竺三! ：7 兰励一溺 鬻篙黧篙萼搦糍潮。 区密度人，近中心处密度小。凶此超导i q q q q 国q 国国q 国翩甜各 v 嘶) 砒m 盹，( r ) - v b m ， 罔1 。2 嬲3 删咧勰鬈胂似m 撇黼1 第一章绪论 弹性钉扎是由二f 正常态与超导体的比容和弹性响应不一样而引起的钉扎。 本征钉扎：n ：备向i 司陛的超导体【i i ，磁通线般是上f 联通的一根线，然而对丁高 温超导体这样的层状氧化物，以及小的相干长度，在层与层z l u j ，由于其序参鼋受限 制而形成磁通线的钉扎中心，即本 _ 1 1 ：4 3 扎，由于层间的本征钥扎。磁通线在层内是以涡 旋饼的形式存在的，不j 叫层内的涡旋饼通过约瑟夫森耦合和f h 磁猖台发生相j ：作用，同 一层内的涡旋饼则相可排斥。 ( 3 ) 磁通钉扎基小模型 b e a n 模型 既然在非理想超导体中存在磁通线梯度，那么这些磁通线是如似运动的? b c a l l ”1r 1 9 6 4 年提出了一个磁通线阳超导体内渗透过程的模型。并且b e a n 给出了磁通涡旋线的 平衡条件。分布处于稳定的临界状态。h 口定义混合态中处处时时存在 f ot 。f p = = 0 ( 1 3 1 ) 为混合态的i 临界稳定状态( 义称临界态1 。显然有 f r f f ，j f ，磁通格了运动。 l ，d ls i 1 ，磁通格r 稳定。 用r = j ，x b 式，并将其中的外加传输电流简写为j 则由临界态条件( 1 3 1 ) 式，给出临 界状态的最人传输电流密度j c ，p , l i f 。= 一，j j 。b 显然有： j j c ，磁通格子运动 j j c ，磁通格了稳定 l 一 l c ，磁通格子处于稳定的临界状态，j c 值由钌扎力密度f p 决定。我 们称j c 为非理想第二类超导体的体i i j ；界电流密度( 或临界电流密度) ，它不同十第一类超 导体的j c ，它仅表示非理想第二类超导体的非均匀磁通格f 分布处于稳定的临界状态。 a n d e r s o n k i m 磁通蠕动模型 a n d e r s o n “1 k i m “1 磁通蠕动模型：首先唯象地引进单位体秘内元钉扎存钥扎力密度 中起作用的部分构成有效钉扎势，记作u 。f f ot = o k ，钉扎力密度为f p ( o ) 。驱动力密度 f d ( o ) 小于钉扎力密度f p ( 0 ) 时，磁通线不能越过有效钉扎势垒u e f f 发生运动。往低于临 界温度的有限温度t 条件下，a n d c r s o n 提出山于热激活存在多根磁通线组成磁通束的合 西北师范大学硕士研究生学位论文 作运功，即驱功力密度小于钉扎力密度时也存在热激活磁通蠕动。a n d e r s o n - - k i m 磁通 蠕动模型示意图如图1 3 所示。其【| 1 f a ) 表示热激活磁通蠕动的单元磁通束，热激活体积 为v 。( b ) 表示驱动力密度为零时磁通束被钉扎的自由能。磁通束处于钉扎势阱位置， 磁通束有效钉扎势的空问范围为x ，相邻两个钉扎势阱的距离为x ，、f 均的磁通束有效 钉扎势垒高度为u o 。( c ) 表示驱动力密度f n ( = j b ) 小_ _ r 钉扎力密度l ? ，时磁通束被钉扎的 自r 打能示意图，在t = 0 k 时由( c ) 町见磁通束不能越过势垒发生运动，化在自。限温度t ( t o 时，于热涨萍，磁通束仍有定的几率越过钉扎势跳至相邻的位阱f ，去，即从。个钉 扎巾心迁移至另一个钉扎中心，这是一种跳跃式的兀舰运动，叫做磁通蠕动。 “渊獭潲糯 t ni l - ：1 p ，i ( a ) 热激活 ；鼓通束体 _ ! v 。；f o ) - 驱动力为零时磁通束的彳r 效钉扎势： ( c ) 驱动力密度为f d ( c f p ) 时磁通柬的有效定扎辨 | = ! | 1 3a n d e r s o n - - k i m 磁通蠕动模型示意图 磁通束有左向右跳过有效势垒的高度为u = u 。一u 其中a u 是磁通求在驱动力作用 卜移动距离为x7 时所作的功，即 a u if dv c x ( 1 3 2 ) 各有限温度t ( c r c ) 时，热激活使磁通束沿着驱动力方向跳过有效钉扎势垒几率( 每秒从 八，彳。 