（电工理论与新技术专业论文）高临界电流密度的mgb2块材的掺杂研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 扫描电子显微镜对样品进行了显微结构分析；用物理性能综合测试系统振动样 品磁强计测量了所有样品在不同磁场下的直流磁化强度随温度的变化曲线，并 测量了不同温度下的准静态磁化曲线，通过b e a n 临界态模型分析出临界电流随 磁场和温度的变化。实验结果表明，随着掺杂量的增大m g e h 超导体临界温度 基本不变，超导转变宽度略为增大；相比于未掺杂样品，掺杂量为3w t 样品 抗磁信号和临界电流密度有较大提高。显微结构分析结果表明，部分 b i 2 s r 2 c a c u 2 0 8 分解为c u 2 0 和其它杂相，有部分b i 2 s r 2 c a c u 2 0 b 颗粒保留在样品 内部，成为有效的钉扎中心。同吸引性钉扎中心相比，排斥性钉扎中心钉扎效 率相对较低。 论文第五章探讨了碳和钛同时掺杂提高m g b 2 超导性能的合作性，采用固 相反应法制备出了c 掺杂、t i 掺杂和c f r i 同掺的m 邸2 的块材。利用x 射线衍 射、扫描电子显微镜、s q u i d 磁强计系统分析了晶体结构、显微结构、临界电 流密度、上临界磁场、不可逆场和临界电流密度的变化。结果显示：d 啊共掺 能在整个磁场范围内提高m g b 2 块材的五，d 面共掺样品的五、风。和鼠2 都超 过了未掺杂、砸掺杂、c 掺杂样品，x r d 衍射分析表明，c n 共掺样品并无 面c 相的衍射峰，而且面的掺入并不影响c 对b 原子的替代量，扫描电子显微 镜分析表明，c f r i 共掺样品为晶粒尺度为2 0 0 - 3 0 0 衄球形晶粒组成的纳米结构 超导体，掺入m g ( a 1 x c i ) 2 中引起的m g b 2 晶粒减小、晶界面积增加和晶粒连 接性改善，是 提高的主要原因。因此，碳元素提高m g b 2 的上临界磁场和钛 元素掺杂细化晶粒提供大量的晶界作为钉扎中心这两种掺杂机制是相互合作 的，是提高m g b 2 超导体临界电流特性颇为可行的方法。 关键词：m g b 2 超导体；磁通钉扎；临界电流密度；排斥性钉扎；化学掺杂 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 a b s t r a c t t h e n e w l y d i s c o v e r e d h i g l i t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o rm g b 2 h a sa t t r a c t e d c o n s i d e r a b l ei n t e r e s tf r o mt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lp o i n t so fv i e ws i n c em g b 2 h a sa c h i e v e dar e c o r dh i g hs u p e r c o n d u c t i n gt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e 瓦i nt h e c o n v e n t i o n a li n t e r m e t a l l i cs u p e r c o n d u c t o r s a no v e r v i e wo ft h er e s e a r c ho nm g b 2 s u p e r c o n d u c t o rd u r i n gt h el a s tf i v ey e a r si sp r o v i d e di nc h a p t e r1 t h ed i s c u s s i o n l e a d st oac o n e l u s i o nt h a tt h o u g hg l f e a te n h a n c e m e n to ft h eu p p e rc r i t i c a l 矗e l dh a s b e e na c h i e v e di nm g b 2 ，s u r p a s s i n gt h ep r o p e r t i e so fn b t i ，t h ea p p l i c a t i o n so fm g b 2 a r eh a m p e r e db yt h ed e g r a d a t i o no f i nh i g