元素掺杂对MgB_2晶体结构和超导电性影响的研究
MgB2超导膜的研究的开题报告
MgB2超导膜的研究的开题报告
尊敬的评委：
我想就“MgB2超导膜的研究”为题目向各位评委做一份开题报告。
随着电子科技和能源技术的不断发展，超导材料已成为研究的热点领域。
MgB2作为一种新型的高温超导材料，具有超导温度高、超导电性好等优势，是当前研究的热点之一。
MgB2超导膜是指将MgB2材料制备成膜，以期望其在电子器件中发挥更加卓越的性能。
与传统的超导材料铜氧化物相比，MgB2材料可以在较高的温度下成为超导体，且其超导电性能是当前最好的；而MgB2超导膜作为它应用的一种形式，可以在超薄条件下发挥其优良的超导性能。
目前，MgB2超导膜的制备技术还比较薄弱，但是在锆基管式磁控溅射、分子束外延和化学气相沉积等技术的应用下，已经有了一定的进展。
本文拟采用化学气相沉积技术，通过变换反应物流量比，调整反应条件，探究对MgB2超导膜制备的影响，以期望获得制备优质的MgB2超导膜。
本论文主要研究内容包括研究MgB2超导膜的制备工艺，评估膜的
超导性能，探究制备工艺和膜超导性能的关系，以及对具有实际意义的
电子器件进行性能测试。
本研究的意义在于为MgB2超导膜在电子、医疗和军事等领域的应用提供技术手段，并为新型超导膜材料的研究发展提
供新的思路。
总体而言，本研究旨在利用化学气相沉积技术制备MgB2超导膜，
通过研究优化工艺参数，探寻其相关机理，并测试其性能，为进一步应
用于电子技术等领域奠定基础。
感谢各位评委的关注与支持。
超导材料MgB2合成方法的研究现状
（． １ 兰州理工大学 甘肃 省有色金属新材料省部共 建国家重点实验 室 ， 甘肃 兰州 ７ ０ ５ ； ３ ０ ０ 有色金属合金省部共建 教育部重点实验 室 ， 甘肃 兰州 ７ ０ ５ ） ３ ０ ０ ２ 兰州理 工大学 ．
摘
要： 简要叙 述 了超 导材 料 的应 用 ， Ｂ Ｍｇ ２的超 导 机 制 以及 元 素 掺 杂对 Ｍｇ ２ 导 性 能 的影 Ｂ超
维普资讯
第 １ ６卷
第 ５期
粉 末 冶 金 工 业
Ｐ ＯＷ ＤＥＲ ＥＴ Ｍ ＡＬＬＵＲＧＹ ＮＤＵＳ Ｉ ＴＲＹ
Ｖ０ ＿ ６ ＮＯ． ｌ１ ５ ｏＣ ， ０ ６ ｔ２ ０
２０ ０ ６年 １ ０月
超 导材 料 Ｍｇ ２ 成 方 法 的研 究 现 状 Ｂ合
球 物理 探 矿技 术 、 震 的研 究 与 预 测 、 物磁 学 、 地 生 医
样 品的制备 ， 各种 替 代元 素对 转变 温 度 的影响 ， 素 核
效应 ， ａｌ Ｈ ｌ效应 的测 量 ， 热动 力 学 的研 究 ， ｌ 电 流 临界 和磁场 的关 系 ， 波 和 隧 道 特性 的研 究 等等 。 本 文 微
２０ ０ １年初 ， 有 ３ Ｋ超 导 转 变温 度 的 Ｍｇ ｚ被 具 ９ Ｂ 发现以后 ， 引起 了科 学 界 的 极 大 关 注 。２ ０ ０ ２年 ， 美
１ 超 导 材 料 的应 用
超 导 电性 具 有 巨 大 的应 用 潜 力 ， 给人 类 的生 可
国《 科学 》 志 和我 国 的《 杂 科技 日报 》 把 Ｍｇ ２超 导 都 Ｂ
轮储 能 、 电流 引线 、 机 、 障 电流 器 等 应用 探 索 方 电 故
简 单介 绍 了近期 Ｍｇ ２ 导材 料 的超 导 机制 和 元 素 Ｂ超 掺杂 的研 究 进 展 ， 重 叙 述 了不 同 类 型 Ｍｇ ２的合 着 Ｂ
超导体二硼化镁电子结构和掺杂研究
超导体二硼化镁电子结构和掺杂研究刘洋【摘要】利用基于密度泛函理论(DFT)的线性缀加平面波方法(LAPW)对多频带双能隙超导体二硼化镁进行电子结构研究,研究了二硼化镁的电子能带图、态密度(DOS)和电荷密度.对二硼化镁进行电子掺杂和空穴掺杂,分别用铝原子代替镁原子,碳原子代替硼原子,对其能带和电荷密度的改变进行探讨.【期刊名称】《湖北民族学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(029)001【总页数】5页(P35-39)【关键词】高温超导体;二硼化镁;电子结构;掺杂【作者】刘洋【作者单位】孝感学院化学与材料科学学院,湖北,孝感,432000【正文语种】中文【中图分类】O511+.2超导体，顾名思义就是通电流后没有能量耗散的导体.它是由于大量配对电子凝结到一个“布调一致”的相干态后，其运动不受晶格散射的结果.1911年，荷兰的科学家Onnes发现水银的超导现象后，人们一直期望能找到室温超导体，这是人们长期以来的梦想.氧化物超导体的超导机制是物理学家面前的最富有意义和挑战性的课题之一.这是由于此类材料中电子之间的相互作用很强，其运动行为似乎不能用业已成熟的固体物理的知识来理解.对高温超导机理的理解可能会导致人们对很多被称为电子强关联的一大类材料物理本质的理解，同时在科学和技术两个方面产生飞跃.2001年1月MgB2的超导电性被发现以来[1],这种临界温度高达39 K的简单二元合金超导体引起了人们的强烈关注,短时间内就对其进行了深入、广泛的研究.首先，人们发现，这个超导体在20 K左右的温度和8万倍于地球磁场的情况下，可以承载很大的超导电流，而且能耗极低.由于20 K的温度可以方便地使用小型制冷机获得，因此这使得人们想到在将来的医院里使用的核磁成像仪器的超导磁体再也不要昂贵的液氦来运行，而只需要插上电源就行了.另外，二硼化镁材料的价格很低，而且远比陶瓷特性的氧化物高温超导体容易加工成型，因此在发现后不久，美国Ames实验室就能够拉出长达几十米的线材和带材.此外，二硼化镁超导体的超导相干长度较长，容易制备出超导量子干涉器件用于微弱电磁信号的检测，在大地探矿、医疗仪器、环境和军事方面具有应用前景.利用基于密度泛函理论(DFT)的线性缀加平面波方法(LAPW)对多频带双能隙超导体二硼化镁进行电子结构研究，并对其进行电子掺杂和空穴掺杂的计算，在掺杂计算中用铝原子代替镁原子，碳原子代替硼原子.二硼化镁在费米面形成四条能带，其中两条是σ带，主要由硼的px+py分量形成，另外两条是π带，主要由硼的pz分量形成，σ带对超导性起主要作用.在二硼化镁超导体中，镁原子能够被铝和钪取代形成Mg1-xAlxB2和Mg1-xScxB2，硼能够被碳取代形成Mg(B1-yCy)2.在这些情况中用来替代的原子在原子实外都包含不止一个电子.如铝为Al：3s23p1；Sc：4s23d1；C：2s22p2.实验显示，无论在哪种替代下，二硼化镁的超导临界温度Tc都会下降.笔者发现不管是哪种掺杂临界温度Tc的下降都和能带的饱和情况和带间散射有关，当这些替代原子的外层电子占据了σ带，使这些带变得饱和时，材料的超导性就下降了.图1 MgB2的原子结构图Fig.1 The atomic structure of MgB2表1 实验给出的晶胞参数Tab.1 The cell parameters given in the experimentatomxyzMg000B1/32/33/3B-1/32/31/2(P6/mmm，lattice a=b=3.086 Å，>c=3.522 Å)1 二硼化镁电子结构和掺杂研究二硼化镁具有超导电性，是高温超导界中结构最为简单的一种合金，因此，科学家们对这种物质进行了深入的研究，其中包括理论计算[2-10]和实验[11-16].这些研究包括如何提高二硼化镁的超导临界温度，探讨二硼化镁的根本超导机制.理论计算和实验结果都表明，二硼化镁是以声子为媒介的BCS超导体其超导电性源于硼原子的声子谱，掺杂能够极大的提高二硼化镁的临界超导温度.二硼化镁的结构属六方晶系(如图1)，在两个硼原子层之间有一个镁原子层.各地的实验小组用不同的实验方法和技术发现了二硼化镁许多特别的，不寻常的甚至与超导机制相矛盾的性质.Louie和Cohen的小组用完善的BCS理论研究了二硼化镁的基本性质，Choi发展了复杂电子结构材料的BCS方程的解法，他们用来解决二硼化镁的基本性质.文献报导了从头计算方法计算的超导能隙和它引起的可观测量[17].一个重要的特征是硼原子与某种特定的声子模式形成强烈的耦合，电子态密度被这样的硼原子轨道占据，有助于电子对的形成.这解释了二硼化镁的高超导临界温度，反常的热学现象和多能隙结构.对二硼化镁的电子结构进行研究，包括它的电子能带图、态密度(DOS)和电荷密度，利用基于密度泛函理论(DFT)的线性缀加平面波方法(LAPW)，使用的程序包是WIEN2K[18].这种方法能够在其它缀加平面波的基础上对局域轨道进行计算，这样便提高了计算的线性化，同时使在一个能量窗口内同时对内层电子和价电子进行计算成为可能.但是这种方法也存在着的近似，首先，晶胞被划分为两个部分：以原子位置为中心的非重叠Muffin-tin球区域和球间区域.其次，晶体势也相应的分为两个部分：V(r)=∑Vlm(r)Ylm(θ,Ф) (球内)(球外)其中Ylm(θ,Ф)为球谐函数，因此必须要设定控制参数.采用实验给出的数据[19，20](见表1).马玲球半径分别取Mg：2.0，B：1.5.(对此实验数据进行了优化，实验上测得的数值和优化所得到的数值吻合的非常好)故在计算中使用实验数据.第一布里渊区中k点的个数取为100，控制基函数集大小的收敛参数RKmax=8.图2、3和图4给出了二硼化镁的能带、态密度和费米面的电荷密度分布图.计算的二硼化镁的能带图能量从-15 eV至10 eV，费米面取零.图2 二硼化镁的能带分布图图3 二硼化镁的态密度分布图图4 二硼化镁的费米面电荷密度分布图Fig. .3 The profile of states density distribution of MgB2 Fig. .4 The profile of charge density distribution in Fermi surface of MgB2图5 (a)硼原子的p轨道能带特征图;(b)穿过费米面的能带:两条来自px+py轨道;(c)穿过费米面的能带:两条来自pz轨道;(d)硼的p轨道电子及pxy和pz轨道态密度的值Fig.5 (a) The feature map of boron atomic′s p-orbital energy bands；(b) The energy band through the fermi surface:two tracks from the px+py；(c) The energy band through the Fermi surface:two tracks from the pz；(d) the value of the density of states by boron p-orbital electron and pxy and pz track可以看见有四条能带穿越了费米面，显示了二硼化镁的导电性.穿过费米面的这四条能带主要来源于哪个原子，那么此种原子就对二硼化镁的超导性起主要作用.为了研究这个问题，笔者分别画出了各个原子轨道的能带特征图，经过对比发现穿过费米面的这四条能带来自硼原子的p轨道.图5所示，图中圆圈半径的大小代表此原子轨道对能带形成贡献的大小.图5中的(a)是硼原子的p轨道的能带特征图，可以看出硼原子位于p轨道的电子对于导带和穿过费米面的这四条能带贡献很大，为了对比也计算了硼的s轨道、镁的s和p轨道的能带特征图，确定穿过费米面的这四条能带主要来自硼原子的p轨道.其中两条来自px+py轨道，另外两条来自pz轨道.图5(b)和图5(c)显示.费米面以上的导带则主要源于镁的最外层自由电子和部分硼的p轨道电子.这点也可以从图4中得到证实，图4是二硼化镁在费米面的电荷密度分布图，正中间的是两个硼原子，边上的是镁原子.图4中显示，硼原子和硼原子之间有很强的相互作用，而硼原子和镁原子之间的相互作用很弱，镁原子基本处于电离状态.镁原子的外层电子势必对导带起较大贡献.图2中与能带图相对应的是总态密度，注意到在费米面态密度较小，由图3得知零点能的态密度主要来自硼，图5(d)更清楚地看出硼的p轨道电子及pxy和pz轨道态密度的值.pxy的态密度比pz的高出许多，从图5的(a)(b)(c)可以看到pxy能带穿越费米面四次而pz只穿越两次.从以上的计算和分析肯定了硼原子在超导中起的关键作用. 硼化镁是一种结构简单易于加工的合金，为了寻求临界温度更高的超导体，许多实验小组对二硼化镁进行了掺杂.在这里笔者用构建超元胞的方法对二硼化镁进行碳掺杂和铝掺杂的研究.二硼化铝没有超导性，为了比较，笔者计算了二硼化铝的电子结构.二硼化铝的结构参数由实验给出：a=b=2.868 2Å，c=3.11Å.