低温下铜氧化物超导体微结构的正电子湮没研究

论文摘要

本文测量了YBa2Cu3-xMxO7和Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xMxOy系超导体分别掺Ga和掺Zn后的符合正电子湮没辐射Doppler展宽谱，掺Zn和掺Ga的Bi系超导体在降温（温度从295K-30K）过程中的正电子寿命谱，实验结果表明：在YBa2Cu3-xZnxO7系样品中，Zn原子优先占据CuO2平面上的Cu（2）位，随着Zn掺入量的增多，正电子与3d电子湮没的概率增加，W参数升高。在YBa2Cu3-xGaxO7系样品中，Ga原子优先替代Cu-O链上的Cu（1）位，随着Ga掺入量的增多，正电子与3d电子湮没的概率下降，W参数减小。YBa2Cu3-xZnxO7的超导转变温度Tc随掺Zn量的增加而下降，当掺Zn量为x=0，x=0.12和x=0.24时，超导体的Tc分别为Tc=90K，Tc=76K和Tc=30K。YBa2Cu3-xGaxO7的超导转变温度Tc也随掺Ga量的增加而下降，当掺Ga量为x=0，x=0.12和x=0.24时，超导体的Tc分别为Tc=90K，Tc=80K和Tc=60K。在YBa2Cu3-xZnxO7中掺入Zn，超导转变温度Tc下降的幅度较大；在YBa2Cu3-xGaxO7中掺入Ga，超导转变温度Tc下降的幅度较小。在Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xMxOy系样品中，Ga原子和Zn原子都将替代CuO2平面上的Cu位。对Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xGaxOy系样品，随着Ga掺入量的增多，正电子与3d电子湮没的概率下降，W参数减小。对Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xZnxOy系样品而随着Zn掺入量的增多，正电子与3d电子湮没的概率增加，W参数升高。Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xGaxOy的超导转变温度Tc随掺Ga量的增加而下降，当掺Ga量为x=0，x=0.30和x=0.60时，超导体的Tc分别为Tc=110K，Tc=65K和Tc=60K。Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xZnxOy的超导转变温度TC也随掺Zn量的增加而下降，当掺Zn量为x=0，x=0.15和x=0.60时，超导体的Tc分别为Tc=110K，Tc=105K和Tc=95K。在Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xGaxOy中掺入Ga，超导转变温度Tc下降的幅度较大；在Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3-xZnxOy中掺入Zn，超导转变温度Tc下降的幅度较小。通过分析掺Zn和掺Ga的Bi系超导体在降温（温度从295K-30K）过程中的正电子寿命谱，结果表明：超导体在降温的过程中，由于热膨冷缩效应使得基体和缺陷处的电子密度整体性升高。但在超导临界温度转变点Tc附近，由于发生了正常态到超导态的转变，这种转变明显改变了高温超导体的电子态。随着温度的降低，当超导体的温度接近Tc时，超导体中的自由电子形成库柏对，使得基体以及缺陷处的自由电子密度降低，τ1，τ2和τm值升高。在转变温度点Tc，τ1，τ2和τm出现一个峰值，而自由电子密度nb出现了极小值。未掺杂样品Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3Oy具有较高的超导临界转变温度（Tc=110K），但无论掺入Ga或是Zn元素，对CuO2面Cu位的替代破坏了超导电性的通道并引起不同程度的晶格畸变都会造成超导体超导临界转变温度Tc下降。3价的Ga离子半径比Cu离子的半径小，而2价的Zn离子与Cu离子的半径相比，差别不大，所以掺Ga的引起的晶格畸变比掺Zn大。对Bi1.6Pb0.8Sr2Ca2Cu3Oy超导体掺Ga，破坏了超导体的内在对称性以及超导电子对的输运，造成临界温度大幅度下降。在Bi系超导材料中掺入少量的Zn，自由电子密度降低，这是由于Zn原子比Cu原子的自由电子数少；在Bi系超导材料中掺入少量的Ga，材料基体和缺陷处的电子密度也明显降低。掺Ga和掺Zn的Bi系超导体具有不同的晶体结构：当Ga含量达到x=0.15时，掺Ga的Bi系超导体为四方相；掺Zn的Bi系超导体是正交相。正交Bi系超导体的超导转变温度Tc通常高于四方Bi系超导体。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1 超导现象
• 2 高温超导体的发展
• 3 高温超导领域的困惑
• 4 高温超导的研究进展
• 5 研究任务和意义
• 第二章 正电子湮没技术
• 1 概述
• 2 空位型缺陷对正电子的捕获
• 3 正电子寿命谱仪
• 4 正电子两态捕获模型
• 5 正电子寿命谱分析
• 6 正电子湮没率与电子密度
• 6.1 均匀电子气系统中的正电子湮没率
• 6.2 非均匀电子系统中的正电子湮没率
• 7 正电子湮没辐射Doppler展宽
• 第三章 高温超导体的Doppler展宽实验
• 1 引言
• 2 高温超导体YBCO及BPSCCO部分掺杂的Doppler效应
• 2.1 掺Zn与Ga的YBCO体系的Doppler展宽
• 2.2 掺Zn与Ga的BPSCCO体系的Doppler展宽
• 3 小结
• 第四章 高温超导体的微观缺陷和电子密度随温度的变化
• 1 引言
• 2 Bi系高温超导体的变温过程
• 2.1 未掺杂样品的变温过程
• 2.2 掺Ga（x=0.3）样品的变温过程
• 2.3 掺Zn（x=0.15,0.6）样品的变温过程
• 3 小结
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间完成论文情况