带间耦合相互作用对MgB2超导体同位素效应指数的影响
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
电性材料—超导材料
电性材料—超导材料学院班级：姓名：组号：学号:一．引言电性材料的分类，按电性性能可分为导体、半导体、超导体和绝缘材料等四类；从应用角度可分为导电材料、电阻材料、电热材料和绝缘材料等。
电性材料性能的差异与其成分、组织、结构、以及外界环境(如温度、压力、磁场)都密切相关。
电性材料在日常的生活中应用十分广泛，再此主要介绍一下超导材料。
二．超导材料（Superconductor Materials ）1．绪论超导材料是近40年发展起来的高科技技术，它在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域都有着重要的现实意义和巨大的发展前景。
许多科学家认为超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。
是本世纪高新技术发展的一个重要方向。
我国自20世纪60年代末即开始超导技术的研究，经30多年的努力，在超导磁体技术及其应用、超导材料研究、超导电子学以及超导基础研究方面都取得很大成绩。
2．超导材料的发展历程⑴1908年荷兰莱顿（Leiden ）大学的卡末林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes ）教授成功地将氦气液化，达到4.2K 的低温。
1911年，昂尼斯发现，水银（Hg ）的电阻在液氦低温条件下（4.15K ）突然降为零。
随后的持续电流实验证实，此时的电阻率约为10-23Ω·cm 。
而良导体铜在4.2K 以下时的电阻率约为10-9Ω·cm 。
可以认为水银的电阻突然消失了。
这一发现标志着人类对超导研究的开始。
低温条件下物质电阻突然消失的现象，称为超导电性的零电阻现象。
这是人类第一次发现超导现象。
⑵1911～1932年纯元素超导体的发现，例如Pb 、Sn 、In、Ta 、Nb 等。
⑶1933年，迈斯纳（W ·Meissner ）和奥森菲尔德(R ·Ochsenfeld)发现超导体具有完全抗磁性，又称为迈斯纳效应。
⑷1933 ～ 1953年发现了合金、过渡金属碳化物和氮化物的超导体。
第十二讲超导材料
t称为容忍因子，Ra, Rb和Rx分别 是A, B和X离子的半径。经验表 明，当A 离子和B离子的价态之 和等于+6以便保持化合物在。
*钙钛矿堆集
高温超导体的母体是由Cu 原子形成的反铁磁背景的Mott 绝缘体，由钙钛矿结构单元通 过堆叠或者错位堆叠的方式长 成大的晶胞，并在某些位置上 失去氧而形成。
Pb系容易通过原子替代生成很多超导体， 现以常见的Pb2Sr2MCu3O8（M为Ca、Y或稀土 元素）来说明其结构。它与Tl系最大的不 同在于多了一个Cu原子层作为绝缘层，这 与YBCO有些相似：Cu担当两个角色，由此 可把Pb2Sr2MCu3O8结构形式表示成Pb-3212。
基本物性
超导:(1)零电阻现象:1911年，荷兰物理学家H.
*Y系超导体
常见的超导相有 Y-123(7-δ )、 Y-124和Y-247
Y-123(7-δ )
Y-123 的很多性质均随着氧含量的不同而发 生变化。在δ<0.2时，晶体属于正交晶系，空间群 Pmmm， 晶 格 参 数 a=3.8187Å, b=3.8833Å, c=11.6687Å；δ=1 时， Cu-O 链上含氧量为零，晶 格变为四方晶系，空间群变为 P4/mmm；δ在约在 0.6-1.0区间内时，δ个氧原子随机分布在晶胞两端 的Cu-Cu 之间，此时晶格也是四方结构。Y-123的 Tc 也随着氧含量的多少而变化，而且在0.3< δ<0.5 时， Tc 达到 60K 并且不随 δ 变化，形成一个“平 台”，曾经认为平台的形成和 orthⅠ和orthⅡ转变 有关，后来发现并非如此，关于该现象尚无合理 的解释。
Kamer lingh-Onnes在液化 了氦气以后，即利用液氦的低温环境研究金属在很低温度下的导电特性， 发现Hg在4.2 K左右电阻突然消失，即零电阻现象; (2)Meissner效应: 1933年，Meissner和Ochsenfeld等发现超导体独特 的磁性质：在超导状态下，超导体内部磁感应强度必须为零，称Meissner 效应。
石墨烯表面等离激元特性研究
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
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学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址：
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话： 编：
万方数据
目 录
摘 要 ........................................................................................................................ 1 ABSTRACT ............................................................................................................ 3 第一章 引言 ......................................................................................................... 5
第三章
石墨烯表面等离激元特性研究 ................................................ 39