hm a g n e t i cf i e l d s ，w h i c hi sm a i n l y a t t r i b u t e dt ot h el a c ko ff l u xp i n n i n gc e n t e r si ns u p e r c o n d u c t o r s af i n ea n d w e l l b o n d e d p a r t i c l e s t r u c t u r eo fs u p e r c o n d u c t i n gp h a s ew i t hi n t r o d u c e d 丘n e n a n o s i z es e c o n d p h a s ep a r t i e l e si sp u r s u e dt oo r d e rt oi m p r o v et h ef i n xp i n n i n g p r o p e r t i e so fm g b 2 t h ew o r ki nt h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so nt h ei n f l u e n c eo fc h e m i c a l d o p i n go nt h es u p e r c o n d u c t i n ga n dn o r m a lp r o p e 嘶e so fm 如s u p e r c o n d u c t o r w i t h a ne m p h a s i so ni t sf l u xp i n n i n gb e h a v i o r i nc h a p t e r2 ，w eh a v es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e dt h ei m p o r t a n tp r o g r e s ss i n c et h e d i s c o v e r yo fm g b 2 w ef i r s ti l l u s t r a t et h eb a s i cn o r m a la m ds u p e r c o n d u c t i n g p r o p e r t i e so fm g b 2 f l u xp i n n i n gp r o p e r t i e so fm g s 2a n dm e t h o d sf 0i m p r o v et h e p r o p e r t i e so fm g b 2 h a v eb e e nd i s c u s s e d i ti sf o u n dt h a th i g hs u p e r c o n d u c t i n gp h a s e c o n t e n t ，f i n ep a r t i c l es t r u c t u r eo fm g b 2g r a i n s ，h i g hd e n s i t ya n dg o o dg r a i n c o n n e c t i v i t y , f e wm i c r o c r a c ka n ds e c o n dp h a s ec o n t e n ta r eh e l p f u lt oi n c r e a s eo f c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t yo fm g b 2 t h eu p p e rc r i t i c a lf i e l da n di t sa n i s o t r o p ya r et h e m o s ti m p o r t a n ta n dd e t e r m i n i n gp a r a m e t e r sf o rt h ef i e l do fz e r or e s i s t i v i t yi n p o l y c r y s t a u i n e - m g b 2 ，i nc o n t r a s tt oh 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 ，w h e r et h e h - r e v e r s i b i l i t y f i e l di sr e l a t e dt o t h e p i n n i n gp r o p e r t i e s t h e t w o