经过优化验算，得出实验给出的参数是使二硼化铝处于稳定能量最低的值，所以计算采用实验得出的结构参数.铝的性质介于金属和非金属之间，所以硼和铝形成的化学键既有可能是离子键也有可能是共价键.经过优化计算比较，笔者发现化学键的形成和铝和硼原子之间的距离有关系，当硼铝原子之间的距离大于2.97时，硼和铝原子之间就是离子键，当距离小于2.96，就形成共价键.也就是说，当硼铝之间的距离足够长的时候，硼和铝之间在不会共享任何电子.当距离缩短到某一个范围的时候，硼铝的电子云就会形成交叠.根据优化得到的结果，使二硼化铝处于稳定状态的结构是硼铝都处于离子状态的结构.因此，在计算中，硼铝也形成离子键.在二硼化镁中掺入适当的铝，形成Mg1-xAlxB2的分子，其中的x代表铝的含量.掺杂时铝的替代位置有八种，分别是(0，0，0)，(0.5，0，0)，(0，0.5，0)，(0.5，0.5，0)，(0，0，0.5)，(0.5，0，0.5)，(0，0.5，0.5),(0.5,0.5,0.5).这些位置当中，(0，0，0)是掺杂位置最简单的，(0，0，0.5)是掺杂以后能量最低的.所以在进行掺杂计算时，笔者尽量采用这些位置进行替代.分别使x=0.062 5，0.125，0.25，0.375，0.50，0.625，0.75和0.875.在x=0.062 5时，铝占的态密度很小，态密度曲线几乎和二硼化镁没有什么区别，增大掺杂浓度，x=0.125和x=0.25时，铝所占的态密度仍然很小，不能仅从态密度判断出铝和硼，实验表明，在掺杂浓度不太大时，二硼化镁的超导性会下降，但它仍是超导体.当掺杂的浓度继续升高，铝占据的态密度比例增大，而硼和镁的态密度比例下降，x=0.375时，铝的态密度会线性迅速增长，这时复合物很快的失去超导性.从对二硼化镁的分析可以看到，超导性源于硼原子的pxy轨道电子.在掺入铝原子后，铝比镁多一个电子，这样它势必会破坏原来的电-声相互作用，从能带图(图6)中可以看到，掺入铝之后，原来pxy轨道发生了变化，这在k点很明显，带间的散射增强了.原来的pxy轨道的能带变得更加倾斜，这是铝的电子填充了pz 轨道导致.图6 MgB2掺铝能带图Fig.6 The energy band diagram of MgB2 after incorporating Al接下来，在二硼化镁中掺入了碳元素，掺杂物的化合式可表达为Mg(B1-yCy)2.构建了一个2×2×2的超元胞，用碳原子取代化合物中的硼原子，取代的比例分别为y=0.25和y=0.50.为了减少计算的时间，利用了晶体结构的对称性和一些近似.在计算过程中，k点取100，对掺杂物进行了体积优化，对y=0.25的情况，最低的优化能量为726 eV，比实际计算能量低2%，而对于y=0.50的情况，优化的能量基本等于计算的能量.所以在实际计算中，采用实验给出的晶胞参数，没有采用优化数据作计算.实验给出的晶胞参数在表1中详细列出.计算的超元胞的DOS图和能带结构图如下(图7-图10).从图中可以看出，对于y=0.25的情况，对应于图7，在总的态密度中，碳占的比重不大，总的态密度在费米面处的贡献主要来源于硼原子，据实验报导，在二硼化镁中掺入25%碳元素时，二硼化镁掺杂物仍有微弱的导电性，从能带结构图中看出，在费米面仍有一些能带穿越，能带结构图与原来二硼化镁的结构图有几分相似，有导电的自由电子存在.对比y=0.50的情况可以明显看到，在总的态密度中，费米能处的态密度主要贡献是碳原子，此时硼原子的贡献处于次要的地位，而且y=0.50的能带图也可以看出，与原来二硼化镁的能带图差异大，看不到明显表示自由电子的能带穿越费米面.同时，实验结果证明y=0.50时二硼化镁的掺杂物已经完全失去了超导性.图7 y=0.25时超元胞的DOS图图8 y=0.5时超元胞的DOS图Fig.7 wheny=0.25，the super cell DOS map Fig.8 when y=0.5，the super cell DOS map图9 y=0.25时能带结构图图10 y=0.5时能带结构图Fig.9 when y=0.25，the energy band diagram Fig.10 when y=0.5，the energy band diagram2 结论对MgB2超导体进行了第一性原理的计算，采用构建超元胞的方法对MgB2进行碳掺杂和铝掺杂的研究.计算分析了MgB2的能带结构、态密度、费米面的电荷密度并与掺杂以后的图形进行对比，验证二硼化镁的超导性主要来源于硼原子，穿过费米面的四条能带都是硼原子的，其中两条是σ带，来自px+py电子轨道，另外两条是π带来自pz轨道.对二硼化镁构建超元胞进行掺杂以后，掺杂原子碳、铝的外层电子占据了σ带，使能带变得较以前饱和，降低二硼化镁的超导性.这与实验得出的结果一致.参考文献:[1] Nagamasu J,Nakagawa J,Muranaka T,et al.Akimitsu.Superconductivity and its applications[J].Nature,2001,410:63-67.[2] Nagamatsu Jun,Nakagaws Norimasa,Muranaka Takahiro,etal.Superconductivity and its applications[J].Nature,2001,410:63-75.[3] Budko S L,Petrovic C,Lapertot Getal.The properties of granular superconducting MgB2[J].Phys Rev Lett,2001,86:11 402-11 406.[4] Liu A Y,Mazin I I,Kortus J.Influence of Pressure on the Superconductivity of MgB2[J].Phys Rev Lett,2001,87:87 005-87 007.[5] Finnemore D K,O stenson J E,Bud’ko S L,et al.The relationship between the superconductivity of doping MgB2 and the number of average valence electrons[J].Phys Rev Lett,2001,86:2 420-2 431.[6] Dreizler R M,Gross E KU.Density Functional Theory[M].Berlin Heidelberg:Spinger-Verlag,1990:1-47.[7] 谢希德,陆栋.固体能带理论[M].上海:复旦大学出版社:1998:14-269.[8] Nagy A.The new superconductor MgB2 and its applications[J].Physics Reports,1998,298:1-79.[9] Franci M.The research of lattice parameter of the doping MgB2 series and the doping choice of MgB2[J].Chemical PhysicsLetters,1996,263(13):506-514.[10] Glossman M.Doping properties of MgB2 superconductor[J].Daniel Journal of Molecular Structure,1997,390:67-69.[11] Osborn R,Goremychkin E A,Kolesnikov A I,et al.Isotope effect of MgB2superconductor[J].Phys Rev Lett,2001,7:17 005-17 008.[12] WeiKu,Pickett W E,Scalettar R T.Research and progress in magnesium diboride superconductor[J].Phys Rev Lett,2002,88:57 001-57 005.[13] Canfield P C,Finnemore D K,Bud′ko SL.The superconductivity and doping effect of MgB2 [J].Phys Rev Lett,2001,86:2 423-2 426.[14] Finnemore D K,Ostenson J E,Bud′ko,SL,et al.Penetration-depth anisotropy in MgB2:two-band ginzburg-landau theory[J].Phys RevLett,2001,86:2 420-2 422.[15] Bud′ko S L,Lapertot G,Petrovic C,et al.The two-band ginzburg-landau theory based analysis on the gaps of the superconductor MgB2[J].Phys Rev Lett,2001,86:1 877-1 880.[16] Amy Y Liu,Mazin I I,Jens Kortus.Study on the transport properties of superconductor MgB2[J].Phys Rev Lett,2001,87:87 005-87 009.[17] Choi Hyoung Joon Roundy,David Sun,Hong,et al.The relation of energy gaps between specific heat for MgB2superconductor[J].Nature,2002,418:758-762.[18] Blaha P,Schwartz K,Madsen G,et putercodeWIEN2K[M].Wien:Technische Universitat Wien，1999:45-76.[19] Wyckoff R W G.Crystal Structure[M].New York:Wiley,1995:25-67.[20] An J M,Pickett W E.Improving critical current density of MgB2 by codoping with c and al[J].Phys Rev Lett,2001,86:4 366-4 371.。
超导体MgB2超导电性及制备技术的研究进展
图I M 2晶 结 gB 体 构
学界为之兴奋， 世界主要媒体都相继报道了这项超导研究领域的新突破。 Nagamatsu 等的 J. 新发现在世界范围内掀起了一股超导热〔， MgB, 超导电性和制备方法的研究论文迅速 2 有关 ] 涌现〔7 3 年多来， 5 70 -4 世界各国的研究人员使用各种现代化的制备技术和研究手段， 制得了
粉末冶金材料科学与工程
第9卷
到致密的块状材料。样 品经抛光后具有金属光泽， 粉末 X 射线衍 射实验表明， 生成物是
MgB2。利用 SQUID 磁强计测量了低温下磁矩随温度的变化， 四引线法测量了电阻随温度的
变化， 结果表明， MgBZ在 39 K 以上发生超导转变。高压合成可以缩短反应时间， 大大减小反 应过程中 Mg 被氧化的几率， 白金箔的使用避免了外界环境的污染， 有利于制备单相的 MgBZ 超导体。
的 振 频 造 高 动 率 成了MgB 高T}9 6 2的 E,11o
元素替代有可能提高某种化合物的超导转变温度， 可以探寻具有更高转变温度的有关化 合物。另外 ， 添加元素之后 ， 只要不使 T} 明显降低， 有可能作为钉扎中心， 从而提高临界电流
密度。添加元素包括碳、 锉、 被、 铜、 妮、 铁、 钻、 [1 8 。在所有的添加 铝、 硅、 锌、 锰、 银、 铁、 镍等[ 3.1]
常采用 Ar 气或 Ar 气和 H: 气的混合气体。
2. 1 块材的制备 (1) 高压合成[1 2 s-21。李绍春等[is〕 将Mg 粉(98. 5%)和超细B 粉(99. 999 )按摩尔比1 : 2 混合， N: 气氛下研磨均匀， 在 再把混合物压片， 用白金箔密封， 放人氮化硼管和石墨管中。利 用叶蜡石块作为传压介质， 3. 0 GPa , 1 000 ℃条件下烧结 10- 30 min , 淬火至室温降压， 在 得