i | 1 一，t 不同驱动力密度h ，( = j b ) 时，磁通蠕动有效势垒高度的变化” 第一章绪论 一个钉扎中心跳到相邻另个钉扎l f i 心的次数1 为 y = r o e “= w o e ( “+ “j 7 b 7( 1 3 3 ) 其中vo 是尝试频率，u o a u ：u 。h 为有效钉扎势垒，k h 玻尔兹漫常数。 钉扎中心、f 磁通线来说吖以看成一个平均高度为u 。的势阱，当垂直于测量电流方向外 加一磁场时，磁通线受到l o r c n t z 力相互作剧，从而使得有效钉扎势u 随测量电流线性 f 降： u ：u o ( 1 一j j )( 1 3 4 ) 其中j 。是无热激活磁通运动时的临界电流密度。如图1 4 所示。 山( 1 3 3 ) 与( 1 3 4 ) 式呵得出经典的磁通蠕动公式： 。u 一 q ，国 其中t 。= 1 v 。是磁场h 加到超导体上的时刻。a n d e r s o n 等人“1 提 了磁通线运动的热 激活模型，颅言了磁化强度随时问对数的衰减规律，并为实验所证实在商温超导体磁 弛豫行为的研究中，人1 f 1 3 疋1 r - 步修正a n d e r s o n k i m 模型，提出了基于u ( j ) 非线性的形 式“i h 了：无法从实验上直接测量u 与j 的关系“”，一般的做法足测量样品的宏观 磁矩随时m 的关系，与相应的理论模型比较，从l | i 得到彳丁效激活能和磁通蠕动的对数时 间t 度“，其结果显然依赖于使用的模型以及所用的拟合参数而由于a n d c r s o n - k i m 模型的简洁和方便，在理论分析和对实验结果的了解中仍被广泛采用 集体钉扎模型 b l a t t e r “，f e i g e l m a n 等1 提 i ：的集体钉扎”模型也可以看作经典磁通蠕动模型的 修正，他认为山于磁通钉扎很弱，磁通钉扎和磁通蠕动都存在“集体钉扎”，区别在于 将有效钉扎势随电流的线性变化修正为指数形式变化。集体钉扎模型所给出的高温超导 体的u 。hj 关系是： 吲r ，玑胪篙粼芈厂i - ，q 其中j 。是l 临界电流密度，与温度的关系为： “丁刮8 ) “ s 7 ) u o 为钉扎势( p i n n i n g b a r r i e r ，a c t i v a t i o ne n e r g y ) ，其与磁通钉扎束的大小即钉扎机制有关 两北师范大学硕二f - 研究生学位论文 卜“瞻3 乏单磁通 i u 。r j b ，= c ，一2u ，( 窆) 5 小磁通束 l c ，。= u 。( 未) 3 大磁通束 驴可看作磁通的等效鞭卜降卜集体钉扎诋舳堑械量标 度，r = 名n 亭2 称为无序参数，l 。单个钉i 扎、的钉扎力，n s t - f _ l t 心密度， 为( ；l 穿 透深度。 ( 4 ) 磁通钉扎研究意义 自高温超导体被发现以米，与热激活的磁通运动和钉扎有关的磁通动力学是高t 。氧 化物超导体研究的重要课题一方丽 j | r 高温超导体的临界温度远高于常舰超导体：另 一方面，山于高温超导体本身具有小的相fk 度e ，凼而起着很苇要的车j 扎作j 】的一些 点缺陷( 如氧空位) 的钉扎能也较小凶而n ! 临界温度附近的热激活磁通运动明娃增强 通常超导样品中的钉扎，是由于样品的不均匀性，如杂质、缺陷等造成。然而高温超导 体不仅具有传统样品的钉扎中，【、p ，还受到f h 丁高箍矗超导体自身的层状结构引起的本征钉 扎。这是l bj 高温氧化物超导体是层状结构，层与层之间存在c u 一0 面( l b 【面) 的较弱猫 合，这使得超导序参量在垂氙于a b 面方向受到c u o 面艰巨的周期性渊制。所有这螳钉 扎，极大地影响了高温超导体在各个方砸i 的特性，如磁驰豫、交流磁化牢、霍尔效应、 电阻传输特性等等，使其与传统超导体相比有着很人的不同，呈现丰富多彩的特性。 经过大量的实验和理论的研究，现在可说是基本上解释j ，这些现象，其中集体钉扎模型 在解释这些现象f f i 取得了较大的成功“”。