（凝聚态物理专业论文）mgb2薄膜钉扎力及临界电流的研究.pdf

摘要 本论文采用标准四引线法和超导量子干涉仪( s q u i d ) 对用脉冲激光沉积 ( p l d ) 法制备的m g b ：的c 轴织构取向薄膜样品进行了电传输测量、直流磁测量 和磁驰豫测量，研究了m g b 。超导薄膜样品的钉扎势( 热激活能) 、临界电流及磁 通钉扎等性质。具体内容如下： 1 、通过研究m g b ：样品的p - t 曲线展宽了解其钉扎势垒的相关特性，得到了 钉扎势对磁场的依赖关系表达式( 功* ( 1 一彰矿) 。分析u o ( 曰) 在低场区的 幂函数形式，说明m g b ：在低场区为强钉扎中心样品。同时根据p t 曲线得到样 品的临界磁场。对m g b 。薄膜样品上临界场及各向异性进行了讨论。 2 、测量了磁场平行c 轴和平行a b 面两个方向下，不同磁场( 温度) 时的i - v 曲线。根据i - v 曲线特征分析了磁通运动特征，并且由i v 曲线通过两种方法确 定了其临界电流以r ，口) 以及拆对临界电流，。( t ，对结果进行讨论。伺时还 分析了在低电压区域i v 曲线的阶梯状响应是由弱连接导致的相滑移引起的。 3 、测量不同温度下m g b ：薄膜样品的磁滞回线，结合b e a n 模型得到临界电流 密度与磁场( 温度) 的关系曲线以( r ，口) 以及钉扎力的标度行为，拟合以( t ，曲 线以及钉扎力的标度行为，发现与k r a m e r 模型符合。通过理论曲线与实验数据 的对比得出：当外场小于钉扎力峰值所对应的外场时，m g b ：超导薄膜主要钉扎机 理为表面钉扎；当外场大于峰值外场时，其主要钉扎机理为芯钉扎和表面钉扎共 同作用。 4 、根据m g b 。超导薄膜样品的定场驰豫，确定m g b 。磁驰豫率及有效钉扎势， 讨论了不同温度( 磁场) 下磁驰豫率的特征，并对钉扎势进行了拟合，分析了其 钉扎机理。同时还讨论了小磁场区域的磁通跳跃现象。 关键词：二硼化镁薄膜、临界磁场、各向异性、临界电流密度、磁通钉扎力、 钉扎势( 热激活能) 、k r a m e r 模型、磁驰豫 a b s t r a c t f o l l o w i n g t h e d i s c o v e r y o fs u p e r c o n d u c t i v i t y i n m g b 2 w i t ha c r i t i c a l t e m p e r a t u r e t c o f 3 9 k , a l a r g en u m b e ro fs t u d i e sh a v eb e e nc a r r i e do u tt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fs u p e r c o n d u c t i v i t y l e s sw e l le x p l o r e de s p e c i a l l yi nf i l m s ，h o w e v e r , a l ea s p e c t so fv o r t e xp i n n i n ga n da s s o c i a t e d v o l t a g e - c u n c n td e n s i t yr e l a t i o n i nt h i sw o r k ，t h ec r i t i c a lc u r r e n td e n s i t y , p i n n i n gb a r r i e r ( t h e r m a l a c t i v a t i o ne n e r g y ) a n df l u xp i n n i n go fc - a x i so r i e n t e dm g b 2t h i nf i l m ，f a b r i c a t e db yp u l s e dl a s e r d e p o s i t i o n ，a r ew i d e l ys t u d i e db yt h em e a s u r e m e n to ft r a n s p o r tw i t ht h e4 - p r o d em e t h o da n d m a g n e t i z a t i o nh y s t e r e s i sm - hm e a s u r e m e n t s t h em a j o rc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 f r o mt h er e s i s t a n c e d a t av e r s u si n v e r t e m p e r a t u r eo nal o g a r i t h m i cs c a l e ，t h ed e p e n d e n c eo f f l u xc r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yo