镍掺杂对MgB2相的形成及超导性能的影响的开题报告
镍掺杂对MgB2相的形成及超导性能的影响的开题报告一、背景MgB2是一种新型的超导材料，在它被发现之后，受到了广泛的关注和研究。
MgB2的超导转变温度高，达到了39K，比传统的超导材料如Nb3Sn，YBa2Cu3O7等要高，这意味着MgB2的应用潜力巨大。
MgB2是一个简单的二元化合物，在它的晶体结构中，每个Mg离子都被六个B离子包围，每个B离子又被三个Mg离子包围。
MgB2的超导性质与其晶体结构密切相关，破坏MgB2的晶体结构会导致它的超导性能下降。
镍是一种常见的掺杂材料，具有良好的化学稳定性和电学性能，被广泛应用于各种材料的掺杂研究中。
镍的掺杂可以改变MgB2的晶体结构，从而影响其超导性能。
二、研究目的本研究旨在探究镍掺杂对MgB2相的形成及超导性能的影响。
具体的研究内容包括：1.制备不同掺杂浓度的Ni掺杂MgB2材料。
2.分析不同掺杂浓度的Ni掺杂MgB2材料的晶体结构和相组成。
3.测量不同掺杂浓度的Ni掺杂MgB2材料的超导性能，包括临界温度、电阻率和磁化等。
三、研究方法1.制备方法采用氧化物法制备MgB2和Ni掺杂MgB2超导材料。
首先在高温下将Mg、B混合粉末在氧气气氛中反应，制备出MgB2超导材料；然后将一定量的Ni粉末掺杂到MgB2中，制备出不同掺杂浓度的Ni掺杂MgB2材料。
2.表征方法采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）等表征手段，分析材料的晶体结构和相组成。
3.超导性能测试方法采用交流磁化和四探针法测试材料的超导性能，包括临界温度、电阻率和磁化等。
四、研究意义本研究对于了解MgB2的超导性质和掺杂机制有着重要的科学意义。
此外，本研究还可以为MgB2超导材料的应用提供技术支持和理论依据，促进其在能源、交通等领域的应用。
TiC和SiC掺杂MgB2超导体的对比研究
量分数 ）的 ＳＣ掺 杂 的 Ｍｇ ２ 导块材 ，并对 比分析 了 ｉ Ｂ超
这两种掺 杂物对 Ｍｇ ２ 导块 材的性 能影 响。所有样 品 Ｂ超 均在 流动 的 Ａ ｒ气保护 下在 不同退 火温度 下退 火，研 究
发现 ＴＣ掺 杂和 ＳＣ掺 杂的 Ｍｇ ２ 品 的最优 化工 艺参 ｉ ｉ Ｂ样 数分 别是 ９ ０ ０ ℃保 温 ｌ 和 ７ ０１保温 ｌ 。 ｈ ２＂ ２ ｈ 随后 采用 Ｘ Ｄ Ｒ
范围 。
的磁滞 回线并 由此计算 出线材 临界 电流密 度 五值 。
３ 结果 与讨论
图 ｌ ８ 质量分 数）ｉ 是 ％（ ＴＣ掺杂 的 Ｍｇ ２ 品在 ７ ０ Ｂ样 ５、 ８ ０ ８ ０ ９ ０和 ９ ０ ０、 ５、０ ５ ℃的退火温 度下保 温 ｌ 的 Ｘ Ｄ ｈ后 Ｒ 图 。 图中可 以看 出， 从 所有温 度下 都形成 了 Ｍｇ ２ Ｂ 主相 ，
维普ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ讯
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许
２０年增刊 （ ） ０７ ３ 卷 ８
ＴＣ和 ＳＣ掺 杂 Ｍｇ ２ ｉ ｉ Ｂ 超导体 的对 比研 究丰
张子立 ，索红莉 ，马 麟 １ 敏 ，刘 ，李亚明 １ ， 赵福祥 ２ ，梁小涛 ２ ，赵 跃 ，施 智祥 ２ ，周美玲
关键 词： ＳＣ掺杂 ，ＴＣ掺杂 ，Ｍｇ ２ ｉ ｉ Ｂ 超导 体 中图分类号 ： Ｔ ６ Ｍ２ 文献标 识码 ：Ａ 文 章编号 ： １０ ．７ １２ ０ ） ０ １ ３ （０ ７增刊一４ ４０ ９ ０ ８ ．４
２ 实
验
实验选 取 Ｍｇ粉 （ ９８ ９ ．％，３ ５目）与 Ｂ粉 （ ９８ ２ ９ ．％，
用 Ｓ Ｍ 对样 品断 口进 行形貌 分析 ；用 Ｐ ＭＳ测定样 品 Ｅ Ｐ
芘掺杂对MgB2薄膜超导性能的影响
文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１６)０２Ｇ０２０５５Ｇ０５芘掺杂对M g B２薄膜超导性能的影响∗张㊀松１,马军礼１,付㊀尧１,王㊀旭１,罗子江２,邓朝勇１(１．贵州大学大数据与信息工程学院,贵阳５５００２５;２．贵州财经大学教育管理学院,贵阳５５００２５)摘㊀要:㊀采用芘粉(C１６H１０)作为掺杂物,利用化学气相沉积法,制备了不同掺杂量的M g B２超导薄膜.通过X射线衍射仪㊁扫描电镜和综合物性测量系统对样品的晶体结构㊁表面形貌和超导电性进行了系统分析.结果显示,随着C１６H１０掺杂量的增加,晶格常数a逐渐变小,M g B２的晶粒逐渐细化.所有的掺杂样品都表现出比纯净样品更好的载流能力.当C１６H１０掺杂量达到０．２g时,M g B２薄膜的临界电流密度(J c)和不可逆场表现出最佳的性能.掺杂０．２g的样品在５K,３T的J c为１．１２ˑ１０４A/c m２,高于纯净样品J c一个数量级,说明了掺杂样品的磁通钉扎能力得到了显著的提高.关键词:㊀M g B２薄膜;掺杂;临界电流密度;磁通钉扎中图分类号:㊀T M２６;T N３０５．３文献标识码:A D O I:１０．３９６９/j．i s s n．１００１Ｇ９７３１．２０１６．０２．０１２０㊀引㊀言M g B２超导材料临界温度达到３９K,是目前已经发现的临界温度最高的简单二元金属化合物超导体.同时,M g B２具有相干长度大㊁不存在晶界弱连接以及制备成本低廉等优点,引起了研究人员的广泛关注[１Ｇ２].但是,纯净M g B２超导体由于缺乏有效的磁通钉扎中心,临界电流密度随着磁场的增加急速衰减,严重影响了其实际应用[３].化学掺杂可以增加M g B２超导体中的磁通钉扎中心,其中碳掺杂显著地提高了M g B２高场下的载流能力[４].但是,无机碳掺杂如S i C㊁C㊁C N T㊁B４C等掺杂源[５Ｇ９],由于其活性较低㊁分散程度差,很容易团聚在晶界处,降低了晶粒间的连接性.另外无机碳掺杂需要较高的热处理温度才能引入有效的钉扎中心,而过高的退火温度会使M g B２超导体分解.所以,有机物掺杂是目前的研究重点.它分解温度远低于M g B２的生成温度,分解出的高活性碳原子可以有效掺入M g B２晶格中替代硼原子,同时它也克服了掺杂过程中的团聚现象,使掺杂更均匀[１０].然而,通过对苹果酸(C４H６O５)㊁乙二酸(C６H１０O４)和蔗糖(C１２H２２O１１)等一些有机物的研究发现[１１Ｇ１３],含氧类有机物受热分解出H２O,降低了M g B２的超导性能,而芘(C１６H１０)不含氧元素,可有效解决生成H２O 的问题.同时,芘的熔点为１５０ħ,在常温下化学性质相对稳定[１４],所以芘更适合作为M g B２的掺杂剂.另外,目前的有机物掺杂研究集中在块材方面,而对于更适用于实际应用的薄膜方面几乎没有报道.因此,采用C１６H１０作为碳掺杂源,利用化学沉积法制备掺杂M g B２超导薄膜,研究了C１６H１０掺杂对M g B２薄膜微观结构及超导电性的影响,并对C１６H１０掺杂的作用机理进行了简单的分析讨论.１㊀实㊀验采用化学气相沉积法制备了掺杂C１６H１０的M g B２超导薄膜.首先将沉积室利用机械泵抽至１００P a左右,通入高纯N２冲洗１５m i n,通过调整沉积室进出气阀流速,使腔体气压升高至常压.当衬底温度加热至５５０ħ时,以１０m L/m i n的流速通入乙硼烷(B２H６) (纯度为９９．９９９％),通气时间为１０m i n,制备得到前驱硼膜.将硼膜放入充满A r气的手套箱中,与适量镁粒(纯度为９９．９９％)和C１６H１０粉末(纯度为９９．９９％)一起放入钽坩埚中密封.然后放入管式烧结炉中在７８０ħ保温２h,以制备掺杂M g B２超导薄膜.退火过程中保持真空状态,并以５L/m i n的速率通入N２作为保护气体.利用R i g a k u S m a r t L a b X射线衍射(X R D)对M g B２薄膜的晶体结构及相成分进行分析.使用H iＧt a c h i SＧ３４００N扫描电子显微镜(S E M)表征薄膜表面的形貌.M g B２的超导转变温度和磁滞回线分别通过标准四引线方法测量和Q u a n t u m D e s i g n综合物性测量系统(P P M S)来测试.其中,临界电流密度J c根据测得磁滞回线,由B e a n模型计算得出[１５].不可逆场(H i r r)的值定义为J c取１００A/c m２时所对应的磁场.样品的钉扎力(F p)为临界电流密度与相对应磁场的乘积.２㊀结果与讨论不同掺杂量M g B２薄膜的X R D图谱如图１所示.５５０２０张㊀松等:芘掺杂对M g B２薄膜超导性能的影响∗基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１４６２００３),贵州省国际科技合作计划资助项目(２０１３Ｇ７０１２)收到初稿日期:２０１５Ｇ０２Ｇ２７收到修改稿日期:２０１５Ｇ０６Ｇ２６通讯作者:邓朝勇,EＧm a i l:c y d e n g＠g z u．e d u．c n 作者简介:张㊀松㊀(１９８７－),男,河南安阳人,在读博士,师承邓朝勇教授,从事超导薄膜及器件研究.㊀㊀㊀图１㊀不同掺杂量M g B ２薄膜的X R D 图谱F i g １X R D p a t t e r n so fd i f f e r e n ta m o u n t so fC １６H １０d o p i n g M g B ２sa m p l e s ㊀㊀图１(a )除了衬底峰之外,可以看到多个M g B ２峰,分别为(１００)㊁(１０１)和(１１０)峰.由于选用的衬底为多晶A l ２O ３,在其上沉积的M g B ２薄膜也表现为多晶相.在X R D 图谱中,还可以得出样品中含有M g ㊁M gO 和M g A l ２O ４杂质.Mg 峰的存在是由于异位退火中,钽坩埚中含有过量的M g 蒸汽压,在薄膜降温的过程中,一部分M g 蒸汽沉积在薄膜表面,导致薄膜中含有了过量的M g .另外,A l ２O ３衬底在高温下与Mg 发生化学反应,生成了M g A l ２O ４杂质.而Mg O 峰仅在M g B ２纯样和掺杂０．１g C １６H １０的样品中显现出,在其余掺杂样品中没有M gO 峰的存在.这是由于钽坩埚是在机械泵连接的手套箱中密封的,钽坩埚中会有残余的O ２存在,导致了薄膜中含有M g O 杂质.而加入足量的C １６H １０后,C １６H １０中的碳原子与氢原子分别与钽坩埚中残余的O ２发生反应,生成了C O ２和H ２O ,从而抑制了M g O 的生成.图１(b )显示M g B ２(１００)和(１１０)的局部放大图,可以看出(１００)的峰位基本保持不变,(１１０)的峰位随着掺杂量的增加逐渐向右移动,说明了掺杂样品的晶格常数c 没有发生变化,而晶格常数a 则随掺杂量逐渐减小.这是由于C １６H １０分解后产生的碳原子进入了M g B ２晶格,替代了硼原子的位置.而碳的离子半径小于硼的离子半径,造成了硼层平面内晶格常数的改变[１２],具体数值显示在表１中.表１㊀不同掺杂量M g B ２薄膜的性能参数T a b l e １S u p e r c o n d u c t i n gp e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n t a m o u n t s o fC １６H １０d o p i n g M g B ２sa m p l e s C １６H １０L a t t i c e p a r a m e t e racA c t u a l x i n M g (B １－xC x )２T C/KΔT/KR R R Δρ/μΩ c m ００．３０８１６０．３５３２２０３５．５１２．８７．５０．１０．３０８０９０．３５２９１０．０１２４３７．５１１．８１１．３０．２０．３０７５４０．３５３１００．０２７６３８１．５１．７２３．２０．３０．３０７２７０．３５３４１０．０３０１３６．５２．５１．８３３．３㊀㊀通过对X R D 图谱的计算可以得出M g B ２的晶格常数.可以看出,随着掺杂量的增加,晶格常数a 从０．３０８１６n m 减小至０．３０７２７n m ,晶格常数c 基本在允许的误差内,几乎没有发生变化.M g B ２薄膜中碳原子的掺杂量可由M g (B １－x C x )２中的x 表示[１６]x ＝７．５ˑΔ(c /a )计算得出x 值随掺杂量的增加逐渐增大,０．１,０．２和０．