3.1 FDTD 研究方法及仿真软件介绍 .................................................................... 39 3.1.1 FDTD 研究方法........................................................................................ 39 3.1.2 FDTD Solutions 仿真软件简介............................................................ 40 3.2 石墨烯表面等离激元的产生 ........................................................................... 40 3.2.1 石墨烯的介质特性.................................................................................... 40 3.2.2 多层石墨烯表面等离激元的 Kretschmann 模型仿真和分析............... 44 3.2.3 单层石墨烯的表面等离激元研究........................................................... 51 3.2.2.1 自由空间内的单层石墨烯的表面等离激元 .................................... 51 3.2.2.2 基底上的单层石墨烯的表面等离激元 ............................................ 55 3.2.2.3 自由空间内的单层石墨烯条带阵列的表面等离激元 .................... 60 3.2.2.4 基底上的单层石墨烯条带阵列的表面等离激元 ............................ 62 本章小结 .................................................................................................................. 64
南开大学奇妙的材料世界 第八讲 超导材料
阿布里科索夫
京茨堡
莱格特
1957年美国人巴丁、库柏和施里弗提出了 BCS理论 ，微观上解释了超导的机制。标志 着超导电性理论现代阶段的开始 。
1972年获得了诺贝尔物理学奖（3人）
巴丁还因发明世界上第一支晶体管于1956获诺 贝尔物理学奖。
巴丁（左）、库珀、施里弗（右）
1962年英国22岁的约瑟夫森根据“BCS” 理论预言 ，提出了“约瑟夫森效应” 约瑟夫森则获得1973年（33岁）度诺贝 尔物理奖 在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电 流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层 （隧道效应）；同时还产生一些特殊的现 象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘 若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。 这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。
第七章 超导材料
7.1 超导材料的发展简史
荷兰：卡末林· 昂内斯 (Kamerlingh Onnes，1853-1926 ) 1908年液化了地球上最后一种“永久气体”-氦气，并且 获得了接近绝对零度的低温：4.25K-1.15K 。 它标志着所有物质都可以存在于气液固状态 1911年，发现Hg在4.20K时电阻为0
(3)隧道跃迁-约瑟夫森效应 （Josephson effect ）
超导体－势垒－超导体之间不仅电子对也能够 以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零 的情况下，产生直流超导电流。此现象叫直流 约瑟夫森效应 在势垒两边有一定电压 V0 时，还会有特定频 率的 交流超导电流 存在。 1μV 的直流电压产 生振荡的频率为 483.6 MHz( 该频率称为约瑟 夫森频率 )。这种现象称为交流约瑟夫森效应 。
A
MgB2超导体的相图及其对薄膜制备的指导作用
２１ ０ ２年 ６月
贵州大学学报 （ 自然科学版 ） Ｊｕｎｌ ｆ ｕｚｏ ｎｖｒ ｔ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎｅ ） ｏｒａ ｏ ｉ ｕＵ ｉ ｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｃｓ Ｇ ｈ ｅｉ ｕ ｅ
Ｖ ｌ ９ Ｎｏ ０ ＿２ ．３
Ｊｎ ０ ２ ｕ ．２ １
摘
要 ： Ｂ 适 合 于制 备 约 瑟 夫 森 结 ， 超 导 电 子 学领 域 有 很 好 的 应 用前 景 。制 备 高 质 量 的 Ｍｇ ： 在
Ｍ Ｂ 薄膜至关重要 ， ｇ２ 应用 Ｍ ・／ ｇＢＯ体 系的相 图指导 Ｍ Ｂ 薄膜生长意义重大。总结 Ｍ Ｂ ｇＢ Ｍ － － ｇ２ ｇ２ 相 体 系及相 关 系， 细对 比分析 ＭｇＢ ＭｇＢ Ｏ体 系的 热力 学相 图 ， 详 —／ ． ． 总结 分析 富氧 区杂 项 Ｍ Ｏ 的 ｇ
临 界转 变 温度 的两 倍 ， 具 有 材 料 成 本 低 、 冷 成 且 制
备 工 艺 ， 进一 步制 备 高质 量 的 Ｍｇ 薄 膜及 约 瑟 为 Ｂ 夫 森结 提供 理论 依据 。
本低 、 备 工 艺 简 单 、 界 透 明性 好 （ 制 晶 即高 的 临 界
电流密度 ） 相 干 长 度 大 等 优 点 ， 合 于 制 备 约 瑟 、 适 夫森 结 ， 在超 导 电子 学 领 域 有 很 好 的应 用 前 景 ¨ 。 ］