nt h e m a g n e t i c f i e l dh a s b e e nd e t e r m i n e dt ob e u o ( b ) * b 9 ( 1 一彰f ) 2 u p p e rc r i t i c a l f i e l da n di r r e v e r s i b i l i t yf i e l dm o b t a i n e d , t h e a n i s o t r o p y o f u p p e r c r i t i c a l f i e l d h a s b e e n d i s c u s s e d 2 t h ec u r r e n t - v o l t a g e ( i - v ) c h a r a c t e r i s t i c so fm g b 2t h i nf i l ma td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n df i e l d 。 m e a s u r e dw i t hf i e l da p p l i e dp a r a l l e lt oc - a x i sa n dp a r a l l e lt oa b p l a n e ，s h o w e dt h ec h a r a c t e ro f f l u xm o t i o ni nd i f f e r e n tr e g i m e s c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t ya n dd e p a i r i n gc u r r e n td e n s i t yc a l lb e e s t i m a t e d t h ec u r r e n t - v o l t a g e ( 1 - v ) c h a r a c t e r i s t i c sa tl o wv o l t a g er e v e a l e das t a i r c a s e r e s p e n ，w h i c hw a sa t t r i b u t e dt ot h ep r e s e n c eo fw e a kl i n k s 。c r e a t i n gp h a s es l i pc e n t e r s 3 i nm a g n e t i cs t u d i e s 。as q o mm a g n e t o m e t e rw a su s e dc o n v e n t i o n a l l yt od e t e r m i n et h e i n d u c e dc u r r e n td e n s i t yb yt h eb e a nm o d e l t h em a g n e t i cf i e l da n dt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t yi sd e t e r m i n e dt of i tf u l l yt h ef o r mo fk r a m e rm o d e l t h ev a l u eo f p a r a m e t e ra l s oi so b t a i n e d c o m p a r i n gp a r a m e t e r so ft h e o r e t i cw i t ht h e mo ft h ee x p e r i m e n t d a t a , t h ec o n c l u s i o ni sf o l l o w i n g ：w h e na p p l i e df i e l di sl e s st h a np e a kf i l e d ，t h ed o m i n a n t p i n n i n go fm g b 2t h i nf i l mi ss u r f a c ep i n n i n g ；w h e na p p l i e df i e l di sm o r et h a np e a kf i l e d ，t h e d o m i n a n tp i n n i n go fm g b 2t h i nf i l mi ss u r f a c ep i n n i n ga n dc o l ep i n n i n g 4 m a g n e t i z a t i o nr e l a x a t i o ns t u d i e sh a v eb e e nm a d eo l lm g b 2t h i nf i l ma saf u n c t i o no fm a g n e t i c f i e l da n dt e m p e r a t u r e i ti sf o u