３g 样品的碳原子替位率分别为１．２４％,２．７６％和３．０１％.说明了随着掺杂量的增大,更多的硼原子被碳原子替代,这与晶格常数a 逐渐变小是一致的.图２显示出不同掺杂量M g B ２薄膜的表面形貌.未掺杂的样品中晶体尺寸较大,晶粒大小不均匀且晶粒之间的间距较宽.随着掺杂量的增加,晶粒尺寸逐渐细化,晶粒分布也逐渐均匀,晶粒之间也更加紧密.从图１(b )M g B ２(１１０)峰的半波宽(F WHM )逐渐增大,也说明了M g B ２晶粒的细化现象.小尺寸的晶粒可以产生更多的晶界,进而提高M g B ２磁通钉扎能力.同时,均匀分布的晶粒也有助于改善晶粒间的耦合,提高临界电流密度[１７].㊀㊀在之前的研究中[１８],证明了有机物掺杂会在M g B ２中引入电子,造成空穴载流子浓度下降.同时,碳掺杂也会增加M g B ２中的散射,降低了超导能隙,继而使超导转变温度下降.这与表１的R R R 和Δρ的变化趋势是一致的.剩余电阻率系数R R R ＝ρ(３００K )ρ(４０K )通常用于表明薄膜中的散射程度.掺杂样品中的R R R 值小于纯净样品,说明了掺杂样品中含有更多的散射.而电阻率改变量Δρ＝ρ(３００K )－ρ(４０K ),则用于探讨M g B ２样品的晶粒连接性[１９].Δρ随C １６H １０掺杂量增加而增加,说明了M g B ２薄膜在０．３g C １６H １０掺杂量时,薄膜晶粒连接性更差,晶间散射更多.同时,R R R 和Δρ值也使M g B ２的电阻率随C １６H １０掺杂量的增加而增大,如图３所示.６５０２０２０１６年第２期(４７)卷图２㊀不同掺杂量M g B ２薄膜的SE M 照片F i g ２S E Mi m a g e s f o r t h e d o p e d a n du n d o p e d M g B ２sa m p l e s 图３㊀不同掺杂量M g B ２薄膜的RＧT 曲线F i g ３R e s i s t i v i t y v e r s u st e m pe r a t u r e p l o t s o ft h e d o p e d a n du n d o p e d M g B ２sa m p l e s ㊀㊀但是,随着C １６H １０掺杂量的增加,所制得的M g B ２薄膜的临界转变温度T C ,呈现先增加后减小的趋势,并在０．２g 掺杂量的情况下,T C 达到最高的３８K .如之前的X R D 图谱讨论中所述,M g B ２薄膜M g O 杂质的含量随掺杂量逐渐降低,而过量的M gO 会降低M g B ２的临界转变温度[２０].所以在０．１~０．２g 掺杂量之间,M g O 含量的减小对样品T C 的影响大于碳掺杂的影响,从而样品T C 呈现增加的趋势.当掺杂量达到０．３g 时,碳掺杂的对样品T C 的影响占主导地位,导致样品T C 大大降低.图４显示出不同掺杂量M g B ２样品的临界电流密度J C 在不同磁场强度下的变化曲线.在低场下,掺杂样品与纯净样品的J C 差别不大.但随着磁场强度增至２．５T ,５K 和１．２５T ,２０K 时,掺杂样品的J C 显著高于纯净样品.如在５K ,３T 时,纯净M g B ２样品的J c 为１．０４ˑ１０３A /c m ２,而掺杂０．２g 样品的J c 为１．１２ˑ１０４A /c m ２,高于纯净样品J c 一个数量级.掺杂M g B ２样品J c 对磁场增加而衰减的速度远小于纯样衰减的速度,在高场下表现出较好的载流性能.可以从两方面解释高场下J c 提高的原因:(１)由于掺杂C １６H １０后,碳原子进入M g B ２晶格替代硼原子,导致M g B ２晶格产生畸变,引起了M g B ２能带的变化,并增加了能带间的散射率,从而提高了M g B ２高场下的J c [２１Ｇ２２];(２)从样品的S E M 图的讨论中,掺杂的M g B ２样品产生了更多的晶界,具有更高的磁通钉扎能力,从而提高了临界电流.图４㊀不同掺杂量M g B ２薄膜的J c (H )曲线F i g ４J c (H )p l o t s f o r t h ed o p e da n du n d o p e d M g B ２s a m pl e s a t ５a n d ２０K ㊀㊀从图５可以看出,掺杂样品的不可逆场(H i r r )高于纯样样品.M g B ２样品的不可逆场(H i r r )反映了样品内相干长度的大小,并随着相干长度的减小而增加.而样品的相干长度与样品的平均自由程成正比关系,掺杂引起的晶格畸变以及晶格内散射的增加,导致了平均自由程的减小,进而增加了掺杂样品的H i r r .这从另外一方面说明了掺杂样品具有更好的载流性能.但当掺杂量＞０．２g 时,样品在高场下的性能出现下降趋势,说明过量的掺杂生成了过多的杂相,阻碍超导电流的通道,使超导载流性能下降[１３];另一方面,临界电７５０２０张㊀松等:芘掺杂对M g B ２薄膜超导性能的影响流密度除了由晶粒尺寸㊁晶界散射影响之外,晶格应变㊁晶粒的凝聚性和均一性也会改变M g B２的载流能力[２３],所以综合所有的影响因素,掺杂０．２g的M g B２样品具有最好的临界电流密度.图５㊀不同掺杂量M g B２薄膜在５和２０K下的不可逆场变化曲线F i g５V a r i a t i o n o f i r r e v e r s i b i l i t y f i e l d H i r r w i t hC１６H１０d o p i n g a m o u n t so f M g B２t h i nf i l m sa t５a n d２０K㊀㊀为了进一步研究掺杂样品钉扎机制,计算了样品钉扎力F p.图６为M g B２样品在５K时约化钉扎力(F p/F p m a x)随外场的变化曲线,F p m a x为样品的最大钉扎力.与纯样M g B２样品相比,掺杂样品的约化钉扎力曲线向高场方向平移,曲线也有了一定程度的展宽.这一结果说明了掺杂M g B２样品可以有效改善高场下的磁通钉扎性能,很好的证实了临界电流密度和不可逆场的分析结果.图６㊀不同掺杂样品在５K下的约化钉扎力(F p/F p m a x)与磁场强度的曲线F i g６V a r i a t i o no fr e d u c e df l u x p i n n i n g f o r c e(F p/F p m a x)w i t h m a g n e t i cf i e l df o rt h ed o p e da n du n d o p e d M g B２s a m p l e s a t５K３㊀结㊀论采用化学沉积法制备了不同C１６H１０掺杂量的M g B２薄膜样品.结果显示,随着C１６H１０掺杂量的增加,碳原子逐渐替代硼原子在晶格中的位置,引起晶格常数a的逐渐减小.从表面形貌上看,掺杂后M g B２薄膜的晶粒尺寸逐渐细化,晶粒分布也逐渐均匀,晶粒之间也更加紧密.同时,掺杂C１６H１０使M g B２晶格产生了畸变,增加了能带间的散射率,增强了晶界钉扎力,从而提高了薄膜高场下的临界电流密度和不可逆场.但过量掺杂C１６H１０会抑制M g B２薄膜样品的载流能力和磁通钉扎能力.综合测试结果,发现C１６H１０掺杂量为０．２g时,M g B２超导薄膜表现出最佳的性能.参考文献:[１]㊀N a g a m a t s u J,N a k a g w aN,M u r a n a k aT,e t a l．S u p e r c o nＧd u c t i v i t y a t３９K i n m a g ne s i u m d i b o r i d e[J]．N a t u r e,２００１,６８２４(４１０):６３Ｇ６４．[２]㊀Z h o uZ h a n g y u,Y a n g F a s h u n,W a n g S o n g,e t a l．P r e p aＧr a t i o n o f M g B２s u p e r c o n d u c t i n g t h i n f i l m s b y h y b r i d p h y s i cＧc h e m i s t r y v a p o rd e p o s i t i o n[J]．J o u r n a lo fF u n cＧt i o n a lM a t e r i a l s,２０１３,４４(６):８９３Ｇ８９６．[３]㊀L a r b a l e s t i e rDC,C o o l e y LD,R i k e lM O,e t a l．S t r o n g l y l i n k e d c u r r e n t f l o wi n p o l y c r y s t a l l i n e f o r m so f t h es u p e rＧc o nd u c t o rM g B２[J]．N a t u r e,２００１,４１０(６８２５):１８６Ｇ１８９．[４]㊀C he n g C H,Y a n g Y,M u n r o eP,e t a l．C o m p a r i s o nb eＧt w e e nn a n oＧd i a m o n da n dc a r b o nn a n o t u b ed o p i n g ef f e c t s o n c r i t i c a l c u r r e n td e n s i t y a n df l u x p i n n i ng i n M g B２[J]．S u p e r c o n d u c t o rS c i e n c ea n d T e ch n o l o g y,２００７,２０(３):２９６Ｇ３００．[５]㊀X u H o n g l i a n g,F e n g Y o n g,X uZ h e n g,e ta l．E f f e c to f S i Cd o p i n g o n t h e c r i t i c a l c u r r e n t d e n s i t y a n dm i c r o s t r u cＧt u r e o fM g B２/F ew i r e s[J]．J o u r n a l o f F u n c t i o n a lM a t e r iＧa l s,２００５,４６(７):１０２１Ｇ１０２３．[６]㊀D o uSX,S o l t a n i a nS,H o r v a t J,e t a l．E n h a n c e m e n to f t h ec r i t i c a l c u r r e n td e n s i t y a n df l u x p i n n i n g o fM g B２s uＧp e r c o n d u c t o rb y n a n o p a r t i c l e S i C d o p i n g[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２００２,８１(１８):３４１９Ｇ３４２１．[７]㊀M a Y,Z h a n g X,N i s h i j i m a G,e ta l．S i g n i f i c a n t l y e nＧh a n c e dc r i t i c a l c u r r e n t d e n s i t i e s i n M g B２t a p e sm a d eb y as c a l e a b l en a n o c a r b o na d d i t i o nr o u t e[J]．A p p l i e dP h y s i c s L e t t e r s,２００６,８８(７):０７２５０２．[８]㊀K i mJH,Y e o hW K,Q i nMJ,e t a l．E n h a n c e m e n t o f i nＧf i e l d J c i n Mg B２/F e w i r eu s i n g s i n g l eＧa n d m u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e s[J]．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s,２００６,８９(１２):１２２５１０．