g a p s u p e r c o n d u c t i v i t yi nm g b 2p r o v i d e st h ed i s t i n c t i v ef l e x i b i l i t yt oi n c r e a s et h eu p p e r c r i t i c a lf i e l d 风2t oam u c hg r e a t e re x t e n tt h a ni no n - g a ps u p e r c o n d u c t o r s t h i sm a y b ea c h i e v e dn o to n l yb yt h eu s u a ld e c r e a s eo fe l e c t r o n i cm e a nf r e ep a t h ，a si nl o w 一是 s u p e r c o n d u c t o r s ，b u t a l s o b yo p t i m i z i n g t h er e l a t i v ew e i 曲to ft h e 口a n d2 1 s c a t t e r i n gr a t e st h r o u g he i t h e rb s i t es u b s t i t u t i o n ，w h i c hm o s t l ya f f e c tt h ei n p l a n e 口s c a t t e r i n g ，o rm g 。s i t es u b s t i t u t i o n ，w h i c hm o s t l yi n c r e a s et h eo u t o f - p l a n ef s c a t t e r i n g b u l ks a m p l e so fm g b 2w e r ep r e p a r e dw i t h0 ，3 ，5 ，a n d1 0w t b i 2 s r 2 c a c u 2 0 8 ( b i 一2 2 1 2 ) p a r t i c l e s ，a d d e du s i n g as i m p l es o l i d s t a t er e a c t i o nr o u t ei no r d e rt o 西南交通大学硕士研究生学位论文第vi 页 i n v e s t i g a t e t h ee f f e c to fi n c l u s i o n so fam a t e r i a lw i t hh i 曲e r 疋t h a nt h e s u p e r c o n d u c t i n gm a t r i x n ed e n s i t y , d i a m a g n e t i cs i g n a l ，a n dc r i t i c a lc u r r e n td e n s i t y , j c ，o ft h es a m p l e sc h a n g es i g n i f i c a n t l yw i t ht h ed o p i n gl e v e l i ti sf o u n dt h a tj ci s s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e db v 也eb i 一2 2 1 2a d d i t i o n m i c r o s t r u c t u r a la n a l y s i si n d i c a t e s t h a tas m a l la m o u n to fb i - 2 2 1 2i sd e c o m p o s e di n t oc u 2 0a n do t h e ri m p u r i t yp h a s e s w h i l eas i g n i f i c a n ta m o u n to fu n r e a c t e db i 2 2 1 2p a r d c l e sh a sb e e np r e v a i l e di n m g b z m a t r i xa n da c ta se f f e c t i v ep i n n i n gc e n t e r sf o rv o r t i c e s 1 1 1 ee n h a n c e dp i n n i n g f o r c ei sm a i n l ya t t r i b u t a b l et ot h e s eh i g h l