n dt h a tm ( f ) i sl o g a r i t h m i ca n df o l l o w st h ea n d e r s o n - k i m b e h a v i o r f r o mt h er e s u l t s ，e f f e c t i v ee n e r g yf o rv o r t e xp i n n i n g ，a sf u n c t i o no fm a g n e t i z i n g i | f i e l d ，a r ce s t i m a t e d ，a n dt h ed e p e n d e n c eo ff l u xc r e e pa c t i v a t i o ne n e r g yo nt h em a g n e t i cf i e l d a n dt e m p e r a t u r eh a sb e e nd e r i v e d 。i n d i c a t i n gt h a tt h ed o m i n a n tp i n n i n go fm g b 2t h i nf i l mi s c o r ep i n n i n g k e yw o r d s ：m a g n e s i u md i b o r i d et h i nf i l m ；c r i t i c a lm a g n e t i cf i e l d ；a n i s o t r o p y ；c r i t i c a l c t m e n td e n s i t y ；f l u x p i n n i n g ；p i n n i n gb a r r i e r ( t h e r m a la c t i v a t i o ne n e r g y ) ； k r a m e rm o d e l ；m a g n e t i z a t i o nr e l a x a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名：墨丝 e t期：型 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 章丰 研究生签名：筻丝：导师签名：日期：加z z 第一章绪论 第一章绪论 1 1m g b ：的发现、研究背景 2 0 0 1 年日本青山学院秋光纯教授的研究小组发现金属间化合物二硼化镁 ( m g b 2 ) 具有超导电性，超导转变温度高达3 9 k “1 ，接近强磁耦合b c s 理论预言的 上限，是继高温超导体和c 6 0 等超导体叫之后发现的具有较高超导转变温度的超导 材料。 在应用方面，m g b 。在二元金属化合物中超导转变温度最高、无弱连接、磁 通蠕动小、具有很强的应用前景，作为强电应用的基础，磁通钉扎的研究自然受 到重视。因此有关m g b ：磁通钉扎的研究，对我们理解超导机理，探索高转变温度 超导材料具有重要理论和实用价值。 目前，世界各国科学家迅速制备出了m g b 。多晶块材、小单晶、薄膜、线材、 带材等，并对其超导机理、超导电磁特性进行了大量研究。同位素效应嘲表明， m g b ：属于传统的b c s 超导体，比较高的德拜温度和强烈的电声子相互作用导致了 较高的转变温度。高压实验表明m g b ：的超导转变温度随着压强的增大而降低， 这符合b c s 理论的一般预言。进一步又发现对此系统的任何形式的掺杂只会使超 导温度下降。因此人们认为，m g b z 属于常规超导体，其超导电性可以在b c s 理论 框架内讨论。但后来的能带结构的理论计算表明“在m g b 2 中有不只一个能带跨 越费米面，电声耦合所造成的费米面失稳完全可能在两个能带的费米面处产生能 隙。扫描隧道光谱m 、比热阳1 、点接触谱吣“1 、拉曼光谱阍、光发射谱睁、核 磁共振“。、平面热电导“”及中子散射的实验钉结果也证实了在m g b ：中存在两个能 隙。这一点又与传统的所有超导体完全不同。 虽然有关m g b ：电磁特性方面已有了大量的研究，但m g b 。超导体的磁通钉扎行 为和钉扎机理尚不清楚。主要表现在已有的磁通钉扎研究，试样通常是多晶，由 于m g b z 的各向异性，其临界电流对磁场和温度的依赖关系以( r ，实际上是两个 方向贡献之和，即c 一轴与外场成各种角度的晶粒对临界电流的贡献之和，不能 得到正确的临界电流对约化场的依赖关系，以此判断钉扎机理存在问题。而单晶 样品不易测量，虽有少量研究工作，但其电流特性、钉扎行为、钉扎机理还不是 东南大学硕士学位论文 很清楚，而且单晶m g b 。是弱钉扎系统，其临界电流比多晶试样低一个数量级，钉 扎中心、钉扎机理也可能不同。因此织构取向的薄膜样品对m g b 2 钉扎机理的研究 非常重要。 1 2m g b 。的晶体结构 图1 - 1m g b 2 的晶体结构 g 图卜1 是m g b 2 的晶体结构示意图“”。m g b 。的结构属六方晶系，其空间群代码 是1 9 1 ( 符号：p 6 m ) 。