高压下高温超导体的磁通钉扎和磁通动力学研究

发布时间：2020-08-12 08:31

【摘要】：高的临界电流密度和小的磁弛豫仍然是高温超导实际应用的主要挑战,目前,通过超导的结构非均匀性来提高涡旋钉扎进而改善临界电流密度(Jc)的方法有:化学掺杂、高能离子辐照或注入、非超导二次相的引入等。通过化学掺杂可增加磁通钉扎中心密度进而实现Jc的提高或者诱导超导性能的产生,高能离子辐照同样是引入点状或柱状缺陷等来增加钉扎中心密度。但是,过量的掺杂或者高剂量的辐照也在破坏样品的超导电性,降低超导临界转变温度(Tc),以致失超。相比之下,高压对高温超导体特别是铁基超导体的磁通钉扎效应的研究比较少,我们课题组的前期工作中,发现了高压效应可以增强铁基超导体的Tc和Jc。事实上,压力对于Jc和磁通钉扎的增强还具有很多的优点:1)减小晶格参数并缩小晶胞尺寸,降低各向异性;2)改善晶界的连接性,克服弱连接问题;3)通过增加缺陷引入更多钉扎中心,导致Jc进一步提高。由于二元铁基超导体FeSeo.sTeo.s结构简单,便于人们对铁基超导机理的研究,受到了人们的广泛关注;本论文我们研究了高压下铁基超导11相FeSe0.sTe0.5单晶样品的超导电性、临界电流密度、不可逆场以及磁通钉扎机制等。通过磁弛豫方法我们首次报道了高压下Fe1-xCoSeo.sTeo.s单晶的涡动动态,根据集体蠕动理论和扩展的Maley方法,我们发现磁衰变速率被高压显著抑制。另一方面,超导类晶体或薄膜不利于高温超导体的技术应用,超导的实际应用主要来自金属基带上外延生长的涂层导体,即高温超导带材。目前制备涂层导体技术已比较成熟,并具有高的载流能力,实现了很多领域在场的应用,如磁体,限流器,变压器,电动机,发电机和飞轮等等。但很少有关于涂层导体压力效应的报道。因此,我们针对于高压下Y(Dyo.5)Ba_2Cu_3O_7-δ涂层导体的临界电流密度和磁弛豫做了全面的研究。原位压力方法的重要意义在于针对于铁基超导体和Y(Dyo.5)Ba2Cu307-Tδ涂层导体仍然有非常大的空间进一步显著增强磁通钉扎和临界电流密度。下面具体介绍我们的研究内容和成果:1.研究了磁性 Co 掺杂的 Fe1-xCoxSe0.5Te0.5(x = 0,0.03,0.05)单晶样品的 Jc、上临界磁场(Hc2)、不可逆场(Hirr)、钉扎能(Uo)和钉扎机制,结果显示,当x = 0.03时,Jc和U0分别可以提高至12倍和4倍之多,同时,对Tc、Hc2以及Hirr的影响很小,而且3at.%Co-doped样品的主要钉扎机制是由于缺陷密度的分布导致电子运动的平均自由程在空间的涨落钉扎。根据传输电性以及磁性数据的分析,我们还获得了 3at.%Co-doped样品的磁通相图。2.研究了高压效应对 Fe1-xCoxSe0.5Te0.5(x = 0,0.03)单晶的 Tc、Jc、Hirr、Hc2 以及钉扎机制的影响。结果显示压力可以使Tc从11.5K(P = 0)增大到17K(P= 1.2GPa),还可以大幅度的增加Jc,在高温高场下提高至少一百倍之多。根据集体钉扎理论,Fe1-xCoxSe0.5Te0.5样品在0GPa或者1.2 GPa的情况下均属于(?)钉扎。另获得了 3at.%Co-doped样品高压下的磁通相图。3.为了验证压力是否引入额外点缺陷,研究了 Fe0.97Co0.03Se0.5Te0.5单晶样品的鱼尾效应,鱼尾效应是由于缺陷密度和涡旋晶格间距的匹配效应引起的。在1.2 GPa下,鱼尾效应更加明显,二次峰的位置向高场移动,涡旋间距d≈(Φ0/B)0.5,当T=6K时,d从压力P = 0GPa的30nm降到P = 1.2GPa的15nm,给出了压力诱导点缺陷产生的有利证明。4.采用磁弛豫测量的方法首次研究报道了高压下Fe0.97Co0.03Se0.5Te0.5单晶的磁通钉扎以及涡旋动力学,根据集体蠕动理论和扩展的Maley方法,结果显示磁衰变速率在高压下被显著抑制。另外,弹性蠕变到塑性蠕变被观测到,集体钉扎时,涡旋蠕动也从0 GPa的大磁通束到1.2 GPa小磁通束尺寸的钉扎。我们的研究表明,压力效应不仅可以增加有效钉扎能和临界电流密度,而且可以减小涡旋磁通束的尺寸,并抑制涡流运动引起的电流密度的降低。5.研究了 Y(Dy)Ba_2Cu_3O_7-δ涂层导体的超导电性以及压力效应,另外,还通过磁弛豫研究了不同温度和磁场下的磁通动力学。结果显示,压力效应下的Jc在高温高场下的增加比较明显,在80 K,5 T时,可以提高10倍左右,不可逆线明显的向高温高场移动,样品的超导电性Tc在1.2 GPa下几乎没有变化。涂层导体的磁衰变速率在高压下被显著抑制,进而钉扎能增加。移除压力后,样品恢复原来的超导性质,因此,我们推测原位等径压力增强了涂层导体本身存在的扩展缺陷的钉扎,这明显不同于对熔融织构REBa_2Cu_3O_7-δ晶体的研究,其是压力效应诱导晶界处点缺陷的产生。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O511.3
【图文】：