但是，山于高温超导体极短的超导相干长度成 为最主要的因数之，特别是磁通品格在远低f 临界温度的区域就义能m 现熔化，导致 磁通玻璃和磁通液体的 f 现。在这些复杂的现蒙中，还存在种种未能理解或彻底理解的 问题“”。如高温超导样品中无序缺陷的维数是怎样影响磁通相和相变的。无序缺陷的维 数可以是0 维( 点钉扎) ，1 维( 列钉扎如用离了轰y , - 经迹形成的缺陷) 和2 维的( 如界面钉 扎) ，这些钉扎在外界条件如温度、磁场、电流等改变时，是如何竞争并影响磁通相和 桐变的，至今认识不清楚的。另外，相变过程中从一级相变到连续相变，这些尤序钉扎 第一章绪论 足怎样起作用的以及无序钉扎和相图一i - 这些相变线的具体形状之问的关系等等，都是未 知的。因此高温超导体中各种钉扎的机理和磁通混合态的性质还远没有了解清楚，人们 在实验和理论l 还在不断地探索和发展。高温超导体的机理研究是凝聚态物理的核心问 题之。，微观机理的解决将会对凝聚态物理甚至整个物理学广生碴大影响。因此从! 牡这 方丽的研究具有定的科学意义和应用i 景。 1 4 熔融织构y b c o 基本概念、制备及其结构特性简介 存我们的实验l l ，所研究的商温超导体y b a 2 c u 3 0 ，。( 简称y b c o 或y 1 2 3 n ) 确切地 说是非理想第二类超导体。阿“非理想”的主要特征是：磁化曲线足不町逆的；混合态 的磁通格了分布是非均匀的：这种非均匀磁通格子受到来自品休缺陷的“钉扎”作用等 等“。熔融炽构块材足y b c o , f u y 2 b a c u 0 5 ( y 2 1 1 ) 的混合物，i 卜足由j ：弥散分布企y b c o 丛体巾的y 2 1 l 颗粒成为阻碍磁通线漂移的有效钉扎中心，使熔融织构y b c o 的i 界电流 密度高达1 0 5 a c m l 以上，也使之成为最具戍 】潜力的高温超导块体材料 圈1 5 y b c o 结构图 1 9 8 7 年初美目休斯敦大学的朱经 武小组和l 中【主i 科学院物理所的赵忠贤 等人各自独立制备出y - b a c u o 超导 体，其l 界温度大于9 0 k ，是第个发 现临界温度在液氦( 7 7 k ) 之上的超： 体。巾n , k i 学院凶。次在世界上公布r 钇 一钡一铜一氰体系。y b c o 晶体结构为瓴缺 位的层状钙铁矿结构，它的氰含最随合 成条件的改变而改变，其晶体结构如图 l 一5 所示。其蓬奉特征是两个c u 0 2 f 面 中央有一层y 原了面，位于晶胞中央， 两侧足b a o 原7 二面，卜下底是含c u o 链的c u o 平面，c u 0 2 平面中的各个离了并彳i 严格 共而，e u ( e ) 偏离平面1 古1 0 ( 4 ) ，构成层状结构( c u 0 2 - y - c u 0 2 ) ，与其它部分间的耦合较弱。 所溻缺氧足指c u o 链的氧0 0 ) 容易失去，当o ( 1 ) 位上没有氧离子而成为空键，在c u ( 1 ) 所在j f 而只剩。f c u ( 1 ) 离r ，这时a = b ，结构由m 交变为四方，失去超导性。当c u o 链上 失去部分o 原子，则超导临界温度t c 下降b 轴也缩短，t c 与钮含量天系密切，因此在 制取高t c 的y 系1 2 ： 丰钮化物的控制十分重要。山于y b c o 超导体具订非常强的各向异 西北师范大学硕士研究隹学位论文 性，即层状i l l i ( a b 面) 的生k 牢远大于垂直层状丽方向( c 轴方向) 的生长速率。要克 服y b c o 晶粒问的“弱连接”，提高超导临界电流密度j c ，除品粒问有很好的连接外，还 必须使品粒沿a b 面取向排列。对于棒状试样而宣。，如果将临界电流密度远高于c 轴方向 的a _ b 面平行于试样的中心轴线，将使y b c o 的临界电流密度成倍的提高。 y b c o 高温超导体块材在：i ：程上育精许多潜在的应用，如可用作磁性轴承、磁体( 利用捕 图1 6 制备流程圈 获的磁通) 、故障电流限制器及飞轮 储能系统等。这些应用需要具彳丁商 临界电流密度的大尺、j 单畴y b c o 块材。在高温超导研究的早期，一 般采用睦| 态烧结法制备y b c o 块材。 