[９]㊀L e z z aP,S e n a t o r eC,F l u k i g e rR．D e t e r m i n a t i o no f t h e t e x t u r i n gg r a d i e n t i ne xs i t u M g B２/F e t a p e s e x a m i n e db yXＧr a y d i f f r a c t i o na n d i t se f f e c t so nt h e p i n n i n g f o r c e[J]．J o u r n a l o fA p p l i e dP h y s i c s,２００６,１００(１１):１１３９１３．[１０]㊀H o s s a i n M S A,K i m J H,W a n g X L,e ta l．E n h a n c eＧm e n to ff l u x p i n n i n g i na M g B２s u p e r c o n d u c t o rd o p e dw i t h t a r t a r i c a c i d[J]．S u p e r c o n d u c t o r S c i e n c e a n dT e c hＧn o l o g y,２００７,２０(１):１１２Ｇ１１６．[１１]㊀K i mJ H,D o uSX,H o s s a i n M S A,e t a l．S y s t e m a t i c s t u d y o f a M g B２＋C４H６O５s u p e r c o n d u c t o r p r e p a r e db yt h e c h e m i c a l s o l u t i o nr o u t e[J]．S u p e r c o n d u c t o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,２００７,２０(７):７１５Ｇ７１９[１２]㊀V a j p a y e eA,A w a n aVPS,B h a l l aGL,e t a l．S u p e r c o nＧd u c t i n gp r o pe r t i e s of a d i p i cＧa c i dＧd o p e db u l kMg B２s u p e rＧc o nd u c t o r[J]．S u pe r c o n d u c t o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,２００９,２２(１):０１５０１６．[１３]㊀Z h a n g Y,Z h o uS H,L uC,e t a l．T h ee f f e c t o f c a r b o nd o p i n g o n t he u p p e r c r i t i c a lf i e l d(H c２)a n d r e s i s t i v i t y o f８５０２０２０１６年第２期(４７)卷M g B ２b y u s i n g s u c r o s e (C １２H ２２O １１)ast h ec a r b o n s o u r c e [J ]．S u p e r c o n d u c t o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,２００９,２２(１):０１５０２５．[１４]㊀L eP a g eV ,K e h e ya n Y ,S n o w T P ,e ta l ．G a s p h a s e c h e m i s t r y o f p yr e n ea n dr e l a t e dc a t i o n s w i t h m o l e c u l e s a n da t o m s o f i n t e r s t e l l a r i n t e r e s t [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r Ｇn a lo f M a s s S p e c t r o m e t r y,１９９９,１８５/１８６/１８７:９４９Ｇ９５９．[１５]㊀B e a nC P ．M a g n e t i z a t i o no fh a r ds u pe r c o n d u c t o r s [J ]．P h y s i c a lR e v i e wL e t t e r s ,１９６２,８(６):２５０Ｇ２５３．[１６]㊀A v d e e v M ,J o r g e n s e nJD ,R i b e i r oR A ,e t a l ．C r ys t a l c h e m i s t r y o fc a r b o n Ｇs u b s t i t u t e d M g B ２[J ]．P h y s i c a C :S u p e r c o n d u c t i v i t y,２００３,３８７(３Ｇ４):３０１Ｇ３０６．[１７]㊀Y a m a d a lH ,H i r a k a w aM ,K u m a k u r aH ,e t a l ．E f f e c t o f a r o m a t i ch yd r o c a r b o na d d i t i o no n i ns i t u p o w de r Ｇi n Ｇt u b e p r o c e s s e d M g B ２ta p e s [J ]．S u p e r c o n d u c t o rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ,２００６,１９(２):１７５Ｇ１７７．[１８]㊀W i l k eR H T ,B u d ᶄk oSL ,C a n f i e l dPC ,e t a l ．S ys t e m Ｇa t i ce f f e c t s o fc a r b o n d o p i n g o n t h e s u p e r c o n d u c t i n gp r o p e r t i e so f M g (B １－x C x )２[J ]．P h y s i c a lR e v i e w L e t Ｇt e r s ,２００４,９２(２１):２１７００３．[１９]㊀J o h n M R o w e l l ．T h ew i d e l y v a r i a b l e r e s i s t i v i t y o fM g B ２s a m p l e s [J ]．S u p e r c o n d u c t o rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ,２００３,１６(６):１７Ｇ２７．[２０]㊀Z e n g R ,L uL ,W a n g JL ,e ta l ．S i g n i f i c a n t i m p r o v e Ｇm e n t i nt h ec r i t i c a l c u r r e n td e n s i t y o f i ns i t u M g B ２by e x c e s s M g a d d i t i o n [J ]．S u pe r c o n d u c t o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,２００７,２０(８):４３Ｇ４７．[２１]㊀E i s t e r e rM ,M u l l e rR ,S c h o p pl R ,e t a l ．U n i v e r s a l i n f l u Ｇe n c e o f d i s o r d e r o nM g B ２wi r e s [J ]．S u p e r c o n d u c t o r S c i Ｇe n c e a n dT e c h n o l o g y,２００７,１１７(２０):１１７Ｇ１２２．[２２]㊀Y a m a m o t oA ,S h i m o y a m aJ ,U e d aS ,e t a l ．U n i v e r s a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e nc r y s t a l l i n i t y a n d i r r e v e r s i b i l i t y fi e l d o fM g B ２[J ]．P h y s i c a lR e v i e w L e t t e r s ,２００５,８６(２１):２１２５０２．[２３]㊀K i mJH ,D o uSX ,H o s s a i n M SA ,e t a l ．T h e e f f e c t so f s i n t e r i n g t e m p e r a t u r eo ns u p e r c o n d u c t i v i t y i n M g B ２/F ew i r e s [J ]．S u p e r c o n d u c t o rS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ,２００７,２０(５):４４８Ｇ４５１．I n f l u e n c e o f C １６H １０d o p i n g o n s u p e r c o n d u c t i n g p r o p e r t i e s o fM gB ２t h i n f i l m s Z H A N GS o n g １,MAJ u n l i １,F U Y a o １,WA N G X u １,L U OZ i j i a n g ２,D E N GC h a o y o n g１(１．C o l l e g e o f B i g D a t a a n d I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,G u i z h o uU n i v e r s i t y ,G u i y a n g ５５００２５,C h i n a ;２．C o l l e g e o f E d u c a t i o n a n dM a n a g e m e n t ,G u i z h o uU n i v e r s i t y o f F i n a n c e a n dE c o n o m i c s ,G u i y a n g ５５００２５,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h i sw o r k ,p y r e n e (C １６H １０)w a s d o p e d i n t oM g B ２th i n f i l m s b y c h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o nm e t h o d ．T h e c r y s t a l s t r u c t u r e ,s u r f a c em o r p h o l o g y a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y o fM g B ２th i n f i l m sw e r e c h a r a c t e r i z e d b y X Ｇr a y d i f f r a c t i o n ,s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y a n d p h y s i c a l p r o p e r t y m e a s u r e m e n t s y s t e m．