铁基超导薄膜研究进展

铁基超导体作为一类新的高温超导体,由于其独特的性质以及与铜氧化物和传统超导体的显著区别而备受关注.铁基超导体具有比铜氧化物超导体更小的各向异性、较高的超导临界转变温度和上临界场,因此在超导薄膜的制备及应用方面具有很多优势.除此以外,铁基超导薄膜的其他特性,如其外延薄膜具有比块体样品更高的超导临界转变温度,可以形成常规固相反应条件下无法获得的亚稳相等,也引起了研究者的兴趣.本文重点论述了LnFeAs(O,F)(Ln=镧系元素)、掺杂的AEFe_2As_2(AE=碱土金属)、FeCh(Ch=硫族元素)3个体系在薄膜方面取得的成果,总结分析了铁基超导薄膜的生长、微观结构和性能之间的潜在联系,分别从铁基超导薄膜的制备、晶格结构与超导临界转变温度的关系、薄膜缺陷生长与临界电流密度的联系,以及辐照对薄膜性能的影响等方面介绍了铁基超导薄膜的研究进展.     

银基体对Bi2223厚膜生长的影响

为了提高超导材料的临界电流密度,实现高T_c超导材料的强电应用,人们通过改变样品制备工艺已获得了具有高度C-轴取向的织构样品.对Bi系来说,使用银包套的方法取得了良好的效果,Li等人制出了77K,零场下J_c高达6.9×10~4A/cm~2的样品,在提高临界电流密度过程中,人们着重于研究中间冷压、热压以及烧结工艺过程等,期望获得更好的织构度、更高的致密度、微裂纹少、孔隙率低的样品.虽然银层对超导微结构和载流性能的影响引起人们的注意,但研究银基材对Bi2223厚膜生长过程影响的文章报道很少.本文通过对Bi2223银夹板厚膜制备过程中厚膜微结构的分析,研究了银基材对Bi2223厚膜生长的影响.     

运用高压技术设计和研制超导材料新体系

本文介绍运用高压技术发现的几类超导材料新体系,包括(1)顶角氧有序型(简称"顶角氧"系)、Cu12(n-1)n(简称"铜系")和Cl2(n-1)n(简称"卤系")等3类铜基超导材料体系:它们只含铜和碱土氧化物,是构成铜基超导的最简单组分;这些体系在常压的超导温度(T_c)可媲美Y123、Bi系、Hg系等组分复杂的铜基超导材料,"铜系"的T_c可高达123 K,Cl212是第1个含卤素的液氮温区超导体;"顶角氧"有序化将同结构的铜基超导材料的转变温度提高1倍以上,刷新了单层铜氧面结构铜基超导材料的Tc记录;新体系的高温载流特性名列前茅,"铜系"在液氮温区的临界电流特性优于Bi系、Hg系,与Y123相当.(2)铁基超导材料主要体系之一的"111"体系:"111"体系组分结构简单,易于揭示铁基超导核心要素.它的解离面无极性,表面和体态结果严格一致,为通过角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)等先进表征技术揭示铁基超导的本征物性提供了理想结构载体.主要成员LiFeAs具有无Fermi面嵌套的重要特征,表明Fermi面嵌套并非实现铁基超导必要条件,扭转了此前基于铁基其他体系的费米面嵌套对机理的流行认识.(3)Bi_2Te_3拓扑化合物超导体:实现无需化学掺杂引入载流子,揭示了国际上首个压力诱导的拓扑化合物超导.     

ZrO2掺杂YBa2Cu3O7-δ超导薄膜的磁通钉扎

YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)超导薄膜的临界电流密度J_c会因为外磁场的增大而衰减.为了抑制这一现象,有必要引入人工钉扎中心.预制纳米晶能够实现对异质相大小和形状的预先调控,是一种非常高效的人工钉扎手段,能有效解决传统元素掺杂引起的尺寸和团聚问题.本文利用水热法可控地制备出两种尺寸小于10 nm的点状和棒状ZrO₂纳米晶,并采用葡萄糖酸对其表面进行修饰,实现它们在YBCO前驱液中的均匀单分散.单分散ZrO₂纳米晶的掺杂明显地提高了YBCO薄膜的低温磁通钉扎效果和在场临界载流性能,但是纳米晶掺杂量过多,又会因为生成BaZrO₃(BZO)而消耗过多Ba源,致使YBCO薄膜超导性能下降.另外,掺杂5%的点状ZrO₂纳米晶比棒状纳米晶对超导性能提升更优.     

铁基高温超导体的研究进展及展望

自从2008年2月末F掺杂的LaFeAsO被报道有26 K的超导电性后, 基于此体系材料的超导转变温度在短短几个月中被迅速地提高到55 K, 很多新超导体被发现, 同时人们对具有更高临界转变温度的新超导材料充满希望. 本文简要地回顾了这种体系中材料的探索、制备以及设计, 另外在理论和实验上对其超导机理的认识也给予了介绍和总结. 最后基于目前的实验数据, 对铁基超导体和铜氧化物高温超导体的重要物理参数进行了比较, 同时展望了这种新超导体的应用前景.     