由x 射线及早期的结构分析“”得出的晶格参数分别是： a = 3 0 8 6a 、c = 3 5 2 4a 。m g b z 的原胞中含有三个原子，由一个镁原子和两个硼原 子组成。图中小球代表b 原子，大球代表m g 原子。m g 原子形成的六角密堆积层 和b 原子形成的类石墨结构层交替分布，m g 原子和b 原子分别占据1 a 和2 d 位 置，每个固体物理学原胞含有一个形式结构的单元。 与石墨类似，m g b 2 中的b - _ b 链显示出很强的各向异性，这是由于b 原子之 间的层间距离比层内距离大的多的缘故。这导致了一些各向异性现象，例如它的 上临界场h c 。就随着角度的变换而在2 到1 6t 之间变化。 表1 - 2 给出了m g b 2 的一些基本参数“”。 第一章绪论 参数值 转变温度 t 声3 9 4 0x 晶格参数a = 0 3 0 8 6n m , c - 0 3 5 2 4n m 理论密度 p = 2 。5 5 园忒 载流子密度 n = 1 7 - - 2 8 xl o h o l e s e m 3 德拜温度 0 d = 7 5 0 1 1 0 0k 转变温度附近的电阻率 p ( 4 0 k ) = o 1 1 6u q 锄 上临界场 公嘞= 1 4 3 9 工 敬吩= 2 - - 2 4 t 下临赛场h c l ( o ) = 2 7 - - 4 8r a t 不可逆场 h 盯( o ) = 6 3 5t 相干长度 3 7 一1 2 j m 亏婀一6 3 6 哪 穿透深度鹚= 舒一l l 临界电流密度 n 2 砭仃i ) 。1 0 7 a 血t 工撩2 墨钉扣l 沪硝团孑 表1 - 2m g b 2 材料的一些基本参数1 羽 1 3m g b 。超导薄膜样品的制备 本论文所用m g b z 超导薄膜样品是韩国p o h a n g 科技大学超导中心s u n g - i kl e e 图1 - 3p l d 设备原理 教授提供的。其研究小组也是 第一个利用脉冲激光沉积+ 后 退火技术( p l d + e x - s i t u a n n e a li n g ) 在a 1 2 倪和s r t i 0 3 基片上制备出c 轴取向的m g b ： 薄膜。 图1 - 3 是p l d 设备的原理 图。当具有一定能量密度的脉 冲激光入射到真空腔内的靶 面上时，靶材表面便被迅速加 东南大学硕士学位论文 热、蒸发、电离并膨胀而形成含有靶材组分的等离子体羽辉。羽辉中的物质与相 对放置并被加热到一定温度的基片接触时，便在其表面上沉积成膜。 样品的制各过程简述如下：用脉 冲激光法沉积一层无定形b 膜，作为 缓冲层。将其置于m g 蒸汽下，密封 于t a 管内，在9 0 0 。c 度烧结1 0 - 3 0 分 钟，退火至室温。制得薄膜厚度为 4 0 0 r i m ，尺寸大小为5 m i n x5 m m 。 薄膜外观如图1 - 4 所示。 图1 - 4 样品外观 我们利用标准四引线法测量其电阻随温度变化曲线，如图1 5 所示。从图中 可以看出样品的转交温度约为3 7 7 k ，转交宽度a t c = 2 3 k 。样品的残余电阻比 ( r r r = r ( 3 0 0k ) r ( 4 0k ) ) 为1 6 ，正常态电阻表现为金属特性。 ，。、 e q a 1 、。一 q r ( k ) 图1 - 5 是m g b 2 薄膜样品的电阻率随温度变化曲线 插图是放大的p t 图 第一章绪论 1 4m g b 。超导薄膜的分析方法及形貌特征 i 、x 射线衍射分析 2 0 ( d e g r e e s ) 图i - 6m g b 2 薄膜样品的x r d 谱线图 图1 _ 6 为m g b ：超导薄膜x r d 结果跚1 。x r d 测试表明，a 1 ：0 3 ( 1 1 0 2 ) 基片上制 备的前驱物b 膜经退火处理后得到的m g b ：薄膜均为c 轴取向生长膜，样品结晶性 能良好，晶格常数a 。= 3 1 0 a ，ca = 3 5 2 a ，与早期报道的多晶样品晶格常数接近嘲。 2 、扫描电子显微分析 同时我们还利用l ( 1 k y 一2 8 0 0 型扫描电子显微镜( s e m ) 对薄膜进行了表面形貌 图1 7 ( a ) m g b 2 薄膜样品表面形貌的s e m 图 分析。图卜7 是m g b 2 薄膜的表面形貌的s e m 图，从图中可以看出，薄膜样品致 东南大学硕士学位论文 密均匀，样品中晶粒大小约为1 | im 左右。图1 - 7 ( a ) 、( b ) 、为整体形貌图。图 1 - 7 ( c ) 、( d ) 为局部形貌图。 图l 一7 ( b ) m g b 2 薄膜样品表面形貌的s e m 图 图1 - 7 ( c ) m g b 2 薄膜样品表面形貌的s e m 图 第一章绪论 图l 7 ( d ) m g b 2 薄膜样品表面形貌的s e m 图 1 5m g b ：超导薄膜样品的测试方法 研究超导体电磁性能的测试方法主要有两种。一种电测量，包括测量电阻特 性及i - v 特性曲线。