所制得的y b c o 块是由火量随机取 向的小d 6 粒构成的多晶体。品粒问 存在杂相、字洞等缺陷，其宏观临 界电流密度值很低。这种y b c o j 实 卜无法应川。自从1 9 8 9 i v s j i n “”等 发明的熔融织构法 ( m e l t l e x t u r e d g r o w t h ，简称m t g ) 解决了y b c o 块材中的品界弱连接 问题，发展了y b c o f 芋j 制备工艺。采 用这种i ：z 制备的y b c o 块材，j c 可达1 0 5 a c m 2 量级( 7 7 k ，lt ) 。 熔融织构y b c o ( m t g y b c o ) , ；t 备流程如图16 所示筛0 备 艺如下：将名义成分为 y b c o + _ 4 0 m 0 1 y 2 l l 的y 2 0 3 ，b a c 0 3 和c u o 粉未经三次烧结并压制成圆柱体m f g s m b c o 准单品为籽品，于1 0 3 0 保温4 h ，迅速冷却趸1 0 1 5 c ，再以l 。c p h 冷却至9 4 0 ，然后随 炉冷至室汪盂得到m t g y b c o 块毒于所得m t g y b c oi r 视为为n 6 而( 圆柱体底面) 的准 单品片，沿r 轴( 母线) 方向堆垛而成，晶片问几乎没有品界将试样切害0 并在流瓴中充氧 完全( 4 5 0 ，1 2 0 h ) 后，测量交流磁化率曲线得到其超导转变温度t ，c 为9 3 k 其反应公式 如下1 ： b a c 0 3 + c u o - - - * b a c u 0 2 + c 0 2 1 - ， ( 1 4 8 ) b a c u 0 2 + y 2 0 s - - | y 2 b a c u 0 3 、 ( 1 4 9 ) 第一章绪论 2 y 2 b a c u 0 3 + 6 b a c u 0 2 + 4 c u o + 0 2 - - , 4 y b a 2 c u 3 0 7 ( 1 4 1 0 ) 熔融反应：y 2 c u z o s + 4 b a c u o + d 0 2 2 y b a 2 c u 3 0 6 m d ( 1 4 i1 ) 包品反应：y 2 b a c u 0 5 + 液相，- , y b a 2 c u 3 0 ，( 1 4 1 2 ) 熔化生长后的y b c o 超导体只有通过渗氧处理，才能从非超导的叫方相转变成超导 的l f 交相。氧原子进入晶格多少，如何使y b c o 超导体中能获得最佳的瓴含皤，是提商 临界温度t t 和应用性能的关谜。对渗瓴后的样品进行临界温度测量表明，样晶的起始 转变温度随着温度的y t 高而降低。y b c o 材料存不同温度f ，品格内部的钒原子占位率 不删，但在每个温度下部可以吸收氧，只是吸收率不一样，所以吸收的效果也不。样。 存温度降低的过禅中很可能将高温时吸收的氧储存下来，同时再继续在低温状态_ 卜吸 氧，从而不断提高样品l ，的氧含毓。受提一留块状y b c o 材料应用性能关键在于样品中氰 禽醚的最佳化，使y b a 2 c u 3 0 y 中的鼠含量y 6 7 ，样6 2 t 的r c 才会在9 0 k 以上 i 2 3y b c o 的应用 i j = 超导体的应用上，目前人们主要致力于两个领域方面的研究。一是强电领域；_ 二 是电了学( 即弱电) 领域。强电领域的应用足基j ：超导体零电i i h 特性和完全抗磁性。这一 应用领域通常包括超导磁体、超导发电机及电动机，受控热核反应及超导电缆等等。1 9 6 1 年k u n z l e r 用n b 3 s n n 成高场磁体，标志着低温超导体在强场应用中的开始，但这些应用 必须在液氦温区下才能实现，这阻碍了超导体的广泛戍丌】。高温超导体的发现，显示了 在液氮温区下应用超导技术的可能。然而，随着人们对高温氧化物超导体认识的深入， 发现它通向人规模工业应用的道路并不像人们想象的那样平坦。原因主要有：一是现在 的高温氧化物超导体都是陶瓷材料，质地脆，难加t ，不易线材化等；- 是迄今为止钒 化物商磁a 导体的临界传输电流密度j 。