文章编号
１０ ５ ６ （ ０２ ０ ０４ ０ ０ ０— ２９ ２ １ ） ３— ０ ７— ４
Ｍｇ ２超 导 体 的相 图及 其对 薄膜 制 备 的指 导 作 用 Ｂ
汪怀蓉 李 良荣 张荣芬 ， ， ， 李绪诚 虞 苏青 ，
（． １ 贵州大学职业技术 学院 ， 贵州 贵 阳 ５ ０ ０ ；． ５ ０ ４ ２ 贵州大学理学院 ， 贵州 贵 阳 ５ ０ ２ ） ５０ ５
超导技术的发展论文
摘要：本文简单介绍了一些与超导相关的概念，超导材料，超导的简史，超导的研究现状及对超导应用的前景展望关键字：超导，超导体，超导现象，超导材料，临界参量，超导技术，超导应用Abstract: This article simply introduced some and the superconductivity correlation concept, the superconductivity material, the superconductivity brief history, the superconductivity research present situation and to the superconductivity application prospect forecast.Keyword: superconductors, superconductors, superconductor, superconducting materials, critical parameters引言：某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体[8]。
超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同：零电阻性、完全抗磁性、约瑟夫森效应、迈斯纳效应。
这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。
超导技术被认为是21世纪最具有战略意义的高新技术．目前已被广泛用于高温超导变压器、高温超导滤波器、超导计算机、超导发电机、磁流体发电机、超导磁悬浮列车、核聚变反应堆、"磁封闭体"粒子加速器等应用产品的研发，在许多领域取得了重大突破，具有十分广阔的市场前景。
一：超导技术的探索与发展1908年,荷兰物理学家卡末林，昂内斯首次液化了氦气,最低温度可以达到4.2K左右,这为超导的发现提供了技术支持[11]。
MgB2超导材料制备剖析
（3）同位素效应 超导体的临界温度 TC与其同位素质量 M有关。 M越大，TC越低，这称为同位素效应。M与TC有近 似关系：TCM1/2=常数。 （4）约瑟夫森效应 当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层， 超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象 称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称 为约瑟夫森器件。如图所示。
场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表
示。
二、MgB2 超导材料的介绍
• 2.1MgB2的发现
MgB2超导体的发现是日本青山学院大学四年级学生永松纯在其毕 业论文研究中偶然得出的。 当时作Mg-Ti-B三元相图实验中发现了少量的超导信号,进一步减 少Ti的含量后,超导体的体积分数突然增加,最终判明Mg与B的中间化 合MgB2是超导体原形。
MgB2 超导材料的制备
目录
一、超导材料概述 二、MgB2 超导材料的介绍 三、MgB2 超导材料的制备
四、结束语
一、超导材料概述
• 1.1超导材料
超导材料，是指具有在一定的温度条件下呈现 出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。
• 1.2超导材料的特性
（1）零电阻效应 材料在一定温度以下，其电阻为零的现象。
混合物理化学气相沉积法 ( HPCVD)：将物理气相沉积和
化学气相沉积组合一起制作
MgB2 薄膜。采用硼烷B2H6 和 H2 的混合气作气相硼源, 加热 块状镁来获得镁蒸汽, 总压力 保持1313~ 9311kPa ( 100 ~ 700Toor ) , 基材被加热至 1003~ 1033K。在这样条件下,
超导体的R－T特性曲线
1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯 （H.K.Onnes）发现在T＝4.1k下汞具有超导电性。 采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R－T特 性曲线，如图所示。
多层交替沉积后退火处理MgB2超导薄膜上约瑟夫森结的制备
2012年 第57卷 第7期：498 ~ 505 英文引用格式: Deng H, Dai Q, Yu H F, et al. Josephson junctions fabrication in multi-layer deposition and post annealing MgB 2 thin films (in Chinese). ChinSci Bull (Chin Ver), 2012, 57: 498–505, doi: 10.1360/972011-1917《中国科学》杂志社SCIENCE CHINA PRESS论 文多层交替沉积后退火处理MgB 2超导薄膜上 约瑟夫森结的制备邓辉①, 戴倩②, 于海峰①, 魏彦锋①③, 王福仁②, 任建坤①, 崔丽敏①, 吴玉林①, 赵士平①, 陈莺飞①, 李洁①, 郑东宁①*① 中国科学院物理研究所, 北京 100190;② 北京大学物理学院, 人工微结构和介观物理国家重点实验室, 北京 100871; ③ 襄樊学院薄膜与电子实验室, 襄樊 441053 * 联系人,E-mail:**************** 2011-09-24收稿, 2011-12-18接受国家自然科学基金(10974229, 10911130357, 10974243)、国家重点基础研究发展计划(2011CBA00106)和国家重大科学研究计划(2009CB929102)资助摘要 在多层交替(SiC/[Mg/B]5)沉积后退火处理的MgB 2薄膜上用紫外光刻和Ar 离子刻蚀制作出SQUID 环路膜条, 然后用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法在SQUID 的环路上制作了150~ 300 nm 之间不同尺寸的纳米微桥结构, 并测量了其电阻温度(R-T )曲线和电流电压(I-V )曲线. 