yd i s p e r s e di n c l u s i o n si n s e r t e di nt h em g b 2 g r a i n s d e s p i t eo ft h e e f f e c t i v e n e s so ft h el f i 曲瓦i n c l u s i o n si n i n c r e a s i n g s u p e r c o n d u c t i n gc r i t i c a lc u r r e n t si no r re x p e r i m e n t , 0 1 1 1 r e s u l t ss e e mt od e m o n s t r a t e t h es u p e r i o r i t yo fa t t r a c t i v ec e n t e r so v e rr e p u l s i v eo n e s ap i n n i n gm e c h a n i s mi s p r o p o s e dt oa c c o u n tf o rt h ec o n t r i b u t i o no ft h i st y p eo fp i n n i n gc e n t e r si nm g b 2 s u p e r c o n d u c t o r s s e v e r a lb u l k so fm g b 2d o p e dw i t ht io r a n dcw e r ep r e p a r e db ya r ti n - s i t ur e a c t i o n m e t h o dt od e t e r m i n et h ec o m b i n e de f f e c to fc a r b o na n dt id o p i n ga n dp r o b et h e d e t a i l e dm e c h a n i s m t h e m a g n e t i z a t i o n m e a s u r e m e n t s h o w e d t h a t m 甑9 5 砜0 5 b x ，9 5 c o 0 5s a m p l er e v e a li m p r o v e df l u xp i n n i n gt h a nm g b i 9 5 c o 0 5s a m p l e a th 爹 ，ij 、 弋 ，j l。 ， 弋融 ， ：， 图2 - 2 2a m g b ：的费米面b m g b z 的能带结构 ag u r e v i c he ta l t 2 8 。7 5 j 认为，m g b 2 的双能隙结构不仅从物理上了解和研究 新型的双能隙超导体提供了范本和参照对象，而且为提高m g b 2 实用性能提供 了重要的契机。m g b 2 的费米面结构给出了三个散射通道：a 面内散射、z 面内 散射以及a 与z 的面间散射，因此，不同于低温超导体仅可以通过增强正常态电 阻率的方法来增强m g b 2 的上临界磁场，在m g b 2 中可以通过调整这三种散射的 相对强度，从而获得比式( 2 4 ) ( 对应于单能隙超导体) 更高的上临界场。所以，采 用对m g 或b 位进行合金化，探究合金化后m 邸2 的晶体结构、电子结构、正 常态性质和。面内散射、z 面内散射以及a 与”的面间散射强度的变化以及超导 态性质变化的关系，是用于增强上临界场的新方式。有关两个能隙是如何形成 的以及它如何影响超导电性是目前有关m 邸2 超导体研究的热点 “。对m g 位 或b 位的元素替代能引入不同的结构缺陷，而不同的化学扰动对于a 带、, - g - 带 及它们的带间散射的影响不同，以及散射强度变化对于m 邸2 上临界磁场和各 向异性随温度和磁场的变化关系的影响，到目前为止并无定论，这一课题是目 前研究的热州7 ”9 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 2 4 3 高上临界磁场的m g b 2 的超导体的实验研究 合金化是n _ b 铘合金和a 1 5 化合物超导体中增强鼠2 的常用方式。在 m g b 2 中，在超导薄膜【翻，块材 6 3 1 ，和对多晶材料进行质子辐射【5 0 】，中子辐射 7 3 1 的实验表明，合金化仍能对增强m g b 2 上临界场仍有一定的作用。w i l k e e ta i 7 4 1 的工作表明，c 掺杂能够大大加强m g b 2 的i 临界磁场强度，5 的b 被c 取代 后，m g b 2 的不可逆场从1 6t 跃升到3 6t ：同时临界温度仅降低了41 0 一为3 5k 。 