仍然不够高，抵消了部分山其高t c 和高一卜f 临界场 1 1 。z 带来的长处。特别是后者，若j 。不能满足现实应用中的要求，其实用价值将大受影响。 各困超导研究者为此进行了大量的研究t 作并取得了 日当大的进展。目前，最有可能在 强电领域获得实际应用的高温超导材料是b i 系和y 系。对于b i 系，小样品最高电2 j f c 密度 为7 1 0 。f i c m 2 ( 7 7 k ，0 t ) ，b i 系长带已町达千米以一卜，其优点是易于线材化，但其性能 的稳定性和带材生产工业化两大技术j l u j 题还有待进一步解决：另外其液氮温区的磁场特 性很差，限制了应用的推广。相对而言，y 系超导体就其性能要优于b i 系，y 系超导体 在液氮温区中具有高的不叮逆场、强t t s l s n 良好的临界电流密度特性，并目易于形成单 帽，但由于严重的晶界弱连接效应使其不易直接线材化，要3 0 n 工成可绕制线圈的长度则 0 西北师范大学硕士研究生学位论文 有相当难度。目前m i g y b c o 块材样品的j 。可达1 0 1 1 0 s a c m “”。”，所以y 系在块材方丽 的应用受到人们的重视，如制备磁悬浮器件、超导磁体等。 超导体在电子学( 弱电) 领域的应用卜要足基于约瑟犬森效应，以建立极灵敏的电二f 测量装置为兀的，：l i 要是指超导结电予学或微波器件的应用。这难涉及到y b c o 游膜m 题，非本论文讨论熏点，所以不详叙述了。 1 5 研究现状 从第二节的介绍哉们”r 以感忖的理解磁通的分布及运动，f i 然殳想知道它的内存机 理，如果从实验j 理沦秆 结合的角度上挖掘它的机理那臼然会缩姬研究历程的。卜确l 介 绍研究者们所采用的方泓： ( 1 ) 处理磁驰像动力学方法 a b u l a f i a 等人1 通过实验i e 实丫磁通线的运动过程可以用扩散方程东描述磁扩敞 的基本方榭足： 詈。一v d( 1 洲 舯 一褂肌x 。 _ 掣型 y 1 8 恸程：剑d t v 0 f c x p ( 兰訾k 型 li。y 此式时我们确定钉扎势的基本方程，其中b ( f ) 为磁通密度 。维情形卜，上式变为： d b 乒忑dpf x 一 _ 掣】 a b l a t t e r 等人的微扰解“ b l a t t e r 等人将电流f ；成微扰的形式： j ( x ，c ) = j o ( c ) “g ，f ) 代入( 1 5 3 ) 式，解得近似结果： ，盯( 丁，口，j ) = t 7 i 。【1 + 专j ( 1 5 2 ) l 为磁通跳跃平均距离。在 ( t 5 3 ) ( t 5 4 ) ( 1 5 5 ) n ” 第一章绪论 如f 1 2 确k t d z 刈。t - 厚度为d 的无限人平扳样品，将( 1 5 3 ) 式在整个样品内 分，就得到平均磁感 应强度( b ( r ) ) 2 孝b ( ，l f r 的变化率 掣一学唧( 刊掣) 。 s ， 因( b ( 厂) ) = 。( m + ) 代入( 1 5 6 ) n ： 舢打) = 丁2 b , l v o 唧( 刊掣) s 。 又，k 吖f j 用b e a l l 模型舢电流密度 j f ：吲t 反咖纠m ( 1 + 毒j 这驯h j t 警2 蒜? 肌。帆棚以及女 ib l a t t e r 腓近似，等近似与t 无 c j l * 1 p u 町一j 哭系和对应的电流驰豫关系 将不同的u 听一j 关系代入( 1 5 5 ) ，就得到对应的电流驰豫关系。 a n d e r s o n 模型h ”： u 印3 u 。c = r ，口- 一丢) ，= 咖， - 一诵k t - n 忙) 】 铋， 对数模型： ( 础，、，) = u o ( t ，b ) l 。掣 弦十r 引 锄， 西北师范大学硕士研究生学位论文 这种对数形式的u ( j ) 关系后来在m a l e y 等人“”研究y b c o 的磁弛豫工作以及近来a b u l a f i a 等人”1 采川霍耳探针点阵研究样品各个部分的磁弛豫工作中得到了证实然而，在 f e l g e l m a n 等人m 1 提出的集体磁通蠕动模型和f i s h e r 等人1 提出的涡旋玻璃态理论中，u 随电流密度的降低而以幂指数形式增加，即u u o ( j 。