膜条的R-T 曲线与薄膜基本相同, 表明薄膜没有受到膜条制备过程中潮湿的影响. 对SQUID 的R-T 关系测量发现电阻有较大升高, 并看到由纳米微桥的存在而具有的结构. SQUID 的I-V 曲线表明, 纳米微桥形成了弱连接, 超流主要体现为约瑟夫森耦合电流. 其中一个150 nm 宽纳米微桥的SQUID, 其回滞消失的温度约为10 K, 在此温度下, 得到临界电流I c 约为4.5 mA, I c R N ~2.25 mV, 单个纳米微桥结的临界电流密度约为1.5×107 A/cm 2. 临界电流I c 随温度以幂指数关系变化, 也验证了纳米微桥的弱连接特性. 我们的实验对基于MgB 2薄膜的约瑟夫森器件制备具有参考价值.关键词多层交替沉积后 退火 MgB 2薄膜 聚焦离子束刻蚀 约瑟夫森结2001年超导临界温度(T c )达40 K 的材料MgB 2的发现[1], 是近年来超导研究的重要进展之一. MgB 2的多带特征和高T c , 不仅吸引了人们探讨新的高温超导机理的浓厚兴趣, 也对基于约瑟夫森效应的超导电子器件的研究提出了新的要求和挑战[2~11]. 用MgB 2材料制作的器件其优点主要有: (1) 器件在20 K 附近仍能保持优良的工作性能[12], 方便新型实用的超导器件的应用. MgB 2材料有金属性, 体现在相对铜氧化物高温超导体具有较低的电阻率[13~15]和较小的各向异性[16,17], 能弥补铜氧化物高温超导器件噪声大的缺陷; 同时, 较高的工作温度所需制冷机的体积和功率, 相对于以Nb 为主的低温超导器件则大大降低了成本[2,18]. (2) MgB 2作为有2个能带的超导体[17], 其中较小的超导能隙[2,19]约2.2 meV, 意味着在快速单磁通量子(RSFQ)电路中可以使用1 THz 的时钟频率[20]. (3) MgB 2具有远大于铜氧化物高温超导体的相干长度[21](MgB 2相干长度具有各向异性, 在a-b 面约~5 nm), 使约瑟夫森器件中超导电流密度受晶界的影响并不显著[22].高质量MgB 2薄膜的制备是制作约瑟夫森器件的重要基础[23]. MgB 2薄膜的制备方案按工艺流程大致可分为二步法和一步法. 二步法中[24], 一般先通过电子束蒸发或脉冲激光沉积(PLD)制备B的薄膜然后再和Mg(或Mg的化合物)反应得到MgB2. 这种方法一般会形成较大的MgB2晶粒, 并且薄膜的结构不可从衬底外延. 一步法利用B和Mg同时反应生成薄膜. 这种方法一般能生成致密和均匀的薄膜, 代表工艺有HPCVD和Moeckly-Ruby方法等[25~28].在不断追求高质量薄膜工艺的同时, 人们对基于MgB2薄膜的约瑟夫森结的探索也在一直进行[4,29~35], 并且在基础和应用研究方面都取得了许多进展. 一方面, 约瑟夫森器件用来研究MgB2的多带特性所带来的新奇的物理现象[11,36,37]; 同时, 面向电子学应用的约瑟夫森器件的研制也不断向前发展. 对于集成化程度要求高的RSFQ器件, 研究者主要致力于原位(in situ)制作的全MgB2结[4,5,34,35,38]性能的提高. 在超导量子干涉器件(SQUID)和磁强计等方面, 人们也进行了多种尝试, 如点接触[30]、离子注入的SNS结[39]及纳米微桥[32,33,40]和纳米线[41]等.由于Mg和B两种材料自身在物理和化学性质上的差异, 虽然不同工艺对衬底的要求差别并不大[25~27], 但是高质量薄膜的获得通常需要复杂的设备和技术[17,27]. Mg和B化学性质都比较活泼, 因此薄膜和器件不易于在空气和潮湿环境中长期保存[27]. 使用电子束蒸发设备, 采用多层交替沉积后退火处理的薄膜具有致密的结构, 薄膜与器件的寿命和对环境的适应性可能会有较好的表现. 本文在多层交替沉积后退火处理工艺制作的MgB2薄膜上, 采用聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法制备了纳米微桥形式的约瑟夫森结, 对膜条与结使用标准的四引线法分别测量了电阻温度(R-T), 电流电压(I-V)或临界电流温度(I c-T)的关系曲线.1 MgB2薄膜的制备实验中所用MgB2薄膜的制备分两步进行. 首先在SiC(001)衬底上利用电子束蒸发法制备了Mg/B多层前驱膜. 前驱膜的结构是SiC/[Mg(12 nm)/B(8 nm)]5: 其中单层的Mg层和B层的厚度分别为12和8 nm, 一共5层Mg/B层, 薄膜总厚度为100 nm. 前驱膜的厚度由电子束蒸发设备内置的石英振荡器原位监测. 蒸镀B膜的材料采用纯度为99.5%的商用金属B块, Mg源为纯度为99.5%的金属Mg柱. 在镀膜过程中背景气压小于5×10-6 Pa.随后对前驱膜进行外退火处理. 退火温度为680~740℃, 退火时间为6~8 min. 退火时, 样品周围放置若干Mg块, 挥发的Mg蒸气在样品周围形成高的Mg分压, 保证MgB2相稳定. 背景气氛为5.0 kPa流动的氢气. 氢气在高温下具有还原性, 可以保护前驱膜不被腔体中残留的氧气污染. 另外流动的氢气可带走多余的Mg蒸气, 避免Mg蒸气在薄膜表面凝结, 污染表面. 