一种为磁测量，用s q u i d 磁强计、振动样品磁强计、交流磁 强计等仪器，测量样品的磁化强度m 。 电测量方法原理简单、测量结果准确可靠，但此法技术上复杂，需要焊接头， 安全性不好，在大电流下操作易烧坏样品。本论文电测量i - v 特性曲线中就有此 问题出现，导致电测量所得临界电流数 值上有较大偏差。磁测量方法，只能将 实验数据用一定的模型简化近似才能 计算出临界电流的大小，只能半定量地 估算出临界电流值，但是技术简便，安 全，多用于科学研究中。下面我们分别 简单介绍电测量和磁测量原理。 1 、电测量 电测量采用标准四引线法( 直流电 阻法) 测量薄膜的电性特征，i - v 曲线等。 o 0 4 c m ii - 1 0 4 5 c j l 东南大学硕士学位论文 标准四引线法示意如图l - 8 ，样品做成5 m i n x 5 n 皿a 4 0 0 n t o 的正方形薄膜，表 面上蒸镀四个银电极以降低接触电阻。两电压极间距离为0 4 m m ，电流流向平行 于膜的宽面。 在电传输法测量临界电流的过程中，临界电流往往很大，大的临界电流可能 使样品和引线的连接点处的欧姆( 焦耳) 热效应很明显，造成样品的温度升高，从 而影响临界电流的测量甚至烧坏样品。这是电输运方法的缺点之一。为了克服这 个问题，我们采用脉冲法进行电传输测量。脉冲法的主要优势是电流扫描速度 a l d t 非常快，测量的时间很短。在脉冲法测量的过程中，电流从零升至临界电 流大小的时间可以只有毫秒量级，而直流法中电流升到同样的大小所需要的时间 需以分钟计算。脉冲法如此短的测量时间有效地避免了焊点发热的问题。 2 、磁测量 磁测量使用的大部分仪器，都是根据在探测线圈中的磁通变化要产生电势 ( 电磁感应定律) 原理，测量其电压，来确定磁化强度。 从磁化强度与温度、磁场、时间等参数的关系，超导体的许多宏观特性和微 观特性都可以得到确定。例如在固定磁场下，测量不同温度的磁化强度就能确定 临界温度t 。；在固定温度下，测量不同磁场下的磁化强度，就能确定临界场也。、 也z 和磁滞回线；从磁滞回线，可以计算临界电流j c 的大小；通过在不同磁场下， 测量有场冷却和零场冷却的磁化强度随温度变化，从它们的差别，也可以确定不 可逆场h 。，的大小；在固定的温度和磁场下，在不同时间进行测量，还能确定磁 化强度的驰豫；从磁化强度的驰豫，可以计算钉扎势等。 磁测量中，要注意以下几点 ( 1 ) 要注意磁强计中的剩余场； ( 2 ) 要注意样品的质量、长度和固定位置： ( 3 ) 要注意磁强计中磁场的不均匀性； ( 4 ) 要注意磁场的完全穿透和磁通分布梯度的单向性； ( 5 ) 要注意高温超导体的各向异性和复杂的退磁场的影响； ( 6 ) 注意不可逆磁化强度的误差； ( 7 ) 测量磁滞回线时要指出升场速度和磁场的不均匀性； ( 8 ) 测量超导转变时要用低场。 第一章绪论 1 6 本论文的工作 本论文采用标准四引线法和超导量子干涉仪( s q u i d ) 对用脉冲激光沉积 ( p l d ) 法制备的m g b 2 c 一轴织构取向薄膜样品进行了电传输测量、直流磁测量和 磁驰豫测量，研究了m g b ：超导薄膜样品的钉扎势( 热激活能) 、临界电流及磁通 钉扎等性质。电传输测量包括测量电阻率随温度变化的p 口) 曲线，以及电流一 电压( i - v ) 特性曲线。在下面的第二、第三章，我们将分别讨论由这两种曲线 所得到的m g b 2 薄膜样品超导特性的相关信息。磁测量包括不同磁场、温度下直 流磁滞回线m - h 的测量，以及磁驰豫的测量。我们将在第四章和第五章中进行 详细讨论。 东南大学硕士学位论文 参考文献 【1 】n a g a m a t s uj ，n a k a g a w an ，m u r a n a k at ，z e n i t a n iy j ，a k i m i t s uj ， n a t u r e 4 1 0 ( 2 0 0 1 ) 6 3 【2 】h a d d o nr c ，h e b a r da f ，r o s s e i n s k ym j ，e ta 1 ，c o n d u c t i n gf i l m so fc 6 0a n d c 7 0b y a l k a l i m e t a ld o p i n g n a t u r e 1 9 9 1 ( 3 5 0 ) ：3 2 0 - 3 2 2 【3 】b u d q ( osl ，l a p e r t o tg ，p e t r o v i cc ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 8 6 ( 2 0 0 1 ) 1 8 7 7 【4 】l o r e n zb ，m e n gl ，c h ucw ，c o n d m a f f l 0 2 2 6 4 【5 】l i u a y , m a z i nii ，k o r t e sj ，p h y s 【6 】 i a v a r o n em ， k a r a p e t r o v j p h y s r e v l e t t 8 9 ( 2 0 0 1 ) 1 8 7 0 0 2 1 r e v l e t t 8 7 ( 2 0 0 1 。