不可逆场凰。同温度的关系已经超过了n b 3 s n 的性能。s 。p a t n a i ke ta 1 1 7 2 在薄膜 的各向异性的研究中发现，当c 轴织构薄膜的p 。从1 ，砬啪增大到2 2 0 ，如跏， 日：( t ) 随之增大，且碰：。和z 。分别增大到lt k 和1 8t k ，与此同时，疋下降 到3 0k 。采用式( 2 4 ) 外推得出，盹日：( 4 2 目增加到1 9 5t ，心础：( o ) 增加到3 9 0t 。 事实上，后来的四引线法测量表明【硎，实际的珐( o ) 值为3 4t ，盹卅：( o ) 为4 9 t ，这说明式( 2 4 ) 过小的估计了m g b 2 的上临界磁场能够达到的值，这也是 g u r e v i c h 双能隙理论的基本判断。在文献r 7 5 】中，同时测量的还有在c o 0 0 1 ) 取向 的a 1 2 0 3 单晶上生长，c 轴取向，双轴织构的、低正常态电阻( p = 7 廊c m ) 的薄 膜，实验表明其上临界磁场凡碟( o ) 超过2 0 t ，# 似( 0 ) 超过3 0 t 而与此相反， 式( 2 4 ) 严重低估了m g b 2 的上临界磁场。v b r a c c i n ie ta l 【2 7 】实验研究了威斯康星 大学超导中心、宾夕法尼亚州立大学，亚利桑那州立大学的研究小组制备的薄 膜的上临界磁场，结果发现了迄今为止最高的m g b 2 的上临界磁场，盹目去( 4 2 k ) 为3 5 t ，硒爿羔( 4 2 叼为5 1t 。更高的上临界磁场的样品有待进一步的研究。 在块材中也有几个增加上临界磁场的典型工作，b r a c c i n ie ta l l s o 将制备好的 m g b 2 块材在m g 蒸汽中退火，发现其由“净”超导体变“脏”，p ( a o h 3 上升到 1 8 田c 小，z ，( c ) 增大到1 2 t k ，接近于e o m 的2 2 0 脾c m 高电阻率的的薄膜。 s e n k o w i c ze ta l 采用机械合金化工艺制备了掺碳的m g b 2 块材，结果发现上临界 磁场超过3 2t 。s i c 掺杂和z r b 2 掺杂的线带材也有高上临界磁场的报道 8 1 - 8 引。 2 5本章小结 本章系统地分析和评述了m g b 2 五年来的研究状况和重要进展。对m g b 2 的基本性质、块材和线带材制备工艺进行了综述，详细讨论了影响m g b 2 超导 体五性能的各种参数，包括粉末原料的颗粒度及分布、热处理条件、反应机制 以及镁和硼的化学计量比。认识到要获得高l 的m g b z 超导材料，必须满足： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 超导相体积分数大、晶粒小且致密性好、微裂纹和孔洞尽量少、各种杂相少且 分布均匀，工艺研究表明镁向硼缓慢扩散能够形成高度致密的m 窘b 2 超导材料。 论文其后对于m g b 2 的磁通钉扎性质和提高磁通钉扎工艺作了分析，认识到 m g b 2 的磁通钉扎结构以及混合态下的电磁行为能够采用g l a g 理论描述，部 分m g b 2 中的缺陷能够自动消除，进一步认识到细化晶粒和纳米性钉扎中心对 于提高m 9 8 2 钉扎能力的重要性，本章最后关注了上临界磁场及其各向异性的 研究，对m g b 2 临界电流密度的渝渗模型进行了分析和讨论，结果表明，在高 温超导体中工程应用范围决定于与磁通钉扎相关的不可逆磁场，与此相反，上 临界磁场及其各向异性可能是影响m g 零2 临界电流特性更为重要的因素；对于 m e b ：的双能隙结构对上临界磁场的影响的分析表明，除了可以应用传统超导体 通过增加杂质散射以缩短电子的平均自由程从而提高妇乏的方式，调整m g b 2 超导体中独特的a 面内散射、”面内散射以及a 与z 的面间散射，成为提高m g b 2 的实用超导性能新方式。 从目前的研究结果看，m g b 2 最有可能在液氢温度以上，中等磁场的环境下 首先实现应用。例如超导磁分离装置、旋转电机、变压器、电流引线等项目。 一旦可以替代昂贵的液氦系统，将为其带来巨大的市场份额。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 第3 章实验及其物理思想 本文样品制备通常采用固相反应法，结构和物性测量包括x 射线衍射，电 子衍射，以及电阻率、磁化率、磁化曲线以及超导临界参量等。本章介绍了这 些基本实验方法，且对实验测量的物理思想也进行了若干说明。 3 1固相反应法 本文样品都是采用固相反应法制备的块状多晶样品。