用此方法制备的薄膜T c~32 K, 有效粗糙度~4.5 nm.2 膜条和约瑟夫森结的制作和测量2.1 膜条和约瑟夫森结的制作对长在5 mm×5 mm大小SiC衬底上的MgB2薄膜, 采用通常的光刻和Ar离子刻蚀工艺在~15 μm宽的膜条上制作出一个dc SQUID形的环路结构(图1(a)), 主要部分包括两个约2~5 μm宽的膜条. 随后在膜条上, 采用FIB刻蚀出长度在150 nm左右的同样参数的纳米微桥作为约瑟夫森结. 对不同样品, 纳米桥的宽度在150~300 nm. 光刻胶使用S1813, 4000r/min旋涂40 s. 涂胶后80℃烘烤3 min. 显影液用正胶显影剂, 定影液使用去离子水, 随后样品在涂胶台上甩干. Ar离子刻蚀过程中, 样品所在的金属支架采用循环水冷却. 即使这样, 因为离子源离样品太近,刻蚀过程中温度升高很快. 因此为防止温度过高, 刻蚀过程由2 min刻蚀和3 min冷却交替进行. 刻蚀过程中样品始终与离子束成45°角.FIB在FEI-DB235系统上进行. 衬底与FIB样品托盘使用导电胶连接以防止电荷累积过多. DB235系统是具有离子束和电子束的双束系统, 可以在微米尺度上对同一区域进行双聚焦校准. 在进行离子束刻蚀之前, 首先用电子束观察好要进行纳米结构制作的区域, 用系统的定标系统估算坐标. 用离子束进行刻蚀时, 可以利用之前定好的坐标进行粗定位. 这样就能减少离子束对样品的照射时间以及照射面积,从而减低对薄膜性质的影响. 刻蚀采用30 kV电压Ga+离子束, 以10 pA的束流完成, 最后制作好的纳米结构见图1(b).2.2 测量所有的测量在液氦储槽中进行. 样品杆为不锈钢长约1.5 m, 一端为紫铜样品托, 另一端为测量引线接口和抽气口. 样品在紫铜样品托上固定, 用银胶4992012年3月 第57卷 第7期500图1 (a) 光刻和Ar 离子刻蚀的膜条; (b) 离子束刻蚀成的纳米微桥约瑟夫森结和金丝通过四引线法与样品托上的电极相连. 样品托用紫铜套罩住, 紫铜套以铟丝和样品杆密封连接. 样品杆中的空气被抽出并注入氦气, 随后样品杆被放入液氦储槽中进行降温和测量. 样品杆的接线端通过四芯双绞线接入四引线测量盒. 电流从测量盒上单端输入, 电流信号流经样品后回测量盒通过短路BNC 头接地. 电压信号从测量盒上通过2个BNC 接头引出, 可通过放大器设置为差分或单端的读出. 在R-T 测量中, 使用EGG7265 DSP 锁相放大器和Lakeshore340温度计进行测量(温度计有固定正向偏移误差量0.5 K). 锁相放大器前面板有一个输出端, 两个输入端A 和B 可用来选择差分或单端的输入. 单端输入, 即采样电压一端在测量盒上用短路BNC 头接地, 另一端直接输回A 端(电压输入灵敏度从2 nV 至1 V 可调). 差分输入, 即将采样电压两端分别输回A 和B 并选择A-B 模式. 在我们的测量中, 没有发现这两种方法得到的结果有明显差异. 在对膜条的测量中(图2(a)), 电流采用1 V 交流信号, 串联1 M Ω电阻作为输出, 即电流大小约为1 μA. 在对SQUID 的测量中, 分别使用了0.1 μA(图2(b), 0.1 V 串联 1 M Ω), 0.02 μA(图2(c), 0.2 mV 串联10 k Ω)和0.01 μA(图2(d), 0.1 mV 串联10 k Ω)作为测量电流. 在I-V 曲线的测量中, 使用Agilent33120任意波形发生器串联1 k Ω电阻(电阻精度为1‰)后作为电流源, 电压信号取出后经过前置放大器SR560放大1000倍后接入示波器Agilent54621A.3 结果和讨论3.1 测量结果膜条和不同尺寸纳米微桥SQUID 的电阻转变特性如图2所示. 其中2.5 μm 宽度的膜条(图2(a))电阻随温度的变化关系同MgB 2薄膜基本相同, T c 约32 K. 在进行FIB 操作以后, 电阻有显著增大. 图2(b)和(c)为同一基片的两个膜条形状相同但纳米微桥尺寸不同的样品. 可以看到微桥的超导转变起始温度基本没有变化, 但在转变温度附近出现分段, 而零阻温度则降低到25 K. 两个SQUID 结构(各含两个纳米微桥)的剩余电阻大小的不同基本符合纳米微桥之间的尺寸差异. 图2(d)中的R-T 曲线在超导转变区域的分段更为明显, 零阻温度约在27 K.图2(d)所示SQUID 样品的I-V 特性及随温度的变化关系如图3. 从I-V 曲线上看, 约瑟夫森效应的特征十分明显, 观察到直流约瑟夫森效应以及电流增大时从零电压态到电压态的跳变. 在低温下I-V 曲线出现回滞, 随温度增加在10 K 附近回滞消失. 从图3(c)可知在9.8 K 时, 临界电流I c 约为4.5 mA. 每个SQUID 是由两个参数相同的纳米微桥并联, 估算临界电流密度约为j c =4.5 mA/(100×150 nm 2)/2=1.5× 107 A/cm 2. 从图3(c)电压态的斜率得到正常态电阻R N 约为0.5 Ω, 则乘积I c R N 的值约为2.25 mV. 在25 K(图3(f))时由于接近零阻温度27 K, 超流已经很小. 在所有的I-V 曲线中电压态都有一些结构, 并随着温度的变化而改变, 在3.2节中讨论了这一现象.3.2 讨论用FIB 在MgB 2膜条上制作纳米微桥约瑟夫森结,501图2 (a) 膜条的R -T 曲线, T c =32 K, 转变宽度1 K; (b), (c)和(d)为纳米微桥SQUID 的R -T 曲线, 其中膜条的宽度分别为2.5,2.5,3.5 μm; (b), (c) 为同一片薄膜上的不同SQUID. 测量时所用电流分别为1, 0.1, 0.02, 0.01μA图3 纳米微桥SQUID(图2(d))的I -V 曲线通常在FIB 操作前后器件R-T 关系的变化比较明显. 第一是电阻变大[8,42,43]. 电阻的变化首先是因为结构尺寸的变化[14], 这点和采用电子束曝光(EBL)与Ar 离子刻蚀制作的纳米线和纳米结构类似[41,44]. 