砌8 7 0 0 5 ，k o s h e l e vae ， e t a 1 ， 【7 】g i u b i l e of ，r o d i t c h e vw ，s a c k sw ，e ta 1 ，p h y s 。r e v l e t t 8 7 ( 2 0 0 1 ) 1 7 7 0 0 8 【8 】b o u q u e t f ，p h i l i p s n e ，h i n k s d g ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 8 7 ( 2 0 0 1 ) 4 7 0 0 1 9 】w a n gy x ，p l a e k o w s k it ，j u n o dt a ，p h y s i c ac 3 5 5 ( 2 0 0 1 ) 1 7 9 【1 0 】s z a b op ，s a m u e l yp ，k a c m a r e i kj ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 8 7 ( 2 0 0 1 ) 1 3 7 0 0 5 【1 1 】s c h m i d th ，z a s a d z i n s k ijf ，h i n k sdg ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 8 8 ( 2 0 0 1 ) 1 2 7 0 0 2 1 2 】c h e r txk ，k o n s t a n t i o n v i emj ，i r w i njc ，p l l y s r e v l e t t 8 7 ( 2 0 0 1 ) 1 5 7 0 0 2 【1 3 】t a k a h a s h i t ，s a t o t ，s o u m a s ，e t a l ，p h y s r e v l e t t 8 6 ( 2 0 0 i ) 4 9 1 5 【1 4 】t s u d as ，y o k o y at ，k i s st ，e ta 1 ，p l a y s r e v l e f t 8 7 ( 2 0 0 1 ) 1 7 7 0 0 6 【1 5 k o t e g a w ah ，i s h i d ak ，k i t a o k a y ，e ta 1 ，p h y s r e v l e t t 8 7 ( 2 0 0 1 ) 1 2 7 0 0 1 【1 6 】s o l o g u b e n k o a v ，j u n j ，k a z a k o vsm ，e ta 1 ，p h y s r e v b6 6 ( 2 0 0 2 ) 0 1 4 5 0 4 【1 7 】c u b i nr ，l e v e rs ，p h y s r e v l e t t 9 0 ( 2 0 0 3 ) 1 5 7 0 0 2 - 1 【1 8 】b u z e ac ，y a m a s h i t at ，s u p e r c o n d s e i t e c h n 0 1 1 4 ( 2 0 0 1 ) r 1 1 5 【1 9 】j o n e sm ，m a r s hr ，a i r i e rj c h e m s n e 7 6 ( 1 9 5 4 ) 2 4 3 4 【2 0 】s i m o n f ，j a n o s s y a ，f e h e r t ，e t a l ，p h y s r e v l e t t 8 7 ( 2 0 0 1 ) 0 4 7 0 0 2 【2 1 1j u n g m h ，j a i m e m ，l a c e r d a a h e t a l ，c h e m p h y s l e t t 3 4 3 ( 2 0 0 1 ) 蛳4 5 1 2 2 】n a g a m a t s u j ，n a k a g a w a n ，m u r a n a k a t ，e t a l ，n a t u r e 4 1 0 ( 2 0 0 1 ) 6 3 1 0 第二章m g b 2 薄膜p - 3 曲线研究其各向异性及钉扎势 第二章m g b 2 薄膜样品p - t 曲线研究其各向异性及钉扎势 2 1 引言 2 1 1 混合态的磁通 m g b 2 是一种典型非理想第二类超导体，第二类超导体在一定温度下，外场h 处于下临界场h c l ( t ) 和上临界场h c 2 ( t ) 之间时，超导体进入混合态。处于 混合态的样品不再是完全排斥磁通的，磁通以量子化的形式进入超导体，每个磁 通量子形成“磁通线”或“涡旋线”，磁通线由一系列半径为相干长度( t ) 的 正常芯子和围绕在各正常芯子周围的一系列环行涡旋电流( 分布于半径为穿透深 度 的范围内) 组成。