强磁场用第二代高温超导带材研究进展与挑战

强磁体应用是高温超导材料研究的最大驱动力之一.最近基于REBa2Cu3O7-δ(RE123)涂层导体的超导磁体的中心磁场达到了26.4 T,为目前全高温超导磁体的最好水平,超过NbTi-Nb3Sn基超导磁体极限;同时,在低温超导背景场中内插17 T的第二代高温超导(2G-HTS)带材磁体实现了32 T的全超导磁体,打破了该类磁体磁场强度的世界纪录.这些强磁场技术的突破正是基于高温超导材料的进步,充分显示了高温超导材料在强磁场应用中的诱人前景.然而高温超导磁体技术能否得到进一步发展与广泛应用,还取决于高温超导材料的基础性能、成材效率和性价比的改善和提升.本文将介绍第二代高温超导带材及其磁体应用技术的国内外发展现状,主要包括第二代高温超导带材的技术路线、我国低成本化学法产业化发展情况、人工磁通钉扎技术和磁场下传输性能的提高、超导厚度诱导的临界电流密度下降以及焊接、机械性能等强电应用相关的关键科学和技术问题等.     

YBa_2Cu_3O_(7-x)超导材料的晶界

最近,Y-Ba-Cu-O系统的超导材料研究正引起人们极大关注。有关它的结构、相组成以及超导特性等研究正在取得迅速的进展。但是,作为多晶氧化物的Y-Ba-Cu-O超导材料,它的晶界结构及特点预计对临界电流I_c等超导特性会有重要影响。因此,研究超导材料中晶界结构特征、化学组成以及晶粒的结构,很有必要。     

铁基超导材料制备研究进展

超导现象于1911年首次被发现, 此后科学家们一直都在寻找拥有更高临界温度的超导材料, 研究重点也逐渐从金属系物质转到铜氧化物. 目前, 物理学界对高温超导机制仍未形成一致看法, 研究人员希望在铜氧化物超导材料以外再找到新的高温超导材料, 以期从新的途径来破译高温超导机理. 2008年初, 日本学者发现了临界温度可以达到26 K的新型超导材料—— LaO_1-xF_xFeAs, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 随后, 科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究. 中国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置. 铁基超导材料的研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 本文按照体系分类, 以时间顺序, 分别对铁基超导材料的四大主要研究体系(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)的具体材料制备研究进展进行了分析, 比较全面地介绍了各种铁基超导材料的合成方法及其关键物理参数.     

超导晶体管

美Sandia国家实验室和威斯康星大学的科学家和工程师们通力合作,已研制出一种由新的高温超导材料制成的晶体管,命名为超导磁通流晶体管(SFFT)。 SFFT超导晶体管是完全由新的高温超导材料制成的第一代超导晶体管,它是由以铊为基的薄膜型高温超导材料——铊-钙-钡-铜-氧制成,试验表明,这种超导材料效果极佳,在125K以下失去电阻,具有较高的临界电流,且能容易地加工成各种元件。     

MgB2基超导材料研究进展

2001年1月发现MgB2基超导体具有39K的临界转变温度。是迄今为止转变温度最高的非铜氧化物超导体。国内外对MgB2基超导材料进行了广泛而又深入的研究，本简述了近期对MgB2基超导材料的研究进展，介绍了近期主要有关MgB2基超导材料电子结构研究和应用开发的工作。着重叙述了关于基超导机制的研究。     

RBa_2Cu_3O_(7-x)超导材料的孪晶畴与畴界

在高T_c氧化物超导材料中,有关(110)面的孪晶结构已有较多报道,并且证实这些呈孪晶畴的晶粒基本上是1:2:3的正交超导相。但是,对这些孪晶畴和它们所形成的畴界,在超导电性中究竟起何种作用,以及它们的大小、尺度分布情况等,有关此类结构与临界电流密度     

用“熔体旋转”技术制备优质超导体

从事超导体实用研究的人们,都十分关注超导相变温度和临界磁场的提高;而对于提高材料的临界电流密度,却往往不够重视。这使得超导的应用受到了影响。铌三铝(Nb_3Al)具有极高的临界磁场,在4.2K 时,H_(c2)=295千高斯。可惜过去它的临界电流密度最佳仅10~5安·厘米~(-2)。美国哈佛大学的罗(K.Lo)、贝夫克(J.Bevk)和吞布尔(D.Turnbull)采用“熔体旋转”(meltspin)新技术,把 Nb_3Al 合金连续     

具有载流子转变性能的超导材料

日本索尼公司已发现一种具有载流子转变性能的新型超导材料。据该公司发言人称,这种材料是一种含钕、铈、铜、氧元素的烧结体,是经过无氧化条件下的燃烧而形成的。为了形成这种材料,要将铈元素掺入钕元素中,并减少其含氧量,以保证电子载流子具有较高浓度.在普通温度直至超导特性转折点温度范围内,这种新材料显现出电子(n型)传导特性,而当温度降至超导特性转折点以下时,载流子又会转变成P型.对     

粉末装管法高临界电流密度MgB2/Ta/Cu线材

利用粉末装管法制备出致密的MgB2/Ta/Cu线材,通过超导量子干涉器件(SQUID)磁强计测量了样品的磁化曲线.结果表明,MgB2线材的转变温度为38.4 K,转变宽度很窄,仅为0.6 K,MgB2/Ta/Cu线具有很强的磁通钉扎能力,在5 K下的不可逆场达到6.6T,临界电流密度高于105 A@cm-3(5 K,自场)和104A@cm-2(20K,1 T).     

