[00123367]高温超导材料结构相变和电子结构对超导电性能的影响

1.课题来源与背景 本项目来源于国家自然科学基金资助项目“强关联超导体结构相变与电荷有序态的正电子及相关实验研究”,项目编号为10875107。 超导材料可广泛应用于能源、交通、医疗、电子通信、科学仪器、重大科技工程和国防等领域,是具有巨大发展潜力的高新技术。高温氧化物超导材料的出现,无疑给超导材料的应用带来了新的希望,也为电子学注入了新的研究内容。高温超导体YBa2Cu3O7-δ（YBCO）因原料丰富、无毒、Tc高达93K、易于制备以及广泛的应用前景,无论是在应用方面还是在机理突破方面,人们都对其寄予很大期望。 然而,高温氧化物超导体的物理性质显著不同于常规金属,尽管目前已有了多种理论模型,例如共振价键理论、双极化子机制,但超导的配对机制仍然悬而未决,超导技术的进一步应用需要对其机理的进一步研究,因此高温超导机理研究是凝聚态物理中的前沿课题。 2.技术原理及性能指标 本项目创新性地利用正电子湮没、Raman光谱、XRD测试等手段,对3d掺杂稀土氧化物超导体、超导-铁电复合材料及相关薄膜等系列样品的结构相变和局域电子结构对体系电磁输运性能的影响进行研究。获得了结构相变、局域电子结构对体系超导电性能影响的物理图像,为揭示强关联超导体电输运特性的机理提供了实验与理论基础,对超导技术的进一步应用具有重要的指导意义。 本项目研究主要集中在强关联高温超导体系结构相变、电子结构和电磁输运性能方面。研究结果表明： ①对于RBa2Cu3O7-δ（R=稀土元素）体系,当Fe掺杂量为0.10时,三类稀土超导体系均发生了O-T相变,具有很好的一致性,Zn掺杂体系未发生O-T相变,但是晶胞参量因替 代而发生了显见的畸变;三类Fe掺杂体系的局域电子密度均随掺杂量增加而下降,且在O-T相变区域发生明显的波动,反映了结构相变和体系局域电子结构的关联,Zn掺杂导致体系电荷转移现象;3d金属掺杂对体系的电输运性能有抑制作用。Zn/Fe掺杂导致体系电子局域结构的变化是抑制超导材料输运性能的主要原因之一。 ②铁电材料BaTiO3的掺入抑制了YBCO体系的晶粒生长,改变了体系的超导正交相结构,同时增加了YBCO的钉扎中心,提高了体系的钉扎力,因而提高了体系的电流密度。 ③Ba0.1Sr0.9TiO3/YBa2Cu3O7-δ（BST/YBCO）双层膜间,由于接触面两种材料晶格的不匹配、离子的价态和电子结构的不同,能够引起电极化,形成电畴壁,这种界面效应对超导膜的电子密度分布和输运产生重要影响。通过优化制备工艺,超导-铁电复合材料BTO/YBCO的电流密度增加了一倍,且铁电/超导双层膜BST/YBCO具有较高的介电常数和较低的介电损耗。 3.技术的创造性与先进性 本项目利用正电子湮没、拉曼光谱等手段,采用理论与实验相结合的方法,给出体系的正电子寿命谱和符合多普勒展宽谱,得到电子局域密度分布和电子动量分布与相结构变化的关联,同时发现电子局域电子密度对相关超导材料电输运性能影响的规律。通过国际查新证明,目前国内外文献中的研究内容与方法没有和本项目相同之处。 铜氧化物超导体自发现至今一直是凝聚态物理研究追踪的热点,但同时由于其结构的复杂性及由此所表现出物理现象的复杂性,使得高温超导体的进一步应用受到限制。本研究组以正电子湮没谱为主要研究手段,将强关联高温超导体系以及具有钙钛矿结构的超导-铁电多层膜中结构生结构相变、超导相变和电荷转移时的共有临界因素提供了重要的基础实验资料,为超导技术的进一步开发应用提供了重要的指导作用。 4.技术的成熟程度,适用范围和安全性 高温氧化物超导体在能源、交通、医疗、电子通信、科学仪器、机械加工以及国防等领域具有巨大发展潜力。为了突破高温氧化物超导体的超导转变温度较低,电流密度较小等限制因素,进一步提高该类材料的物理性能,明确结构相变和局域电子密度对超导电性的影响机理显得尤为重要。本项目研究结果揭示了高温氧化物超导体的电子结构变化对物理性能的影响规律,对高温氧化物超导的进一步开发和应用具有重要的实际价值。该研究结果如若加以推广,必将带来巨大的经济效益和社会意义。 5.应用情况及存在的问题 超导薄膜相关正电子实验数据的离散较性大且重复性差,尚需进行进一步的验证性实验。在上面的报告中,我们报道了利用我校新增“Raman光谱仪”对超导及超导-铁电陶瓷材料进行的测试结果。在此基础上我们将对超导及超导-铁电薄膜进行变温Raman光谱测试,给出进一步的补充实验。这部分研究将集中在多层膜的制备和正电子测试方面。