T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t a Ｇa x i s l a t t i c e p a r a m e t e r a n d g r a i ns i z eo fM g B ２d e c r e a s e dw i t ha n i n c r e a s i n g w e i g h to fC １６H １０do p i n g ．A l l t h e d o p e d s a m p l e s e x h i b i t h i g h e r s u p e r c o n d u c t i n gp e r f o r m a n c e t h a nu n Ｇd o p e ds a m p l e ．T h eh i g h e s t c r i t i c a l c u r r e n t d e n s i t y (J c )a n d i r r e v e r s i b i l i t y f i e l dw a s o b t a i n e dw h e nM g B ２t h i n f i l m s d o p e dw i t h ０．２g C １６H １０．T h e J c o f t h e ０．２g C １６H １０do p e d s a m p l e r e a c h e s １．１２ˑ１０４A /c m ２a t ５Ka n d３T ,w h i c hw a s a no r d e ro fm a g n i t u d eh i g h e r t h a nu n Ｇd o p e d s a m p l e ．T h e s e r e s u l t s s u g g e s t t h a tm a g n e t i c f l u x p i n n i n g o f t h eM gB ２th i n f i l m sw a s s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e db y C １６H １０do p i n g ．K e y w o r d s :M g B ２t h i n f i l m s ;d o p i n g ;c r i t i c a l c u r r e n t d e n s i t y ;m a g n e t i c f l u x p i n n i n g９５０２０张㊀松等:芘掺杂对M g B ２薄膜超导性能的影响。
MgB2超导材料掺杂研究进展
Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ
Ｍｇ Ｂ ２ ， ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ ， ｕ ｐ ｐ ｅ ｒ ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ；Ｓ ｉ Ｃ ｄ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ ， ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｃ ａ ｒ ｂ ｏ ｎ ｄ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ
Ｂ ｉ ［ ３ ３ 掺 杂在 略微 提升 Ｍｇ Ｂ 。 超导 转变 温度 的同时 也可 以降低 Ｍｇ Ｂ ｚ 成相 温度 ； Ｈ ｇ Ｏ ＿ ｌ ６ 能与 Ｍｇ 反 应生成 Ｍｇ Ｈ ｇ 合金， 即使
０ 引 言
早在 ２ Ｏ世 纪 ５ Ｏ年 代 Ｍｇ Ｂ 就 已经 投 入 商 用 ， ２ ０ ０ １年
Ａｋ ｉ ｍｉ ｔ ｓ ｕ发 现其 具有 ３ ９ Ｋ 的超 导转 变 温度 ， Ｍｇ Ｂ 的相 关研 究再 次 引发 了 科 研 工 作 者 的浓 厚 兴 趣 ＿ １ ］ 。Ｍｇ Ｂ 。具 有 Ａｌ Ｂ ２
关 键 词 Ｍ ｇ Ｂ ｚ 临界电流密度 上临界场 Ｓ ｉ Ｃ掺杂 有机物掺杂 文献标识码 ： Ａ 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ２ ６ ； ＴＨ１ ４ ２ ． ８
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｐｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ Ｄｏ ｐｉ ｎｇ ｉ ｎ Ｍｇ Ｂ２ Ｓ ｕ ｐｅ ｒ ｃ Ｏ ｎｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ
ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｉ ｔ ｓ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｌ ｏ ｓ ｓ ｉ ｎ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ， ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｒ ｅ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ｉ ｔ ｓ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｐ ｐｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｔｈ ｅ
MgB_2超导电性的发现及其特性
MgB2超导电性的发现及其特性学生姓名：高宁学号：20095040202单位：物理电子工程学院专业：物理学指导老师：刘慧职称：实验师摘要：本文介绍了超导发展的历史和最有可能首先实现大规模工业应用的超导材超导电性的发现，详细介绍了MgB2中的超导电性的特性和研究现状，MgB2料MgB2的发现实现了高温超导技术的实用化进程。
关键词：超导; 二硼化镁; 晶体结构; 研究现状The found and characteristics of MgB2’s superconductivity Abstract：This article introduces the development history of superconductor and the found of MgB2’s superconductivity, MgB2 is a superconducting material, which is most probably to be firstly realized in large-scale industrial application. This article also describes the feature and characteristics of MgB2. The found of MgB2 realizes the superconducting technique’s practical applications.Key words：Superconducting,MgB2, Crystal structure, Research status引言自从在铜氧化物中发现了高转变温度的超导体以后，新的高温超导的研发引起了人们极大的兴趣，MgB2超导体以其39K的高转变点打破了Bardeen-Cooper-Schriefler 的理论预言[1]，为研究超导的微观机理提供了一种新型的材料。
新型超导体MgB_2超导电性及制备技术进展
新型超导体M gB 2超导电性及制备技术进展*夏庆林1)**易健宏1),2) 李丽娅1) 叶途明1) 杜鹃1) 彭元东1)1)(中南大学粉末冶金国家重点实验室中南大学物理科学与技术学院,长沙410083)2)(牛津大学材料系,牛津QXI 3PH)摘 要: 文章简单介绍了新型超导体M gB 2的基本超导电性,综述了M gB 2块材(多晶)、线材、带材的主要制备技术,对M gB 2超导材料的应用前景进行了展望,并指明了下一步研究工作的方向。
关键词:M g B 2;超导电性;制备技术Superconductivity and progress in preparation technologyof novel superconductor MgB 2Xia Qinglin 1),Yi Jianhong 1),2),Li Liya 1),Ye Tuming 1),Du Juan 1),Peng Yuandong 1)1)(State Key L aboratory for Power M etallurg y and Schoo l of Physics Science andT echnology,Centr al South U niversity,Changsha 410083,China)2)(Depar tment of M aterials,Ox ford U niversit y,Par ks Road,Ox ford Q XI 3PH,U K)Abstract:After simply introducing the basic superconductiv ity of novel superconductor M gB 2,the main pr epar atio n techniques of bulk (poly cr ystal),w ire,tape of M gB 2w ere outlined T he application of this novel super conductive mater ial is promising and the research directio n on M gB 2is pointed out Key words:M gB 2;superconductivity ;pr epar atio n technology*湖南省自然科学基金资助项目(编号02JJY 2079)**夏庆林(1973-),男,博士研究生,主要从事新型功能材料的研究。
MgB2超导体含碳掺杂研究进展
MgB2超导体含碳掺杂研究进展
MgB2超导体含碳掺杂研究进展
MgB2超导体具有临界转变温度39 K、原材料廉价及制备工艺简单等优点,被认为是MRI中已用超导体最好的替代者.但是临界电流密度(Jc)随外加磁场增大下降较快的这一问题极大的阻碍了其实际中的应用.实验结果表明:采取掺杂的方法来提高MgB2的超导电性尤其是高场下Jc值是一条有效的途径,本文概述了用单质碳和含碳化合物对MgB2超导体进行掺杂从而提高其超导特性的最新研究工作,具体介绍了掺杂物颗粒大小、掺杂量以及烧结温度等参数对MgB2超导电性的影响.研究表明:在碳单质掺杂中纳米级碳颗粒和碳纳米管具有比较好的掺杂性能,可以大幅度提高高场下的Jc值;在含碳化合物中,用纳米级SiC进行掺杂不仅可以大幅度提高高场下的Jc值,而且相比碳单质有更高的Tc值.根据目前的研究结果,最后本文对MgB2超导体掺杂研究的未来发展趋势进行了展望.
作者：张子立索红莉马麟高培阔王朝刘敏曹玲柱赵跃李亚明周美玲ZHANG Zi-li SUO Hong-li MA Lin CAO Pei-kuo WANG Zhao LIU Min CAO Ling-zhu ZHAO Yue LI Ya-ming ZHOU Mei-ling 作者单位：北京工业大学材料学院,国家教育部功能材料重点实验室,北京,100022 刊名：低温物理学报ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LOW TEMPERATURE PHYSICS 年，卷(期)：2008 30(3) 分类号：O51 关键词：MsB2超导体临界电流密度Jc 含碳掺杂。
一种新发现的二元金属化合物超导体_MgB_2
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世界
有 色 金 属
!"#$% &’&()**’+, -)./$,
!"#$%&’()*+,-./011 1IJ4!
&’() 年 初 ! 中 国 科 学 院 物 理 所 宣 布 获 得 了 *+,-.,/0,1 超导材料 ! 起始转变温度 #(234 & &’() 年 ! 月 ! 美 国 朱 经 武 小 组 宣 布 制 成 了 78+!/091):;! 在 (%4 到 ’94 温 区 内 获 得 了 稳 定 的