对于理想的第二类超导体，磁通线排列成规则的点阵，即 a b r i k o s o v 点阵，而且磁通可以自由移动，磁通移动将导致损耗，因此，理想第 二类超导体临界电流很小。而对于非理想的第二类超导体，磁通线和晶格缺陷间 存在相互作用，即钉扎效应，钉扎力阻止磁通线运动，因而非理想第二类超导体 能承载大的无阻电流( 由临界电流以表征) 。 2 1 2 磁通蠕动 临界电流主要由样品的钉扎力f ；性质以及磁通运动决定。在非理想类超导 体的混合态，当温度t = 0 k 时，磁通线被诸如缺陷、杂质等钉扎住，当外加电流 或磁场施加的驱动力( l o r e n t z 力) 小于钉扎力时，磁通线被钉扎住不能运动，耗 散就不发生。一旦l o r e n t z 力大于钉扎力，磁通开始流动，样品出现相应的耗散。 当l o r e n t z 力与钉扎力e 相等时，称之为临界态。临界态时：f p = e l = j ，b 。 但在一定的温度下( t 0 ) ，即使驱动力( l o r e n t z 力) 小于钉扎力时，热激活 将帮助洛仑兹力克服钉扎力，使得严格的临界态遭到破坏，出现磁通线越过钉扎 中心势垒而蠕动( f l u xc r e e p ) 。蠕动产生的热耗散将导致超导体无阻传输电流 能力( 电阻增加) 减弱，因此研究m g b ：这一新型超导材料的有效钉扎势对理解磁 通运动机理、改善电流传输能力都非常有意义。 东南大学硕士学位论文 磁通蠕动的物理图像考虑如下图2 1 所示。 黼糯 一i r o l q 蹦 p ) 驱动力盎窿为f 9 ( ，) 时碓越康均有蕴钉 谤 图2 - i 磁通蠕动模型 图2 - i ( a ) 表示磁通线被第二相正常粒子钉扎成磁通束。被钉扎的磁通束体 积为v c ；( b ) 表示驱动力吒= j x b 为零时，垂直于磁通束截面内磁通束的磁通钉 扎势垒高度u o ，钉扎中心的平均间距为x 。图( c ) 表示驱动力密度吒( = 四) 小 于钉扎力密度时，磁通束被钉扎的磁通势垒高度u 。在t = o k 时，由( c ) 可见磁 通束不能越过势垒发生运动，但在有限温度t ( 以时，磁通进入粘滞流动( f f ) 区域。 ( 4 ) 当温度逐渐接近临界温度，超导态库伯对电子拆开，进入超导到正常的转 变区，最后进入完全正常态。 东南大学硕士学位论文 2 2 实验内容介绍 我们测量了不同磁场下的电阻率随温度变化的曲线p ( t ) ；磁场方向分别取 平行于c 轴方向( 以下用符号h i i c 代替) 和平行于膜面a b 方向( 以下用符号 h 动代替) 。 p ( t ) 的测量采用标准四引线法。测量电流为交变电流，固定其大小为 0 0 5 0 7 4 m a ，频率为3 0 h z 。外场取值风日= 0 t 、1 t 、2 t 、3 t 、4 t 、5 t 、6 1 、7 t 。 如图2 2 ( a ) 给出了外场平行于c 轴方向的p ( t ) 曲线，温度变化范围在1 0 k - 4 0 k 之间。 ，一、 e q c ： 、- 一 q t ( k ) 图2 - 2 ( a ) 不同磁场下的p ( t ) 曲线 实际上电阻随温度变化的p ( t ) 曲线包含的信息非常广泛，从p ( t ) 曲线可以 确定超导体的上临界场、不可逆场等信息。同时，还可以根据电阻展宽( 尤其是 低电阻部分一图2 2 ( a ) 中虚线框区域) 得到超导体混合态磁通运动状态变化等 方面的信息。 如图2 - 2 ( b ) 是将2 - 2 ( a ) 图电阻用对数坐标表示，这样就使得低电阻区 域得以放大。对于我们测量的p ( t ) 曲线，由于测量时的传输电流j 是固定的， 第二章m g b 2 薄膜p - t 曲线研究其备向异性及钉扎势 同一外场下电阻随温度的展宽，实际上也反映了混合态磁通由磁通蠕动到磁通流 动，最后进入超导正常转变以及完全正常态时各种状态下的变化。 根据上一节的讨论，将2 2 ( b ) 中p ( t ) 曲线做如下的划分，由图可知，在 较低温区，电阻率小于1 0 1qc m 区域，磁通被钉扎，几乎不产生损耗。接近于临 界温度( 电阻率1 0 5 q c m 以上) 区域，电阻变化最为剧烈，我们推知为库伯电子 对开始拆散的超导到正常的转变区域，导致电阻的急剧增加。那么在这两个区域 之间的温区内，( 电阻在1 0 t 1 0 6 0 c m 之间) 磁通运动表现为由磁通蠕动逐渐过 度到磁通流动。 ，- 、 e q g q 1 0 1 0 - 5 1 0 莓 1 0 1 0 。8 051 01 52 02 53 03 54 04 5 t ( k ) 图2 - 2 ( b ) 不同磁场下的p ( r ) 曲线 2 3 由p ( t ) 曲线研究m g b 2 的临界场 有关m g b 2 的上临界场以及它和温度的关系已有很多报道。但是测量的结果 非常分散，不同样品的上临界场均不相同。例如，测量到的以：在t 曲k 时分 布在2 5 t 到4 0 t 如此宽的范围内。就算是相同形状的多晶样品，彼此间的上临 界场之间也可相差7 t 左右【l 】。