样品均采用纯度为 9 9 9 的镁粉，以及纯度为9 9 9 9 的无定形硼粉，镁粉粒度为3 0 0 纳米，硼粉 粒度为微米量级。 初始粉末均按摩尔比n ( m 曲：n ( b ) = 1 ：2 的比例混合，混合粉末 在手套箱中充分研磨( 大约需1 小时) ，研磨后粉末由压片机压成直径为1 厘米的 小圆柱快，压力一般为1 01 v i p s ，保压时间约为5 分钟。所得的圆柱形样品封入 铁盒中，封装好的样品放进管式炉中，烧结的温度一般在6 0 ( 0 1 0 0 0 ，时间为 1 0 分钟到6 0 小时不等，具体实验温度和时间取决于实验的物理设计。由于镁的 熔点为6 5 0 左右，极容易在空气中挥发和氧化，因此在制备工程中防止m g 的氧化是得到高纯度、性能优良的m g b 2 超导体的关键。材料制各工程中的保 护气氛通常采用氨气或氩气和氢气的混合气体。另外，为补充研磨、压片和烧 结过程中镁的损失，在铁盒内置入少量的镁粉。 b cr t m t e 1 图3 - ! m g b 2 的理论相图畔】 6_)釜琶毪iu0 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 图3 1 给出了m g b 2 的一个大气压下的温度成分理论相图，由相图可见， 在m g - b 系统中，存在三种化合物( m g b 2 ，m g b 4 和m g b 7 ) ，同时存在镁的固、 液、气三态以及固态硼，在低于1 8 1 0 ，摩尔比m g ：b i ：2 时，在不同的温 区，m g b 2 分别和m g 的固、液和气相并存；高于1 8 1 0 c ，m g b 2 分解为m g b 4 和m g 的蒸汽的混合物；当l ：4 m g ：b 足，样品处于正 常态) 降温到t o ( t o ，样品进入超导态) 再加外磁场h ，由死开始升温逐点 测量样品的磁化强度m 与温度丁的关系。在图3 2 中，零场冷过程由：表示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 随后是场冷( f c ) 过程m 2 ( d ，表示升温到临界温度丁矗时保持外磁场h 不变， 由t o 降温逐点测量样品的磁化强度。由z f c - - f c 过程测量超导转变时，所加 外磁场一般较小，图3 _ 2 所加的磁场为1 0o e 。 图3 - 2 通过磁感应强度随温度的变化测量正和l 的示意图，z f c 表示零场冷，f c 表示 场冷，图中未标注的箭头表温度变化方向 上述测量过程在超导转变温度下所得信号对应有一定的物理含义。f c 过程 在超导转变温度下的信号描述了超导体屏蔽电流和内部冻结磁通的大小。零场 冷下信号代表内部磁通图像。( 功和m ( 乃) 之间的差值一定程度上代表了样品 磁通钉扎的强弱。 3 2 3 上临界场如和不可逆场的测量【8 6 1 在所加外磁场大于样品下临界场皿。的情况下，图3 2 所介绍的场冷一零场 冷方法可用于测定上临界场风2 和不可逆场珏。测量的实验曲线示于图3 3 ， 实验结果表明在上述确定外磁场条件下的热循环过程存在两个温度范围，其一 是零场冷磁化强度帆( 乃与场冷磁场强度m 2 ( 1 9 曲线不重合的范围，在这个温度 范围内磁化强度一温度关系曲线是不可逆的；其二是两者重合温度范围，在这 个温度范围内磁化强度一温度关系曲线是可逆的。由磁矩偏离线性关系时对应 的温度( 疋) 和所加外场( 印得出该温度下的上临界磁场也2 ( d ：称具有可逆性温度 范围的低温下限为不可逆温度，记做耳c 。图3 3 是将插图内接近l ( h ) 温度区 域的曲线放大从而确定l c 啪值。 气暑)皇，暑， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 图3 _ 3 场冷一零场冷方式测量上临界场和不可逆场 在外磁场为零时降温到t o ( t d 后，样品处于迈斯纳态，样品内部平均 磁感应强度为零；再加外磁场h ( 鼠必样品进入混合态，这时进入样品体内的 平均磁感应强度为岛瓴) - 肛+ 州。( r ) ，从死升温过程中测得负磁化强度随温度 升高而减小，由此可见，零场冷过程的磁化强度一温度曲线相应于磁通不断进 入样品的过程。 在丁= t c h 时保持外磁场h 不变，样品体内已有平均磁感应强度 也( 乙) ， 伊，由t c a 降温测得的负磁化强度随温度降低而增大，可见加场后降 温过程的m 2 ( r ) 曲线相应于样品体内已有磁通不断从体内被排出的过程。 因此，可以将t t r ( h ) 温度范围内磁化强度温度关系的不可逆性理解为由 于磁通钉扎作用磁通不易进入体内，体内已有磁通又不易排出，即超导体内具 有磁通屏蔽和磁通俘获性质的不可逆性。 