o j ) 。( 1 5 1 0 ) 集体钉扎模型“”1 ： 吲m = 繁涨j 纠盯。“一t 】 叫t + 意科剖”0 5 1 1 ) ( 2 ) 实验1 - 直接求得钉扎势 通过实验求得商温超导体有效钉扎势的方法：f j 很多如输运测最、交流磁化率测量、 定场驰豫、变场磁滞回线法、g i s 方法等。 ( 1 ) m a l c y 等人的定场驰像方法“。“ m a l 。y 等人在定场磁驰像测君1 ，发展_ r套求u 研一，关系的力法，其测量办法基 本思瓞叭d 。l ，i = 0 代k ( m 圳一2 l v o l l d 唧( 型掣卜 盯r 7 lk 。了j 竽掣川愕h 竽) 】 s 令c：111f挑叫1先为零，对不同温度的一dm，求出u町，然后调整c的取值，使d dit ” 竺茏篆掣落在一光滑曲线上，以此法测u 听盯，j ) 函数关系。从这里可以看到， m a l e y 等人f i 憾z e t ，方法，是假定c 与温度无关的条件卜求得钉扎势的。 变场磁滞凹线方法 实验表明。”，在测量高温超导体磁滞回线时，样品磁滞同线的大小与所用磁 场的扫描速一d l l 有关。这反映出在测量磁滞川线时，样品磁矩已发生了驰豫。在( 1 5 7 ) 中令丝：( d mi d t t x d h i d f ) 蚰j 4 4 第一章绪论 掣掣甜愕h 茄) 。， 由于1 ) ) d m d h 一( ) ，然后采取和前面m a l e y 等人相似的做法，就可得到样品的钉扎势。 ( 1 5 1 3 ) 式可改写为：u 咿( r ，h r ) = - k t i n h _ _ h 了 其中 如3 硼2 v o h l ( 1 5 1 4 ) 式可对其它样 b 形状推广，如l 圆柱体，我们推得 从( 1 5 1 ，1 ) 式容易求得备种钉扎模型的函数灭系。如 1 a n d e r s o n 模型： 出十玩衙引 2 对数模型 。 3 集体钉扎模型 。( t , b i + 褊，n 鲁 j l g e n e r a l i z e di n v e r s i o ns c h e m ef g i s ) 方法 ( 1 5 1 4 ) ( 1 5 1 5 ) ( 1 5 1 6 ) ( 1 5 1 7 ) ( 1 5 1 8 ) ( 1 5 1 9 ) 高温超导体的集体钉扎模型给出的l - j 表式是非线胜的，即0 和温度，磁场和 电流的依赖关系有嚣复杂的数学形式。在前面介绍的方法中，将其强行分开，是不妥的。 为了从实验室中求得钉扎势g r i e s s o n 小组提出了所谓g i s 方法侧。其基本方案是： 根据集体钉扎理论将u 呵仃，i i ，j ) 写为： 竺畔 西：f n 范大学硕士研究生学位论文 其中 啪，小咖叫艄】 出，钴忡， ( 1 5 2 0 ) ( 1 5 2 i ) 而g ( d 和p 可根据集体钉- t u - _ 论、涡旋相关性质推理得到，并且g ( t ：o ) 一( ；( t - o ) 。、1 丽j c ( t , t t ；町根据外场n 扫描绘的回滞曲线求得。将c s 一，式写为 u 呵m h j 、= c k t c ：l n h - t f f i 从而有： g f ；c k l 卜式取对数对l n 7 ；抟导柯：d l n _ g + 趔坚坐生：1 d l n td l n jd l f l t ，；j j ，( t h ) 或( 1 5 2 4 ) 式对l n 打求等，得：型坚_ _ d l n j ! d l n ，d l n ho ( 1 5 2 5 ) 和( 1 5 2 7 ) 式消去d i n 厂d l nu ，有 。q ：哆坠一型眦q 塑 d i n td i n t 。d l n t 其中， q = 丽d l n j 由于t 一0 时，d j ，d t 和d g d l 都趋- 3 ：0 ，因此由( 1 5 2 7 ) 式有 。：i j 。一土型 r ”qd i n t 由( 1 5 2 7 ) 式并且注意式( 1 5 2 1 ) 和( 1 5 2