高温超导微带谐振器

超导转化温度高于液氮沸点温度77K的高温超导体刚一问世,国际上立即掀起了一场高温超导材料的研究热潮,以求研制出超导临界温度高、微波表面电阻R_s小、超导性能稳定的高温超导体.经过几年的努力,某些高性能高温超导材料的研制已日趋成熟,且逐渐步入实用化阶段.在微波领域里的应用是高温超导材料应用的一个重要方面.高温超导微带谐振器具有Q值高、体积小、重量轻的突出优点而倍受重视,它不仅可作为微波器件(如低相噪高温超导振荡电路的选频器件)使用,而且还可用来研究超导薄膜或介质衬底材料的微波性能.1 设计原理根据电磁理论,微带谐振器的无载品质因数Q_o有如下关系:式中Q_c为表征导体Ohm损耗的品质因数,Q_ε为表征介质衬底材料微波损耗的品质因数,Q_r为表征辐射损耗的品质因数.根据定义,Q_o还可表示为Q_0=ω_0W_0/P,(2)式中ω_o为谐振角频率,W_O为谐振器的总储能,P为谐振器的总耗能,即     

铁基122体系超导体的微结构与物性研究

铁基超导体的发现再次掀起了高温超导的研究热潮,由于铁基高温超导体具有丰富的结构和物理性质,近十年来一直是科学界的重要研究领域之一.目前在多个典型的铁基超导体系中已经证实,存在着结构相变和多重有序态之间的关联与竞争.微结构研究和原位电子显微镜分析表明,典型122超导体系AFe_2As_2(A=Ca,Sr,Ba,Eu等)在低温区发生四方相到正交相结构相变,产生丰富的孪晶和微结构现象.在CaFe_2As_2中存在织呢(tweed)结构,并在Ca原子层引起准周期结构调制,平均周期为40 nm.在K_yFe_(2-x)Se_2超导体系中,存在丰富的相分离现象,在a-b面内出现了复杂的畴结构.此外,A位元素的替代对AFe_2As_2体系母相材料的结构特性和低温结构相变有重要影响,从而引起超导电性改变.     

纳米SiC掺杂MgB2超导带材的制备及其性能研究

采用粉末装管法制备了SiC掺杂的MgB₂带材系列样品. 通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和超导量子干涉仪等仪器对样品进行了表征. 实验结果表明, SiC掺杂对于提高MgB₂带材的超导性能具有十分有效的作用. 掺杂量为5%时, 在4.2 K和10 T条件下, 掺杂样品的临界电流密度高达9024 A/cm², 是未掺杂样品的32倍多. 掺杂样品在高磁场下具有良好的临界电流性能主要归因于C对B的替代所产生的晶格畸变、位错等缺陷和局部成分变化而导致的有效晶内钉扎作用, 同时由于掺杂而提高的晶粒连接性也对临界电流密度的提高起到一定作用.     

超导单晶晶须的生长

一、引言 在多晶氧化物超导材料中,由于晶界及晶粒取向造成的颗粒弱连接,限制了临界电流密度的提高,使其难于达到实用要求。为了深入研究氧化物超导材料的晶体结构、超导性与其他物理性能,大幅度提高J_c值以满足实用要求,制备高质量大尺寸的单晶是非常重要的,尤其是柔     

脉冲激光沉积大面积高温超导氧化物薄膜

高温超导体在各领域的应用越来越受到人们的重视,特别是在微电子学、微波器件和磁测量等方面比如延迟线、滤波器、超导天线、超导量子干涉仪(SQUID)已进入实用化阶段.制作这些器件不仅要求超导体为大面积的薄膜,而且要求膜的厚度以及超导特性(零电阻温度,临界电流密度,表面电阻等)具有很好的均匀性.虽然目前制备高T_c氧化物薄膜的方法很多,脉冲激光沉积(pulsed laser deposition)、磁控溅射(magnetron-spuffering),金属有机化学气     

高温超导共面波导功率非线性研究及测试

采用临界电流密度与仿真相结合,预估了共面波导微波强非线性测试系统的功率要求.该方法理论值为30dBm,与实测临界功率26~27dBm相近,表明该方法可行.该法可能有助于超导机理的研究.同时发现,在高于临界功率时,表面电阻随传输特性发生陡变.该结果有助于开发超宽带、低损耗超导微波限幅器和开关.