同时，不同样品的上临界场与温度的关系也各不 相同；迄今为止，所制备的薄膜样品中的上临界场地皿：盯卸k ) 最高能高达4 0 t ， 东南大学硕士学位论文 但这个样品的转变温度较低，约为3 0 k 左右 2 1 。在正常3 9 k 发生超导转变的薄 膜的心日。2 口= o k ) 最高能达3 2 t 唧。 2 3 1 上临界场的确定方法 电测量中，超导体的临界温度通常定义为p ( r 1 曲线中电阻减小为正常态下的 9 0 ( 即p = 9 0 见，有些情况下也选用选判据p = 5 0 p ) 所对应的温度，那 么此时所加的外场即为该温度下的上临界场h c ：( t ) 。 图2 - 3 ( a ) 和2 - 3 c o ) 分别给出了h c 采j h f l a b 方向两种情况下m g b 2 薄膜样品 的约化p 曲线。从图2 - 3 ( a ) 和2 - 3 ( b ) ，再结合上面介绍的确定上临界场的方法 ( 即p = 9 0 n ) ，可以得到日，c 和，曲两种外场方向下的上临界场日二口) 、 日差口) 。如图2 - 4 所示。 图2 3 h c ( a ) 和h l a b ( b ) 的p ( r ) p ( 4 0 k ) - t 曲线 2 3 2 上临界场各向异性讨论 m g b 2 超导体上临界场的重要特征之一就是它具有各向异性，它源于m g b 2 的层状晶体结构。目前对于m g b 2 上临界场各向异性因子以丁) = 日。a ：b ，n 。c ：仍没有 一个统一的结果，其值在位于1 1 1 3 之间的一个很宽的区域内变化 4 - 引。y 的不 确定性在很大程度上和测量方法的选择、确定上临界场的判据的不同及样品的种 类和质量有关。对于织构化块状m g b 2 超导体样品，其各向异性比约为1 i 1 7 【9 】。 对于c 轴织构化的薄膜样品，y 约为1 2 2 o 【2 。单晶样品的各向异性最显著， y 的大小在5 - - 9 之间1 n 1 ”。 单从样品的选择来考虑，单晶样品和取向薄膜最适合用于上临界场的各向异 性的研究，但由于高质量的单晶很难获得，因此利用取向薄膜研究了m g b 2 上i 临 界场各向异性具有合理性。 从图2 - 3 ( a ) 和2 - 3 ( b ) m g b 2 薄膜样品的p 口) 曲线可以看出，随着磁场的增大， p ( ，r ) 曲线开始展宽。在h h c 情况下，这种展宽比h h o h 方向展宽愈加明显，表 明m g b 2 上临界场具有各向异性。上临界场的各向异性也表明了薄膜样品是c 一 轴织构取向，与x 射线衍射实验结果相符。 m g b 2 上临界场各向异性参数“r ) = 日以a b ，n f 2 e ，如图2 - 4 中插图所示，在温 度2 5 k 到3 4 k 约为2 2 5 。与文献报道过的m g b 2 单晶样品各向异性参数2 6 相 卦1 2 l 。由简单的多项式拟合，外推日，。r 曲线，得到o k 温度下日a b 时的上 临界场日羞( o ) 约为3 8 t ，hi i c 时的上临界场日二( o ) 约为1 5 t 。 根据各向异性的京茨堡一朗道( g i n z b u r g i a n d a u ) 理论导出的公式 地见2 f ( 0 ) = 九，2 瑶( 0 ) 鳓日。广( o ) = ，2 ，嗜。( o ) 岳( 0 ) 从测定的上临界场地h e 2 c ( 0 ) 和风日碧( o ) 的值，可以求得乞( o ) 和玺( 0 ) ，其 中九为磁通量子，它的值弼= h 2 e = 2 0 7 x i 0 4 5 肋。代入妒b ，得到 乞( o ) = 4 6 8 n m ，玺( 0 ) = 2 9 4 n m i - - - 工 士 图2 4 上临界场与温度关系曲线( h 。：一t ) 插图为上临界场各向异性参数y 东南大学硕士学位论文 2 3 3 上临界场与温度关系 从图2 4 薄膜样品的上临界场与温度关系曲线以：( r ) 可知，在温度t 从2 0 k 到3 0 k 的范围内，近似为线性，可表示为皿：( r ) o c ( i - 纠瓦) ，这在早期m 9 8 2 上临界场与温度关系曲线中已经得到相同的结论。 值得注意的是从图2 _ 4 中我们还可以看出见：( t ) 曲线在t t c 的区域具有凹 向上的奇异性。其他小组在研究u g b 2 上临界场各向异性时也发现了同样的现象 1 3 - 1 5 。在此之前，研究人员还在金属碳硼化合物超导体如y - n i b c ，l u n i b c t 同， 高温铜氧化合物超导体y - b a - c u - o 。t i b a - c a - c u o ，b i s i c a - c u - o 1 7 - 1 9 及a 1 5 超 导体n b 3 s n 和v 3 s i 2 0 h c 2 ( t ) 曲线中也观察到类似的“上翘”现象。对于氧化 物高温超导体来说，按平均场g l 理论，在t t c 的区域，这种“上翘”的奇异 性总是存在的口”。还有一种理论认为，这种奇异性来源于氧化物超导体的s 波 电子和d 波电子配对 2 2 1 。另外，从磁通蠕动的观点来看，这种奇异性来源与温 度有关的热激活磁通运动。而对于m g