5#6
8M!-.!/+/0!1( 称 为 8M :!!$! 相 ! HQ >(#4 & 8M!-.!/+!/091$% 称为 8M:!!!9 相 ! HQ>$%R 4% 几 乎 在 同 时 ! 美 国 S.T+LU+U 大 学 宣 布 发 现 了 又一个新的 H$:8+:/+:/0备的无源微波器件受到广
泛重 视 ! 发 展 很 快 % 作 为 超 导 弱 电 应 用 的 另 一 个 重 要 部 分 ! 就 是 超 导 量 子 干 涉 器 ! 英 文 名 称 -0!
WK.QGLA0QXMLV Y0+LX0B MLXK.ZK.KLQK AK[MQKU 简 写 为 -\]^D % 它具有极为优良的磁场灵敏度 ! 可以探测
经过世纪3年代末高温超导研究开发的热潮之后有关超导的工作似乎进入了较为平稳的发展阶段对于一项重大的科学研究这也是符合客观规律的摆在人们面前的迫切而严肃的任务是既要加强对超导机制和理论的深入研究以求对超导实验和应用做出有力和正确的指导又要在超导机制和理论尚不完善的情况下积极推进实践中的探索以促进理论的发展和完善当前科学技术是第一生产力的认识已深入人心特别是随着我国经济和社会的迅速发展运行的矛盾尖锐急速增长的工业用电和民用电对电网规模和容量电网稳定性可靠性安全性都提出了更高要求尤其是我国电力资源与负荷分布的矛盾更使这一问题日益突这些都给超导技术的研究和应用既带来了巨大的压力也带来了巨大的动力加强超导科学技术的研究对我们国家的建设和发展有着现实的和长远的意义市场前景随着材料科学的发展近年来功能复合陶瓷备受关注稀土掺杂在功能复合陶瓷的开发研究方面也取得了较大进展浙江大学陈昂等采用常规功能陶瓷的制备方法将稀土超导陶瓷复合获得了铁电性与超导性共存的系复合功能陶瓷其电导特征符合三维导电行为并当含量较高时呈超导性华中理工大学系复合功能陶瓷可用作磁流体电机的电极材料和气敏材料而在陶瓷中新化合物278电相决定着陶瓷的主要性质西安交通大学的邹秦等通过用稀土离子并进行热扩散的工序不但降低了烧结温度化了生产工艺而且制得的陶瓷材料致密度高艺性能良好并保持了电阻率低量级非线性高
高压合成MgB_2超导体单晶的研究现状
２ ． 导体 的应用 ３超 １５ ９ ７年 Ｊ ｂ ｒｅｎＬＮｃｏｅ 和 Ｊ ． ｈｉｆｒ 人建立 ． ａｄｅ ，．． ｐｒ Ｂ ｏ ． Ｓ ｒｆ 等 Ｒ ｃ ｅｅ
技术 ， Ｂ 在 Ｎ坩埚 中合成 Ｍｇ ： Ｂ 超导样 品 ， ． ａａ ｏ Ｙ Ｔ ｋｎ 等人采用 高压技术 ， Ｂ 在 Ｎ坩 埚中制备 出 Ｍｇ Ｂ 块材样 品． 这两个 研究
题． 其后几年 中 ， 陆续发表了不少关于 高压 合成 Ｍｇ 晶体 Ｂ单 的研究结果． 因此 ， 总结 分析 目前高压合成 Ｍｇ Ｂ 单晶体研究
现状 ， 将有利于 Ｍｇ ： Ｂ 样品制备工艺 的改进．
２ Ｍｇ 导 体 的 主 要 特性 和应 用 ． Ｂ超 ２１ 电 阻效 应 ．零 我 们 知 道 金 属 产 生 电阻 的 来 源 有 两 个 ：一 是 金 属 原 子 的
内磁感应强度 恒等于零 ， 这种 现象称为完 全抗磁性 ， 又称 为
在 Ｍｇ 导材 料样 品的制备工艺研究方面 ，人 们已经 Ｂ超
提出了多种制备 Ｍｇ Ｂ 样品的工艺方案 ，如常压多次烧结反
迈斯 纳效应 ， 是超 导体 的第二个基本特征． 迈斯纳效应表 明超 导体 与理 想导体相 比，虽然 二者都具 有电阻等于零 的特性 ， 但是 ， 二者具有完全不 同的磁性质． 这一特征使人们认识到超
结构 、 Ｂ 超导材料样 品的制备工艺及成相过程 、 Ｂ 超导 Ｍｇ Ｍｇ 材料 的实用化等方面开展了大量 的研究工作．这些研究成果
已基 本 形 成 Ｍｇ 导 材 料 的 基础 理论 框 架 ． Ｂ超
态 ， 体 内的磁 力线 同时被全 部排 出体外 ， 其 而且若对超 导体 施 加外磁场 （ 时 ， ≤Ｈ ） 其体 内亦没有磁 力线穿 过 ， 即超 导体
掺杂对MgB2超导性能的影响
流 密 度 等 性 质 进 行 了研 究 。Ｐ ＭＳ物 性 测 量 系 统 ） 样 品 的 超 导 性 质 进 行 了 测 试 ， 果 表 明 ， 着 烧 结 温 度 的 提 高 ， Ｐ （ 对 结 随 Ｍ Ｂ 块材 在高场区的临界电流密度 反而 减小 ； 杂 Ｓ ｇ２ 掺 ｉ Ｃ纳 米 晶须 可 以 改 善 样 品 的 微 结 构 ， 提 高 临 界 电 流 密 度 ， 并 在 ９０Ｃ 得 了 最 高 的 Ｊ ０ ０ ￣获 ｃ １ 电流 密 度 ）在 ２ 零 场 值 为 ３ ￣Ａ ｃ ￣界 ， ＯＫ ×Ｉ ／ ｍ 。 关 键 词 二 硼化 镁 超 导 临 界 电 流 密 度
ｌ ｔ ｆ ｃ ｎ Ｔ ．Ｔ ｅ Ｊ ｅ ｒ ａ ｅ ｔ ｈ ｇ ｇ ｅｉ ｆ ｌ ｉ ｈ ｉ ｔｒ ｇ ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｎ ｒａ ｅ ．Ｔ ｅ ｏ ｔ ｚ ｄ ｍｉ ｉ ｌ ｅｆ ｔｏ ｃ ｈ ｃ ｄ ｃｅ ｄ ａ ｉｈ ｍａ ｎ ｔ ｅｄ ｗ ｔ ｔ ｅ ｓｎ ｅｉ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｉｃ ｅ ｓ ｈ ｐ ｉ ｅ ． ｔｅ ｅ ｓ ｃｉ ｈ ｎ ｓ ｍｉ
气 的保 护 下进行 高 温烧 结 。慢 升 温 方 法 的升 温速 率 为 １ ０／ ｎ 快 升 温 方法 的升 温 速率 为 ５０～９０ ： ０Ｉ ｍ ， ＝ｉ ０ ０ ％／
ｉ 。烧 结时 间为 １ ｉ 一３ｈ ｍｎ ０ｍ ｎ 。
１ ％的稀 硫酸 里 １ｈ 用 超声 波 在 蒸 馏 水 里 进 行表 面 ０ ， 清洗 。蒸 馏 水 中再 浸 泡 １ ｉ， 在 干 燥 箱 进 行 干 ０ｍｎ 放 燥 。硼 粉 （０ ５０目 ， ７ 和 镁 粉 （ ０目， ９ 按 ＞９ ％） ８ ＞９ ％） 照 Ｍｇ． ２比例混 和 ， 暂研 磨 后 （ 止镁 的氧 化 ） ．Ｂ ． 短 防 装
Mg扩散法研究MgB4的添加对MgB2块材微观结构的影响
174Mg 扩散法研究MgB 4的添加对MgB 2块材微观结构的影响李磊1，张红1，赵勇1，2，张勇2（1．西南交通大学磁浮列车与磁浮技术重点实验室，超导与新能源研究开发中心，四川成都610031；2．西南交通大学物理与技术学院，四川成都610031）［摘要］将B 粉和MgB 4粉分别按照（1－4x ）：x ，（x =0，1%，2%，5%，10%和20%）的摩尔比配比，通过Mg 扩散法在700ħ下加热5h得到高质量的MgB 2块材。
系统地研究了不同的MgB 4添加量对MgB 2块材微观结构的影响。
MgB 4添加可以细化MgB 2样品中的晶粒，当x =5和120时，晶粒尺寸减小到1 2μm 。
试验结果表明，在Mg 扩散法中添加一定量的MgB 4可以制备出优异性能的MgB 2块材。
［关键词］MgB 2；MgB 4；扩散法；微观结构［中图分类号］O511［文献标识码］A［文章编号］1001－1560（2016）增刊1－0174－03［收稿日期］20161017［基金项目］中央高校基本科研业务费理工类科创新项目（A0920502051619-75）；国家自然科学基金（51377138，51271155）；国家科技计划项目（2013DFA51050，2013GB114003-1，2014AA032701）［通信作者］李磊（1992－），硕士，从事MgB 2的制备技术研究。
0前言在1986年发现高温超导后，其被公认为最有潜力应用于电工电子的超导材料［1］，但是由于高温超导体机械性能差，加工难度高，成本昂贵，晶界弱连接等弊端尚未得到大规模的应用。
MgB 2超导电性［2，3］的发现无疑又给了人们希望，制备工艺简单，原材料成本低廉，较大的相干长度都是其无可比拟的优点。
目前MgB 2已成功应用在核磁共振仪（MＲI ），并在电力、电子器件以及国防等方面具有广阔的应用前景［4，5］。
如今，MgB 2的制备技术是大规模应用的关键。
掺杂物对MgB2超导电性能影响的研究进展
维普资讯
低温与超导 第３ ４卷 第 ２期
超 导技 术
Ｓ ｐ ｒ０ ｄ ｃｉｉ ｕ ｅｃ ｎ ｕ ｔ ｔ Ｖｙ
Ｃ ｙ ． Ｓ ｐ ｒｏ ． ｒ ｏ ＆ ｕ ｅ ｎ ｃ Ｖ０ ． ４ Ｎｏ ２ １３ ．
掺 杂 物对 Ｍｇ ２超 导 电性 能 影 响 的研 究 进 展 Ｂ
的超导转变温度是迄今为止简单金属间化合物中最高的 ， 这引起了人们极大 的兴趣 。研究发现 ： ｇ 以声 ＭＢ 是
子为媒介的 Ｂ Ｓ Ｃ 超导体 ， 它的相干长度为 ５ｍ， ｎ 与高温超导材料相 比， 它不存在弱连接＿ ， ２ 即大角度晶界也可 】
以使电流通过 ， 因此我们可以制备具有高电流密度的 Ｍ Ｂ 超导线带材 ； ｇ： 与低温超导材料相 比， 它的临界转变 温度可以利用制冷技术达到， 而不必使用昂贵的液氦 ， 这样在核磁共振成像、 粒子加速器、 变压器等应用方面可 以代替 Ｎ ，ｎ ｂｓ 传统的低温超导体 ， 并可大大降低成本 ； 但是 Ｍ Ｂ ｇ 的磁通钉扎性较差 ， 不可逆磁场（ ｊ 和上临 日 ） 界磁场（ ） 较低 ， 限制了其更广泛的应用。
Ｈｉ ｅ ｆｒ ｎ ｃ ｘ ｅ ｔＣ ．Ａｍｏ ｇ ａ ｅｄ ｐｎ ｔｄ ｅ Ｏ ｆｒ ｎ ｏＳ Ｃ ｄ ｐ ｎ ｈ ｗ ｄ ｔｅ ｍｏ ｔ ｉ ｎｆ ａ ｔａ ｄ ｒ ｐ ｏ ｕ ｉ ｌ ｎ ａ ｃ － ｒ ｐ ｒ ｍａ ｅ ｅ ｃ ｐ ｕ ｒ ｏ ｎ ｌ ｔ ｏ ｉ ｇｓｕ ｉ ｄ Ｓ ， ａ ｉ ｏ ｉｇ ｓ ｏ ｅ ａ ｇ ｉ ｃ ｒ ｄ ｃ ｂｅ ｅ ｈ ｌｈ ａ ｎ ｈ ｓ ｉｎ ｎ ｅ ｎ ｅ
二硼化镁超导体掺杂效应的理论研究的开题报告
二硼化镁超导体掺杂效应的理论研究的开题报告一、研究背景和意义：超导体是一类可以在低温下实现零电阻的材料，发现于1911年，这是科学史上的一大里程碑。
从发现初期的汞(BeHg)，到后来的Nb、Mo、Pb、MgB2，超导体在材料研究中起到了非常重要的作用，具有非常高的理论和应用价值，尤其在电力、计算机通信、能源和军事等领域有着巨大的应用前景。
因此，超导体的研究一直是材料科学研究的热点之一。
二、研究内容：本课题主要研究了二硼化镁(MgB2)超导体的掺杂效应。
掺杂是通过向超导体中添加一定量的掺杂剂来改变其电子结构和化学性质，从而改善其超导性能的方法。
本研究将采用第一性原理计算方法，通过密度泛函理论(DFT)和Monte Carlo模拟等方法，探究不同掺杂情况下，二硼化镁(MgB2)超导体的基态结构、超导性能、磁化等性质的演化规律和机理，并分析其对材料电子结构和超导性质的影响，以期为二硼化镁超导体掺杂过程提供一定的理论指导和支持。
三、主要研究内容：1. 通过第一性原理计算方法，对二硼化镁(MgB2)超导体的基态结构和电学性质进行计算和分析。
2. 采用Monte Carlo模拟等方法，探究不同掺杂情况下，二硼化镁(MgB2)的超导性能、磁化等性质的演化规律和机理。
3. 分析二硼化镁超导体掺杂过程中电子结构和超导性质的变化规律和机理，为掺杂过程提供理论指导和支持。
四、研究方法和技术路线：本研究将采用第一性原理计算方法，包括密度泛函理论(DFT)、Monte Carlo模拟等方法，探究二硼化镁超导体的掺杂效应。
具体研究流程如下：1. 收集二硼化镁超导体的实验数据和文献资料，对其基本物理性质进行分析和总结。
2. 利用VASP软件对二硼化镁超导体的基态结构和电学性质进行计算和分析，包括晶格结构、电子密度、能带结构、态密度、电子态的对数导数等性质。
3. 通过Monte Carlo模拟等方法，探究不同掺杂情况下，二硼化镁(MgB2)的超导性能、磁化等性质的演化规律和机理。
分步反应法制备SiC掺杂MgB2超导线材的研究
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分 步反应 法制备 ＳＣ掺 杂 Ｍｇ ａ 导 线材 的研 究分 步 反 应 法 制备 ＳＣ掺 杂 Ｍｇ ２ 导 线 材 的 研 究 ｉ Ｂ 超
单 迪 ， 熊晓梅 刘 国庆 焦 高峰 闫 果 周 廉Ｌ ， ， ， ，
（ 西 北 工 业 大 学 凝 固 技 术 国家 重 点 实 验 室 ， 安 ７０ ７ ； 西 北 有 色金 属 研 究 院 ， 安 ７０ １ ） １ 西 １０２２ 西 １ ０ ６ 摘 要 以干 燥 的 Ｂ粉 和 Ｍｇ粉 为 原 料 ， 用 分 步 反 应 法 制 备 了 ＳＣ（ Ｏ ４ 掺 杂 的 Ｍｇ ｅ ＮｂＣｕ超 导 线 采 ｉ ４ ～ ５ ｍ） Ｂ／ ／