其次,在FIB 的操作过程中, 离子束扫描过膜条的一部分及纳米微桥的附近区域, 也能使纳米膜条及纳米桥的电阻性质发生改变[8]. 在FIB 制作前后, 剩余电阻比 (R (280 K)/R (39 K))由~1.64(图2(a))变为~1.51(图2(c)).2012年3月 第57卷 第7期502这种电阻随温度变化趋势的平缓可能由于离子照射区域的薄膜中, 晶界的耦合变弱[8]; 可供参考的是, 在体材料与薄膜的R-T 对比中, 虽然有电阻大小的差别, 但是在形状上基本一致[14]. 第二个特点是在超导转变的区域变成分段转变, 伸出一节“拖尾”[42~45], 即有两个转变温度. 一般认为第一个转变温度是电极或膜条的转变温度, 即与MgB 2薄膜温度相同(加上在制作膜条和纳米结构过程中可能产生的少许差异), 大致在32 K; 第二个转变温度即是纳米微桥结区的转变温度, 大约在25~27 K. 对“拖尾”的产生及形状的影响相关的因素可能还来自纳米结构的几何特征[44,46]. 图2(b)和(c)的“拖尾”形状与EBL+Ar 离子刻蚀制备的纳米线相似表现[41,44], 较能证明尺寸差异对临界温度T c 的影响[47], 而且较小的纳米结构所造成的“拖尾”也占整个超导转变区域较小的比例[42,45]. 晶粒的大小和离子照射时间对“拖尾”的出现和形状的影响也应被考虑[43]. 总的说来, 离子照射升高电阻率, 纳米结构降低了T c . 而“尾”长即超导转变的展宽, 在高温超导体的晶界约瑟夫森结中通常意味着热激发相滑移(TAPS)[48]. 在已见报道的MgB 2的晶界结中, 常使R-T 曲线“拖尾”的区域出现近似水平的一段[8,43]; 但MgB 2的情形与高温超导体还有很多不同的地方, 因此是否能以单一的热激发相滑移理论来说明在MgB 2纳米微桥结以及晶界结的R-T 曲线中出现的全部现象还有待进一步研究[8,46].图3(a)~(c)演示了SQUID 在升温过程中I-V 特性曲线中回滞逐渐变小直到消失的过程. 对于dc SQUID, 其临界电流能被加在环路中的磁通调制; 除此以外, I-V 特性从两个约瑟夫森结并联的关系得到. 对一个实际应用于磁场探测的SQUID, 要求在任一固定外磁场条件下I-V 曲线是单值的[49]. 这一条件可用SQUID 中约瑟夫森结的麦克坎伯参量22c c eI R C β= 描述, 其中R 和C 分别为结的电阻和电容. 当1c β≤时, dc SQUID 的I-V 曲线没有回滞, 此时I-V 曲线可以用RSJ 模型[49]描述. 图3(c)和(d)即是典型的符合RSJ 模型的I-V 曲线(在电压不太大的范围内). 当温度降低时, 由于I c 的增大, 会使c β值增加, 同时由于处于电压态时的电压值的快速增加, 所造成的发热效应, 都会促使回滞的产生. 对于纳米微桥的情况, 除了晶界结[8], 电容一般都很小, 使得在超导温区内都有1c β<<, 因此回滞主要应由发热引起[32].图3所示的I-V 曲线中, 在低温下十分显著的非线性特征随温度的升高逐渐变弱, 并最后趋于电阻式线性(图中未给出). I-V 曲线开始变为线性的起始点即为SQUID 的临界温度T c . 在远离T c 的温度(图3(c), (d)), I-V 曲线(第一象限正值部分)在随着电流的增加从零电压态跳到电压态后, 先是有符合RSJ 模型的类似抛物线的一段(Ⅰ), 然后出现一段向下折向电压轴(Ⅱ), 随后又向右上渐进的趋向线性(Ⅲ), 这三段的起始点在图3(c)中标出. 第(Ⅲ)段以后属于通常的电阻渐进区域. 第(Ⅰ)(Ⅱ)段见于不能完全用RSJ 模型描述的情形[50,51], 即纳米微桥的耦合并非完全是约瑟夫森耦合, 而同时具有弱连接与强连接的因素在内; 超流中除了约瑟夫森电流以外, 还同时含有磁通流的成分[22]. 当温度接近T c 时(图3(e), (f)), I-V 曲线上RSJ 的特性并没有减弱太多, 同时过剩电流并不明显, 说明纳米微桥整体表现较多弱连接的特性, 在SQUID 中结的约瑟夫森耦合能比热能要大[46]. 图3中临界电流I c 随温度的变化关系在图4中给出. 曲线能被较好地拟合到关系式 1.9c c c ()(0)(1)I T I T T =-中, 其中参数取为T c =30 K, I c (0)取为9.5 mA. 这种临界电流以幂函数随温度而变化的情况, 说明SQUID 中的纳米微桥具有SNIS 弱连接的特点[52,53]. 而I c -T 曲线呈现整体向上凹的形状, 这种特点和具有RSJ 特性的约瑟夫森结是类似的[50].4 结论我们采用电子束蒸发设备和多层(5层)交替沉积后退火处理工艺制作了MgB 2薄膜, 使用紫外光刻与Ar 离子刻蚀工艺制作15 μm 的膜条及5 μm 宽的图4 临界电流随温度的变化关系SQUID环路, 然后用FIB在SQUID环路上对称的位置上制作了相同参数的纳米微桥约瑟夫森结. 利用四引线法, 我们测量了膜条与SQUID的R-T曲线, 以及SQUID的I-V曲线. 实验数据表明, 经过光刻与Ar离子刻蚀后的膜条与刻蚀前的MgB2薄膜具有几乎相同的R-T曲线, 说明用这种工艺生长的薄膜对光刻过程中的水分接触具有耐受性, 薄膜的超导性质没有受到破坏性的影响. 在随后的测量过程中, 薄膜在数周内在测量平台中及与空气的长时间接触都没有发生明显的性质改变. 在制作纳米微桥约瑟夫森结之后, SQUID的R-T曲线上观测到由弱连接引起的“拖尾”现象和转变温度的展宽, 即约瑟夫森结具有比膜条略小的临界温度. 分析表明FIB刻蚀本身, 及过程中离子束的照射, 对薄膜和纳米微桥超导性质的影响不可忽视, 但是应明显小于对晶界性质的影响. FIB对薄膜影响的另一方面是使电阻率升高较多(本文没有分离FIB对膜条电阻的影响和纳米微桥自身的电阻). 对SQUID的I-V特性的测量显示回滞消失的温度约在10 K, 同时在10~14 K之间纳米微桥具有RSJ模型描述的约瑟夫森结特征. 在10 K温度, 我们估算出结的R N~0.5 , I c R N~2.25 mV. 