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的电阻随着温度的降低而降低，在绝对零度时消失。关于在绝对零度附近金属的逡逑电阻变化有不同的观点。１９１１年，荷兰Ｌｅｉｄｅｎ大学物理学家ＫａｎｅｒｌｉｇｈＯｎｎｅｓ发逡逑现金属Ｈｇ在４．２邋Ｋ的低温零电阻现象，如图１．１所示，这是人类首次发现超导逡逑现象。他把物质的这种状态称之为超导态，超导物理研究由此展开。由于Ｏｎｎｅｓ逡逑对低温和发现超导电性的贡献，在１９１３年获得了诺贝尔物理学奖。逡逑０１５邋逦逦逦逦ｊ逦＿逦逦逦逡逑ｒ°—■感邋Ｓ灄逡逑＾邋０．０７５逦Ｍ逡逑ｉ逡逑００５逦逦逡逑００２５邋逦逡逑４Ｘ５邋４１逦４２逦４－ｚ逦４－４邋Ｋａｎｉｅｉｉｉｎ0ｈ邋Ｏｎｎｅｓ逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋（Ｋ）逦（１８５３－１９２６）逡逑图１．１超导的发现：水银电阻一温度关系曲线（左）［１】，Ｋａｍｅｒｌｉｎｇｈ邋Ｏｎｎｅｓ照片（右）逡逑在１９３３年，Ｍｅｉｓｓｎｅｒ和Ｏｃｈｓｅｎｆｅｌｄ发现超导体的另一个重要性质－完全抗逡逑磁性％即用Ｓｎ做低温磁性研究对象，他们发现不管外加磁场的顺序如何，当逡逑Ｓｎ处在超导态时，磁力线被完全排出，内部磁感应强度总是为零，这一现象被称逡逑为迈斯纳效应。除了在实验上的探索进展

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新的铁基超导体ＬａＯＦｅＰ的出现，又掀起人们对铁基超导体的研究热潮［＇之后逡逑中科院物理所的赵忠贤课题组以及浙江大学的曹光旱和许祝安课题组报道了多逡逑种八超过５０邋Ｋ的铁基超导体［１８＾，这为超导的研宄提供一个新的方向。图１．２逡逑列举了具有代表性的超导材料的发现时间顺序。逡逑１４０－逦ｉ逦Ｉ逦ｉ逦ＨｇＴｉＢａＣａＣｕＯ逡逑＜逦ｊ逦ｊ逦ｊ逦ＨｇＢａＣａＣｕＯ逡逑１２0－逦ｉ逦ｉ逦ＴＩＢａＣａＣｕＱｙ逡逑■逦１逦１逦ＢｉＳｒＣａＣｕｄｉ逦第三阶段逡逑１００－１逦１逦１逦１逡逑．逦Ｉ逦Ｉ逦ＹＢａ２Ｃｕ３0ｎ逡逑８0．＿ｌｉｑｕｉｄ邋Ｎ２Ｉ逦第一阶段邋丨第二阶段Ｉ邋１９８７逡逑２邋？丨逦！逦丨逦２００８．４逡逑－0６０－逦Ｉ逦＇逦丨逦２Ｍ１ｆＡ０ＦｅＡｓ逡逑４０邋■逦ｉ邋Ｑ邋ＴｓｍＦｅＡｓＯ，＾．逡逑ｉｉｎｎｉＨ邋Ｈ逦Ｎｂ－ＡＩ－Ｇｅ邋＾ｌｉａＢｓＣｕｉＯ．邋１１邋ａＦｅＡｓＯ邋Ｆ逡逑２0＇－逦ＮｂＮ

示意图,第二类超导体,磁图,不可逆线

０逦Ｔｃ邋Ｔ（Ｋ）逡逑图１．４不可逆线示意图逡逑随着高温超导体的发现，人们才逐渐意识到在混合态中存在有一个复杂的涡逡逑旋状态，存在一条不可逆线，也称为不可逆场［１８］，如图１．４所示。不可逆线直接逡逑反映的是磁通运动的强弱情况和超导电流的大小。在不可逆线下方，由于晶格缺逡逑４逡逑

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