汞系高温超导单晶体和立方硼碳氮化合物的合成及性质表征

发布时间：2017-03-23 06:06

  本文关键词：汞系高温超导单晶体和立方硼碳氮化合物的合成及性质表征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在当今的功能材料研究领域，高温超导和超硬材料都是研究的热点方向。它们在航空、通讯和机械工程等领域都有着广泛的应用。本论文主要由两部分构成，第一部分主要介绍了超导体中的汞系高温超导体的合成和性质测试，这是本论文的主体部分；第二部分则是介绍了对超硬材料立方相的硼碳氮化合物的合成探索。 自从1986年超导转变温度为35K的高温超导体被发现以来，它就成为了超导研究领域的热点方向。但是，迄今为止，关于高温超导的机制问题仍然困扰着研究者们。因为高温超导体普遍具有各向异性，所以，为了研究高温超导的机制问题，就必须要对其进行单晶体的合成。在高温超导体中，汞系铜氧高温超导体具有同类超导体中最高的超导转变温度，同时又具有相对简单的四方结构，因此，它成为了研究高温超导机制的比较理想的体系。一直以来，在实验中获取大尺寸、高品质的可供后续性质研究的单晶体具有较高难度。在本论文中，概述单层汞系高温超导体Hg1201的合成方法及合成过程中需要注意的细节问题。需要指出的是，本研究组通过之前的实验探索，已经获得了成熟的Hg1201单晶体合成技术和通过样品热处理的方法来获取内部氧分布比较均匀同时空穴掺杂浓度可控的样品的技术。在此基础上，进一步对合成出的Hg1201单晶体进行了特定的处理，获取了用以后续RXD和RIXS测试的样品。我们还通过类似Hg1201合成技术的两步合成的方法成功获取了Hg1212单晶体样品，并通过对实验细节进行系统的校正，可以重复的获取高品质，大体积的样品,因为汞系高温超导体存在的各向异性，只有对大体积的单晶体进行的性质测试得到的数据才是比较准确的。因此，得到的毫米级的Hg1212单晶体对于后续的测试来说具有重要的意义。Hg1212合成的具体实验方法为，首先由硝酸钡和氧化铜在一定的温度下反应生成前驱体，，然后将前驱体在手套箱中和氧化汞、氧化钙按比例混合，再放置于密封石英管中程序升温就可以稳定地得到Hg1212单晶体样品。在此之后，还对Hg1212单晶体进行了热处理。通过对热处理后的Hg1212单晶体样品进行磁性测试，确定了热处理后的样品的Tconset可以达到123K左右，这一数值已经非常接近Hg1212的最优掺杂的Tconset。许多的关于Hg1212单晶体的后续测试也需要这样的样品来进行。同时，这为后面进一步合成欠掺杂和过掺杂的样品打下了基础。 电荷密度波存在于超导体的赝能隙和超导态中，与超导性能存在着共存和竞争的关系。所以，对电荷密度波的研究对理解高温超导机制有着重要的作用。在本论文中，对空穴浓度p≈0.09（Tc=72K）的Hg1201单晶体进行了RIXS和RXD的测试来对其电荷密度波进行研究。在零磁场的情况下，虽然与YBCO相比，Hg1201样品中电荷密度波与超导性能的相关和竞争关系相对较弱，但是，我们也在Hg1201样品中观察到了电荷密度波的现象。同时，通过对Hg1201单晶体中的电荷密度波随温度变化的研究中，还发现了短程电荷密度波是和费米液体输运行为在200K左右的一个温度下几乎同时出现的。在具体的测试中，首先对样品在动量空间中的[H, K, L]进行了研究，并选择了[H, K, L]范围为H为变量，L为与H相关的值，K为0。在接下来的测试中，首先对样品进行了能量扫描，在固定H值的情况下对样品进行能量扫描时，在准弹性峰附近观察到了样品的电荷密度波的能量吸收。然后，又固定了能量对动向进行扫描。通过对结果进行归一化处理，得到了电荷密度波的数据为：HCDW=0.276(5) r.l.u.,2κ=0.058(9) r.l.u.（RXD）；HCDW=0.280(5) r.l.u.，2κ=0.071(3) r.l.u.（RIXS）。最后，又固定了能量和动量对温度进行扫描，结果显示，Hg1201的电荷密度波在温度为200K左右的时候出现，并且随着温度的降低而增强，最终在温度达到72K时深入超导区域，保持平稳。 在对汞系高温超导体进行研究的同时，本论文还使用Walker型多面顶压机对超硬材料立方硼碳氮化合物进行了探索合成的实验。立方硼碳氮化合物因为有望成为兼具金刚石的超高硬度和立方氮化硼的良好热稳定性的优点而成为了超硬领域中研究的热点。但是，在以往合成立方硼碳氮化合物的实验中，合成温度和压力的要求都普遍较高。对此，在综合了之前文献报道的合成方法的基础上，选取氮化锂为催化剂，通过两步法成功合成出了立方相的硼碳氮样品。具体合成方法是，首先通过机械球磨法，对反应原料石墨和六方氮化硼进行充分的研磨，然后，将球磨样品与氮化锂进行混合在12GPa，1500oC的条件下进行高温高压反应。通过对反应产物进行一系列的表征之后发现，得到的样品是立方氮化硼构型，其中部分硼原子被碳原子定向的取代的立方硼碳氮相。通过球磨获取前驱体和在反应过程中加入催化剂的方法，成功的降低了反应需要的温度，同时，得到了一种结构比较新颖的样品。