3 2 4 磁通钉扎强度f p 和临界电流密度几的测量 磁通线“进入”超导体或从超导体体内“排出”受到钉扎中心的“阻碍”，导致超 导体体内的磁通线数目落后于外磁场的变化，从而产生了非理想第二类超导体 的磁化曲线的迟滞现象。因此，我们可以得到如下推论，钉扎力越强，钉扎中 心对磁通线“进入”或“排出”的“阻碍”越大，超导体体内的磁通线数落后于外磁场 变化越多，从而磁化曲线的迟滞也越大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 另外，磁化曲线迟滞的大小还依赖于超导体的尺寸。钉扎力一定时，超导 体尺寸越小，磁化曲线的迟滞也越小。因此，当一个非理想第二类超导体的尺 寸逐渐变小时，它的磁化曲线将逐渐趋近理想二类超导体的磁化曲线。 上面的讨论给出了对一个给定的m g b 2 超导体，对它进行不同的加工处理， 定性判断哪一种加工工艺产生的钉扎中心强的方法。理想第二类超导体的临乔 电流密度是由钉扎力f 口决定的。从原则上说，任意给定一种显微结构，即给定 钉扎中心的性质和分布，由理论上便能把钉扎力f d 和临界电流密度计算出来。 但由于数学很复杂，它实际上是行不通的。由上面讨论我们看到，通过测量经 过不同加工的第二类超导体的磁化曲线和显微结构，然后比较它们的迟滞的大 小，直接判断哪一种加工工艺以及相应的显微结构给出的钉扎力，口较强，因而 临界电流密度 较大。 憋8 0 _ 1 ； ( b ) 狮m 。k 爹 2 5 k ，3 0k ，3 5 k 024 6 h ( t ) 图3 - 4 不同温度下的样品的磁滞回线( a ) m g b - z ；c o ) m g o 9 0 t i o 1 0 8 2 r e e e z 0 0 1 02 03 0 405 06 0 洲m 图3 - 5 z r 掺杂m g b 2 不同温度下的磁滞曲线【8 q 2 1 0 一 之 一n量u，nujn。；苫 e善e一王 嘲番|啪蠹|o栅啪嚣|蚴 2 ，1 - j 4 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 下面是一个例子。未掺杂m g b 2 的磁滞回线示于图3 - 3 ( a ) 中，图3 - 3 ( b ) 年i l 图 3 4 给出的分别是掺t i 和掺z r 的m g b 2 样品的磁滞回线，明显，在同一温度下， 掺砸和z r 的m g b 2 样品的磁滞回线大于纯m g b 2 的，因此可以推断，面、z r 掺 杂都有利于m g b 2 磁通钉扎力以及临界电流密度的提高。 借助b e a n 模型，能够很容易的求出磁滞、悔界电流密度和样品尺寸的关系。 设样品为长条形，截面尺寸为a x b ，长度为c ，测试时外场平行于c 轴方向，则临 界电流密度 表达为 l ( h 3 ；2 0 m ( h 1 ) - m 。- ( h , ) i ( 3 - 1 ) 妇( 1 一争 固3 - 6 由磁滞曲线计算临界电流密度的方法图3 7m 0 h 在低温和低场下的磁通跳跃 m g b 2 磁化曲缝测量中有一问题，低温低场下( 如5k , h ? n i f l 锋- 式中f 、五对应于每种钉扎相的数目和钉扎力，五对应于晶界结合对钉扎力的贡 献，进一步的，可以认为，7 j 对磁场具有依赖性，它随着磁场的升高而减小： ，；* 吉 ( 5 - 3 ) 口大于1 。因此，晶界间良好结合随磁场升高对载流性能的贡献逐步下降，在 u e d a 的实验中，虽然2 0 k 、0 t 下临界电流密度几高达0 8 6 x 1 0 6 a c m 2 ，但是 其 随磁场升高下降很快，部分的证明了式( 5 2 ) 和( 5 3 ) 。 关于上临界场风2 的升高对临界电流密度l 随磁场日的下降速率的关系， 可以认为，同n b t i 合金超导体类似，风2 的升高有利于减小丘随h 的依赖性。 关于钉扎机制的分析表明 9 9 ，1 0 1 , 1 0 2 】，晶界钉扎的宏观钉扎力密度近似为 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 5 页 由于如与j f 之间关系为 0 。盹s h ；) 2b ，：( 1 6 ) z9 缸 、： ( 5 4 ) h c l 一矗蹦c ( 5 - 5 ) 因此，可以认为，上临界场的改变对于晶界磁通钉扎并无贡献。则上临界磁场对 于临界电流密度 搿行为的贡献独立于磁通钉扎的贡献。一个很可能的解释是 风2 的增加有利于提高m g b 2 的磁通点阵净力，而磁通点阵净力对临界电流密度 的高场性能贡献较大。