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紧束缚近似解释mgb2超导电性
紧束缚近似解释mgb2超导电性在温度T＜1 ℃的范围内， Nb固体样品是一个准晶体。
对于各种样品，当温度在1～5 ℃范围内，按照布里渊区边界条件从紧束缚近似过渡到经典解析时，晶格振动能量的数值按照式(1)～式(5)计算。
在此范围内，如果选择合适的合金成分、掺杂和制样方法，就可以把化学计量化合物分解为纯物质，如果这种混合样品的分子数大于2Nb，则Nb样品能够超导电性。
不过由于合金成分不同，对于某些元素合金的最佳配比，可以通过试验求得。
对于组成同一个Nb的不同相，如Ba3Nb和TiNb，对于化学计量化合物，其组成和配比将会不同。
所有这些因素都会影响到超导电性的强弱。
在M＝100和k＜1， K＜1 ℃范围内，计算出的结果对于绝大多数化学计量化合物都满足。
只要合金成分和超导元素在纯度高于85%的超导临界点以上时，所有晶格能量小于0·5电子伏特·米的相间界面附近能发生多重位错。
用式(1)来处理这种问题，当温度降低时，温度梯度产生晶格位错，每一个晶格位错将吸收或放出能量。
对于超导物质的超导性来说，一个单独晶格位错应该与温度梯度无关。
从而我们可以把式(1)简化为：式中uNb＝P0·Eε+mNb·Pm， p和E分别是相邻晶格和相间界面上的界面能， m和P分别是原子间距和化学计量比。
2t(0)nb(100)0 K(0)t(0)nb(100)0 Δ~Ag1T(0)t(0)nb(100)0 0·Δ~Ag1=0·在临界温度上，根据式(1)可知，相邻晶格位错的能量正好是不平衡状态中系统能量的一半。
在这种情况下，每一个晶格位错应吸收或放出能量。
由于每一个晶格位错只吸收或放出能量一半，所以整个系统的总能量是不平衡的。
相邻晶格位错应放出一半的能量，使得相邻界面附近能够达到稳定的热力学平衡。
当温度在T＜1 ℃的范围内，对所有Nb样品取相同的样品分解，发现随着温度的升高，有超过50%的原子成为自由原子。
Zn杂化对MgB2电子结构及超导转变温度的影响
Zn杂化对MgB2电子结构及超导转变温度的影响*李燕峰1）2）+徐慧1）宋招权2）夏庆林1）程仕平2）1）（中南大学物理学院，长沙410083）2）（中南大学材料学院，长沙410083）摘要：建立了6个不同Zn掺杂含量的MgB2模型Mg1-x Zn x B2 (x=0, 1/16,1/12, 1/8, 1/6)，对模型进行了参数优化，分析了掺杂对几何构型的影响。
计算了纯MgB2和x=1/6, 1/8,1/12掺杂模型的能带结构和态密度，对得到的结果进行了分析和处理，并指出了Zn掺杂MgB2超导临界转变温度Tc变化的大致规律。
根据强耦合BCS理论的Mc－Millan公式，推导了第一性原理计算公式，计算了Zn掺杂MgB2的超导临界转变温度Tc。
关键词：Zn掺杂，第一性原理，电子结构，超导温度1．引言自从日本的秋光纯[1]发现超导转变温度大约为39K的金属化合物超导体——二硼化镁后，打破了原有人们的假设[2]，人们注意力转向寻找高临界温度Tc（液氮温区）超导体，引发了金属间化合物超导体研究的高潮[3—5]。
而MgB2的掺杂研究则更是成为了热点。
J. S. Slausky等[6]最先对MgB2材料进行了掺杂研究，研究了Al元素的掺杂对MgB2超导电性的影响，实验结果表明其丧失了超导性能。
M.Paranhaman等[7]所做的C原子掺杂也获得了同样的结果。
王克勤等[8]研究了在MgB2中掺杂Ag,结果发现Mg1-x Ag x B2 (x=0，0.1，0.2，0.3)中的Ag也是破坏MgB2超导性的，随着掺杂量x的增加其零电阻温度下降，当Ag的掺杂量x=0.3时，超导电性消失。
郭建栋等[9]采用Au掺杂Mg1-x Au x B2,成功地获得了Tc达36K的Mg0.854Au0.146B2超导体。
刘志斌等人[10]对不同掺Au量的MgB2的 X射线衍射图分析，提出名义组分为Mg1-x Au x B2 (x=1/16,2/16,0.146)系列样品都不是单项化合物，而是含有AuMg, MgB2，MgO等化合物的多相混合物，同时提出样品的超导电性主要由MgB2相决定。
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元素掺杂对MgB_2晶体结构和超导电性影响的研究具有六方晶体结构的金属间化合物二硼化镁MgB<sub>2</sub>（magnesium diboride）在温度接近绝对温度40K（-233℃）时发生超导转变,成为一类新的超导体。
迄今为止,有关二硼化镁的基础研究和应用开发方面都取得了很大的进展。
在基础研究方面,人们不仅对二硼化镁超导体的基本性能有了较为清楚的了解,同时对其超导机理和特性也有了较为深入的认识,从而为开发二硼化镁超导体的实际应用奠定了重要的基础。
在实际应用方面,基于二硼化镁超导材料的实用线材已经商品化,相关的强电应用也有了显著的发展,开发出了包括电动机、磁体、等多种应用形式和器件。
总之,二硼化镁超导体的发现和相关研究极大地推动了超导领域的发展和进步。
然而,与已经发现的其他超导体一样,二硼化镁超导体在一定程度上也还存在着令人们困惑的基础理论问题、在实际应用中不尽人意的性能短板、以及批量制备中的技术难点,等等。
这些问题的解决都依赖于科技工作者们在前人的基础上进行更为深入细致的探索研究和更为精细的深度开发。
本论文就是在这样一个背景下,本着超导研究工作者的责任感和使命感,选取有关二硼化镁超导材料中迫切需要解决的应用基础问题来开展研究,力争在深化洞察二硼化镁超导体的相关物理机理、推进二硼化镁超导材料制备技术方面做出自己的贡献。
在第三章,本文研究了第三主族元素Al和In在MgB<sub>2</sub>中的掺杂作用。
首先通过优化的制备方法制备了Mg<sub>1-x</sub>Al<sub>x</sub>B<sub>2</sub>、Mg<sub>1-x</sub>In<sub>x</sub>B<sub>2</sub>、和Mg<sub>1-x</sub>(Al<sub>0.5</sub>Li<sub>0.5</sub>)<sub>x</sub>B<sub>2 </sub>三个系列样品,获得了纯度高、均匀性好的掺杂样品,为后续的结构表征、物性测量奠定了良好的基础。
利用XRD对样品的物相结构和晶体结构进行了表征。
获得有关物相结构、晶体结构的信息,利用直流磁化强度测量研究了这三个系列样品的超导转变温度随掺杂量的改变。
在Al掺杂的系统中观察到Al掺杂导致的显著的晶体结构收缩和超导临界温度抑制现象;在In掺杂的体系中观察到轻度的c轴伸展和晶胞体积膨胀现象,同时超导临界温度出现轻度的抑制。
建立了化学掺杂的概念和表征方法,并结合McMillan关于BCS强耦合超导体的T<sub>c</sub>理论以及MgB<sub>2</sub>的双能带模型进行了理论分析,发现化学压力效应对T<sub>c</sub>的抑制起着重要的作用。
此外,还发现Al和In的掺杂效应造成的T<sub>c</sub>抑制可以用能带填充效应和化学压力效应的共同作用予以解释。
为了检验化学压力模型的有效性,进一步研究了Al和Li共掺杂,发现Li的空穴掺杂与Al的电子掺杂在一定程度上可以相互平衡,导致Al掺杂引起的T<sub>c</sub>抑制效应在一定程度上被抵消或弱化。
然而由于Li主要作用在?能带而Al主要作用在?能带,使得两种掺杂的平衡作用受到限制。
Al和Li共掺杂对T<sub>c</sub>的抑制主要来源于化学压力效应,同时未被平衡或抵消掉的能带填充效应占据次要地位。
在第四章,本文研究了非磁性过渡金属元素掺杂对MgB<sub>2</sub>的晶体结构、电子结构和超导电性的影响,并与Al掺杂的结果进行了比对。
首先,通过液-固相反应法制备了Mg<sub>1-x</sub>Ag<sub>x</sub>B<sub>2</sub>系列样品,获得了高纯度和均匀性的掺杂样品是研究掺杂效应最为关键的一步。
在此基础上,利用XRD表征、磁性测量等手段研究了Ag掺杂系列样品的结构和超导性质。
研究结果表明,Ag在MgB<sub>2</sub>中掺杂导致MgB<sub>2</sub>的晶体结构发生收缩,收缩的程度与Al掺杂相近,但其在a轴方向的化学压力系数绝对值大于Al掺杂的相应值,而在c轴方向上的化学压力值小于Al掺杂的相应值。
对超导电性的抑制速率比Al更大。
Ag作为非磁性过渡金属表现出来的反常效应可以根据过渡金属的特性予以理解。
直流磁化强度测量结果表明,Ag掺杂导致MgB<sub>2</sub>的临界温度系统地下降。
利用BCS强耦合理论以及电子能带填充模型和化学压力效应,我们分析研究了Ag掺杂对MgB<sub>2</sub>超导临界温度的抑制作用的产生机理,理论分析的结果与实验符合的较好。
在研究和比较非磁性过渡金属Ag掺杂导致的晶体结构变化与Al掺杂效应的结果之后,我们发现了一些反常的特征。
进一步就Al、In和Ag掺杂对晶体结构影响的比较,并针对具有AlB<sub>2</sub>型二硼化物晶体结构这类化合物晶体结构变化的规律和特点,本文构建了在MgB<sub>2</sub>中“掺杂原子的畸变模型”。
这个模型基于B-B键的强共价特性而提出了由B原子组成的类石墨层具有准刚性的假设,同时根据能量最小原理假设了原子畸变过程中保持体积不变的要求。
利用这个模型我们不仅很好地解释了本研究所观测到的实验现象,同时还可以更好地理解其他不同元素在MgB<sub>2</sub>中掺杂后导致的晶体结构畸变和超导电性改变,为MgB<sub>2</sub>超导材料后续的优化设计和掺杂改性提供依据、启迪思路。
在第五章,本文研究了3d磁性过渡金属元素掺杂对MgB<sub>2</sub>的晶体结构、电子结构和超导电性的影响,并与Al掺杂的结果进行了比对。
本章首先通过两步固相反应法加高能球磨制备了Cr掺杂的MgB<sub>2</sub>系列样品,并利用x-射线衍射技术研究了其物相结构和晶体结构随掺杂量的变化;利用超导量子干涉仪磁强计测量了样品的直流磁化强度随温度的变化曲线。
研究结果表明,Cr在MgB<sub>2</sub>中掺杂导致MgB<sub>2</sub>的晶体结构发生剧烈的收缩效应,收缩的程度远远超过了Ag和Al掺杂所导致的后果。
Cr掺杂导致MgB<sub>2</sub>的T<sub>c</sub>发生非常显著的降低,利用能带填充理论和化学压力效应计算所得的T<sub>c</sub>抑制速率远远低于实验观测值,且T<sub>c</sub>随掺杂浓度增加发生突然淬灭的现象也不能用常规的能带填充和化学压力效应解释。
除了Cr掺杂以外,Fe掺杂和Mn掺杂也表现出类似的行为。
通过与Abrikosov-Gor’kov的磁性杂质拆对理论的比较和拟合,发现3d磁性过渡金属掺杂是一种典型的磁性杂质拆对效应,表明MgB<sub>2</sub>属于BCS强耦合超导体,其电子配对为s波配对。
在第六章,本文为了揭示3d磁性过渡金属在MgB<sub>2</sub>中的独特行为,特地制备了Ba<sub>2</sub>Ti<sub>2</sub>(Fe<sub>1-x</sub>Cr<sub>x</sub>)<sub>2</s ub>As<sub>4</sub>O这一Cr掺杂的铁基超导体进行比较研究,从而可以进一步揭示MgB<sub>2</sub>在超导基本特性（例如超导电子的配对机制、超导能隙的对称性等）和对磁性杂质相应特性上的异同。
Cr掺杂的Ba<sub>2</sub>Ti<sub>2</sub>Fe<sub>2</sub>As<sub>4</sub>O。
这是一个至今还未被其他研究组开垦过的处女地。
因为Cr掺杂在Ba FeAs<sub>2</sub>中研究的比较多,而有关Ba<sub>2</sub>Ti<sub>2</sub>Fe<sub>2</sub>As<sub>4</sub>O的研究不多,且Ba<sub>2</sub>Ti<sub>2</sub>Fe<sub>2</sub>As<sub>4</sub>O的强各向异性更倾向于二维系统,构成与MgB<sub>2</sub>类似的平面多层结构。
因此,可以作为对比研究的理想体系。
最后,本文对研究工作进行了总结和展望,为未来继续开展相关的研究工作做了一些思考。