【关键词】：汞系高温超导单晶体 电荷密度波 高温高压 超硬材料
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM26;O611.4
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-38
• 1.1 超导材料的概述12-14
• 1.1.1 零电阻和迈斯纳效应12
• 1.1.2 London 方程12-13
• 1.1.3 临界磁场强度和临界电流密度13-14
• 1.1.4 超导电性的 BCS 微观机制理论14
• 1.2 高温超导体概述14-20
• 1.2.1 高温超导体的发展14-17
• 1.2.2 铜氧高温超导体17-20
• 1.2.2.1 铜氧超导体的掺杂类型17
• 1.2.2.2 铜氧高温超导体的掺杂浓度的调节17-20
• 1.3 汞系铜氧超导体的合成20-24
• 1.3.1 密封石英管法22-23
• 1.3.2 高温高压法23-24
• 1.4 高温高压反应制备超硬材料24-35
• 1.4.1 高压设备24-29
• 1.4.1.1 金刚石对顶砧24-26
• 1.4.1.2 活塞圆筒形高压装置26-27
• 1.4.1.3 Walker 型高温高压装置27-29
• 1.4.2 立方硼碳氮型超硬材料的合成方法29-35
• 1.5 本论文的选题意义及主要研究内容35-36
• 1.6 本论文所涉及的主要测试仪器36-38
• 第二章 单层和双层汞系高温超导体的合成38-66
• 2.1 Hg1201 单晶体的合成38-43
• 2.1.1 Hg1201 前驱体的制备38-40
• 2.1.2 Hg1201 单晶体的生长40-43
• 2.1.2.1 Hg1201 单晶体合成中水份的影响41-42
• 2.1.2.2 Hg1201 单晶体合成中的程序升温过程42-43
• 2.2 Hg1212 单晶体的合成43-54
• 2.2.1 Hg1212 前驱体的制备44-45
• 2.2.2 Hg1212 单晶体的生长45-54
• 2.2.2.1 Hg1212 合成时反应原料的用量45-46
• 2.2.2.2 Hg1212 单晶体的合成操作46-47
• 2.2.2.3 Hg1212 单晶体的合成程序升温曲线的校正47-52
• 2.2.2.4 原料中氧化汞用量的优化52-54
• 2.3 单晶体的热处理及磁性测试54-63
• 2.3.1 Hg1201 的单晶体热处理及磁性测试55-56
• 2.3.2 Hg1212 的单晶体热处理及磁性测试56-63
• 2.4 本章小结63-66
• 第三章 Hg1201 单晶体的电荷密度波66-80
• 3.1 电荷密度波66
• 3.2 Hg1201 单晶体的 RXD 和 RIXS 测试66-76
• 3.2.1 RXD 和 RIXS 的设备介绍66-67
• 3.2.2 测试样品的制备67-68
• 3.2.3 Hg1201 的电荷密度波的能量扫描68-69
• 3.2.4 Hg1201 的电荷密度波的动量空间扫描69-71
• 3.2.5 Hg1201 的电荷密度波的温度扫描71-76
• 3.3 Hg1201 单晶体的硬 X 射线衍射76-78
• 3.4 本章小结78-80
• 第四章 高温高压下立方硼碳氮化合物的合成研究80-96
• 4.1 机械球磨法制备硼碳氮前驱体80-83
• 4.2 高温高压法合成立方硼碳氮化合物及样品的表征83-92
• 4.2.1 反应原料的填装83-84
• 4.2.2 有催化剂条件下的立方相硼碳氮化合物的高温高压合成及样品的表征84-92
• 4.3 立方相硼碳氮化合物的形成分析92-93
• 4.4 本章小结93-96
• 第五章 结论与展望96-98
• 参考文献98-110
• 作者简历110-112
• 攻读博士学位期间发表论文112-114
• 致谢114

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘景,肖万生,李晓东,李延春,谢鸿森,胡天斗;同步辐射激光加温DAC技术及在地球深部物质研究中的应用[J];地学前缘;2005年01期

  本文关键词：汞系高温超导单晶体和立方硼碳氮化合物的合成及性质表征，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：263078