据观察表明，磁通点阵类似于晶格点阵，存在有一系列的 点阵缺陷，可以如果磁通点阵中存在有“刃型位错”的缺陷，那么磁通点阵就容易 发生“范性形变”，那么磁通点阵净力就会降低，所以，风2 的增加可能能够减少 磁通点阵中的缺陷，从而降低临界电流密度随磁场升高而降低的速率。 a p p l i e dm a g n e t i c f i e l dh ( ，d 图5 - 2 15 k 、1 0 k 、2 0 k ：j f f l3 0 k q ：m g b 2 。( s i c ) v z ( x = o ，o 0 4 ，o 3 ，o 6 5 ，0 8 ) 的临界电流特性9 1 s i c 掺杂的m g b 2 样品的 ( 均特性( 图5 2 1 ) 和c 掺杂样品类似：由于临界 温度的降低导致低场下临界电流密度变小，高场下的载流特性优于未掺杂样品。 例如，2 0 k 下最佳掺杂的样品在0 3 5 x 1 0 s a c 加a 2 ，j c ( 2 0 k 2 1 ) 5 x 1 0 4 a c m 2 。匾| r ( 2 0 目 4 7 t ，样品性能已达到目前较好的水平。 关于m g b 2 的磁通钉扎的，还没有找到合适的钉扎中心，使其在高场下有 效的钉扎磁通线，在后续的几年中，寻找高场下有效的钉扎中心仍是m g b 2 研 究的一个热点问题。新的元素、化合物会被尝试，新的磁通钉扎机制也有待挖 握，比如纳米钉扎中心和磁通线的相互作用机制。 虽然已能够制备“纯极限”的m g b 2 样品和用合金化将其转变成“脏极限”而 提高，而大大提高上临界磁场，然而上临界磁场提高机制并不清楚。以下的一 些问题值得考虑： ( 1 ) 除了舢和c ，还有什么元素能够进入m g b 2 晶格中且有高的溶解度。 ( 2 ) 微观结构分析的缺失，要理解什么是“纯极限”的m g b 2 以及当散射增强时 微观结构有什么变化，更进一步的纳米结构的分析是非常必要的。 m g b 2 革新了物理学和材料学界对传统电声作用超导体的理解，展现了发现 更多的高临界温度的化合物的可能性：而且，诸如双能隙等新的物理性质推动 m g b 2 的理论和实验研究不断的进步。与高温超导氧化物超导体不同，m g b 2 的 物理图象和定量的理论描述已存在，但是双能隙是如何形成的? 双能隙如何影 响超导体的物理机制和电、磁、热等宏观性质? 两个能隙的温度、磁场下的行 为，以及能隙大小和散射强度随合金化的变化，以及这种变化是如何影响m g b 2 的临界电流密度和上临界磁场的行为的，这需要更多高质量的m g b 2 超导体， 包括块材、线带材和薄膜，进行进一步的测量。 如果m g b 2 4 0 k 的超导电性在1 9 6 0 年就已被发现，今天我们就能够享受基 于m g b 2 超导体的技术如超导磁体、医学核磁共振成像、和弱磁场测量和移动 通讯。1 0 6a c m 2 的临界电路密度在低温和低场下已能够实现，m g b 2 平行于c 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 9 页 轴的上临界磁场已经能够超过1 0 t ，在1 5 2 0 k 和7 t 下的应用是很可能的。然 而，材料制备技术需要得到不断的提高，同i n b 3 s n 比较，m g b 2 同样硬而脆，不 能通过机械加工提高其临界电流密度，但类似于青铜法的连续制备工艺对于 m g b 2 是缺失的，必然是将来发展的方向，m g b 2 涂层超导体也会是近几年一个 重要发展发向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 0 页 致谢 感谢导师赵勇教授，他是一个对研究真正怀有感情的人，感谢赵勇教授让 我了解他是如何发展研究过程而对知识界有所贡献的，从中的得益让我增加了 对科学研究的感受。感谢三年时间内与赵勇教授的无数的交谈，包括诸多次闲 谈，让我了解了诸多同行的科学家的个性，促使了我能够否定权威，独立思考 和独立判断能力的发展。感谢赵勇教授的关于科技论文写作与投稿的技巧与艺 术。赵勇教授是个对学生真正怀有感情的人，感谢他三年来的生活上的帮助。 感谢蒲明华教授，同本人做了大量富有启发性的讨论 感谢学长王晓融，宋宏海，李果感谢他们在我硕士过程中给予的帮助。感 谢李果宋宏海同我进行了大量有启发性的讨论。 感谢王豫教授、朱晓彤教授、张勇副教授的指导和帮助：感谢潘敏老师和 杜晓华老师在答辩过程中的帮助。 感谢材料学院姜崇喜副教授在扫描电镜实验中的帮助，感谢沈茹老师在 x r d 衍射实验中的帮助，感谢羊新胜老师、赵丹、严仲明、杨烨同学对本文磁 测量所作的帮助； 感谢我的我的朋友和我的家人，谢谢他们的支持。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 l 页 参考文献 【1