在I-V曲线上的结构, 说明超流的主要部分是弱连接的约瑟夫森耦合电流, 并在升温测量中从回滞消失直到接近临界温度都保持这一特点. 我们可以将临界电流随温度的变化关系拟合到约化温度的幂函数, 说明约瑟夫森结的性质类似SNIS弱连接. 我们的实验对于在薄膜上实现用FIB制作应用于磁强计的SQUID具有启发和借鉴意义.致谢感谢北京大学杨涛教授对紫外光刻与Ar离子刻蚀的指导以及中国科学院物理研究所微加工实验室罗强和金爱子老师对FIB操作的帮助.参考文献1Nagamatsu J, Nakagawa N, Muranaka T, et al. Superconductivity at 39 K in magnesium diboride. Nature, 2001, 410: 63–642Brinkman A, Rowell J M. MgB2 tunnel junctions and SQUIDs. Physica C, 2007, 456: 188–1953Chen K, Cui Y, Li Q, et al. Planar MgB2 superconductor-normal metal-superconductor Josephson juncions fabricated using epitaxialMgB2/TiB2 bilayers. Appl Phys Lett, 2006, 88: 2225114Singh R K, Gandikota R, Kim J, et al. MgB2 tunnel junctions with native or thermal oxide barriers. Appl Phys Lett, 2006, 89: 0425125Shim H, Yoon K S, Moodera J S, et al. 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These films have T c of 32 K. Strips and SQUID loops were definedby photolithography and Ar ion beam milling. Then nanobridges of 150–300 nm wide were made by focused ion beam etching. TheR-T characteristics of the strip is the same as that of the raw film while SQUIDs have a “foot” near the critical temperature. The I-Vcurve of one of the SQUIDs is hysteretic below about 10 K. Nanobridges show features of the resistively shunted junction like, and thetemperature dependence of the critical current turns out to be of SINS weaklink. At 9.8 K, the critical current density is about 1.5×107A/cm2.multi-layer deposition and post annealing, MgB2 thin film, FIB, Josephson junctiondoi: 10.1360/972011-1917505。
钇钡铜氧超导性能的研究资料
海南师范大学本科生毕业论文题目：钇钡铜氧超导性能的研究姓名：蒙志富学号： 200906101134专业：物理学年级： 2009级系别：物理系完成日期： 2013年5月指导教师：沈振江(副教授)本科生毕业论文（设计）独创性声明本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。
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论文（设计）作者签名：日期：本科生毕业论文（设计）使用授权声明海南师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。
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论文（设计）作者签名：日期：指导教师签名：日期：目录第1章钇钡铜氧简介、晶体结构................ - 4 -1．1 YBCO简介.............................. - 4 -1．2 钇钡铜氧晶体结构 ...................... - 5 -第2章高温超导的发展........................ - 6 -第3章钇钡铜氧超导性能的机理，与其他高温超导机理的对比......................................... - 8 -3.1超导体的三个临界参量..................... - 8 -3.2超导体的基本性质......................... - 9 -3.3 钇钡铜氧超导机理探讨 ................... - 10 -3.3.1 传统超导理论（BCS理论） ............ - 10 -3.3.2 钇钡铜氧超导机理的探讨.............. - 10 -第4章钇钡铜氧超导性能的主要研究方向、研究成果、应用前景...................................... - 12 -4.1 YBCO研究现状........................... - 12 -4.2 YBCO研究成果........................... - 13 -4.2.1 YBCO高温超导块材 ................... - 13 -4.2.2 YBCO超导带材....................... - 13 -4.3 YBCO的应用............................. - 13 -4.3.1 YBCO超导材料的商业优势 ............. - 13 -4.3.2 YBCO超导带材的制备与应用 ........... - 15 -4.3.3 YBCO超导储能的研究 ................. - 15 -4.3.4 YBCO高温超导体的应用前景 .......... - 16 -第5章总结展望............................. - 17 -参考文献：.................................. - 19 -钇钡铜氧超导性能的研究作者：蒙志富指导教师：沈振江副教授（海南师范大学物理系，海口，571158）摘要钇钡铜氧，作为第二代高温超导材料，有着很高的商业价值，自发现以来便受到各国科学家的热衷研究。
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ｐ ｎ ｎ ａ ｆｎ ｎ—ｐ ｏ ｏ ｔｒ ｃｉｎ ｏ ｅ ｔ ｎ ｏ ｏ ｈ ｔ ｈ ｎ ｎｉ ｅａｔ ． ｎ ｏ Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｉ ｏｏ ｅ ｅ ｅ ｔｅ ｐ ｎ ｎ ，Ｉ ｔｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｒｃｉ ｎ ｙ ｒ ｓ ｓ ｔ ｐ ｆ ｃ ｘ ｏ ｅ ｔ ｎｅ ｂ ｎ ｎ ｅ ａ ｔ ｏ
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ｍ Ｖ， ｅ 关于电子结构的计算 也支持这一结果。它的费米面包括 ４片 ： 两个三维 的 叮一 ， ｒ 带 两个二维的 １一 ３ 带 。 ＂
对于不同 Ｆｒ ｉ 电声耦合有很大不 同， ｅ 面， ｍ 这一事实导致 了用多带模型来描述 Ｍ Ｂ 超导体。人们发现 Ｍ Ｂ 中 ｇ： ｇ：
平均电声耦合强度值是很小的 。Ｕ ｍ ｒ ｏ Ｊ ｍ ａｎ 等人 ｌ提出 Ｍ Ｂ 是弱耦合 的二带声子系统 ， 中库仑赝势和带间 ｉ ５ ｇ： 其
ａｅｄ ｒ ｅ ｙｃ ｎ ｉｅｉｇｔｅｉｆｕ ｎ ｅｏ ｔｒ ａ ｄｉｔｒｃ ｏ ．Ｔ ｅｐ ｉｉｇｉｔｒｃｉｎｉ ａ ｈ ｂ ｄ ｃ ｎ ｉ ｅ ｆｔ ａｔ ｔｅｅｅｔｏ ｒ ｅｉ ｄｂ ｏ ｓ ｒ ｌ ｅ ｃ ｆ ｎｅｂ ｎｅａｔ ｎ ｈ ａｒ ｅａｔ ｎｅБайду номын сангаасｃ ａ ｏ ｓｓ ｄｏ ｖ ｄ ｎ ｈ ｎ ｉ ｎ ｉ ｎ ｎ ｏ ｎ ｔ ｗｏｐ ｒ ｈ ｌｃｒ ｎ— ｓ：
Ｇ ｎ ｉ ｎ ，Ｙｉ （ ｇ ０，Ｙｕ ｎ Ｇ ａ ｇ ｕ ｏ ｇＰｆ ｇ ｅ ｎ）ｉ ｕ ｎ ａ ｕ ｎｙ
（ ｅ ａｍｅｔ ｆ ｈｓ ｓ， ｕｉｅ Ｃ ａ Ｉｄｓ ｙＴ ａｈ ｒＳｃｌ ｇ ， ａ ｅ ２ ５０ ， ｈ ａ） Ｄ ｐｒ ｎ ｙｉ Ｈ ａ ｉ ｏｌ ｎｕｔ ｅｃ ｅ’ ｏ ｅｅ Ｈｕｉ ｉ ３ ０ ０ Ｃ ｉ ｔ ｏＰ ｃ ｂ ｒ ｌ ｂ ｎ
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维普资讯
低温 与超导
超 导技 术
Ｓ ｐ ｒｏ ｄ ｃｉｉ ｕ ｅｃ ｎ ｕ ｔ ｔ ｖｙ
Ｃ ｙ ． Ｓ ｐ ｒｏ ． ｒ ｏ ＆ ｕ ｅ ｅ ｎ Ｖ０． ４ Ｎｏ ４ １３ ．
第３卷 ４
第４ 期
带 间耦 合 相 互 作 用 对 Ｍｇ ２超 导体 Ｂ
Ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｒ ｃ ｉ ｎ ｏ ｓ ｔ ｐ ｆｅ ｔｅ ｐ ｎ ｎ ｆＭ ｇ ２ｓ ｐ ｒ ｏ ｄ ｃ ｏ ｓ ｎ ｌ ｅ ｃ ｆ ｉ ｅ ｂ ｎ ｎ ｅ ａ ｔ ｎ ｉｏ ｏ ｅ ｅ ｃ ｘ ｏ ｅ ｔ ｏ Ｂ ｕ ｅ ｃ ｎ ｕ ｔ ｒ ｎ ｏ
同位 素 效 应 指 数 的 影 响
公丕锋 ， 尹新 国 ， 袁广 宇
（ 淮北煤炭师范学 院物理 系 ， 淮北 ２５ ０ ） ３ ０ ０
摘要 ： 在弱耦合极限下考虑带间相互作用 ， 得到了二带 ｓ 一波超导 体 临界 温 度 的公式 及同 位素效 应指 数的公 式 。在此模型中 ， 耦合相互作用在每一带 中包括两部分 ： 电子 一 声子相互 作用 和非 电 子 一 声子 相 互作 用 ， 当 一４Ｋ ｏ 时， 在弱耦合机制 中得到 Ｍ Ｂ 的同位素效应 指数 ＝ ． ， ｇ： Ｏ ３并且带 间的 电子 一 子相 互作用 比非 电子 一 子作用对 声 声 同位素效应指数的影响大 。 关键词 ： 同位素效应指数 ； 带间相互作用
耦合机制是描述超导态的关键项 。Ｃ ｄ ｄ６已经发现库仑赝势在 ｄ一 ａａ ｌ ｎ 轨道中减小了同位素效应指数 ， 然而在 ｓ ｐ
一
轨道中几乎表现出全部的同位素效应 ， 因此库仑赝势不能用来解释同位素效应指数的减小。 Ｂ ｄｏ ｕ ｋ川等人与 Ｈｎ ｓ 等人独立测量硼的同位素效应指数得到 。 Ｏ ２ ００ ， ｉ ｋ ＝ ．６ －．３ 接近无外磁场下的同位素 ４
ｌ 引言
同位素效应指数 是人们最感兴趣 的超导特性之一 ， 在常规 Ｂ Ｓ Ｃ 理论 中， 所有元素的同位素效应指数均为 Ｏ５ ． 。在高温超导体中， 实验发现 比 Ｏ５略小¨ 。为解释高温超导体中这种 反常 的同位 素效应 ， ． Ｊ 人们提出很
＝
多模型 ， Ｖ ｎＨ ｖ 奇异 、 如 ａ ｏｅ 非简谐声子、 对破坏效应 以及赝能隙效应 。 当 Ｍ Ｂ 的高临界温度 （ ：３ Ｋ 的超导 电性被发 现 以后 ， ｇ： ９） 引起 了人们 的极大研究 兴趣 。很多实验表 明 Ｍ Ｂ 超导体存在多能隙， ｇ： 在低温下这些能 隙值 △（ ） 为两类 ： ｋ分 较小 的能 隙大约为 ２ ５ ｅ ， ． ｍ Ｖ 较大 的大 约为 ７