鉍系超導體制備工藝和摻雜效應研究.pdf

1、為了制備出具有高Tc的Bi系銅氧超導體,在制備工藝方面我們研究了燒結溫度和燒結時間對超導相形成的影響,用XRD、SEM測試手段對樣品的結構、形貌做了系統(tǒng)的研究;為了解Pb含量對超導電性的影響,改變Pb的含量,觀察了樣品的XRD和Tc變化.實驗結果表明,適當?shù)臒Y溫度和時間對超導體的形成有很大的影響,且合適的Pb含量有助于加速超導體的形成. 在制備出具有良好超導電性材料的基礎上,用Mn和Zn對Cu位進行替代,利用XRD、SEM分析

2、了超導體的相組成和形貌,系統(tǒng)地測量了臨界溫度Tc,并分析了它們與摻雜量之間的關系.首次用拉曼及紅外光譜技術研究了Mn和Zn摻雜的Bi系超導體,并對觀測結果進行了理論分析和解釋,為深入探討高溫超導機制提供了新的實驗依據(jù).從研究中我們得出了結論如下: (1) 合適燒結溫度對制備高Tc的Bi系超導體是十分重要的.首先在溫度范圍:820-850℃,樣品燒結時間8h,制備了系列樣品.測得樣品的XRD、SEM、T-R的曲線,發(fā)現(xiàn)溫度低于84

3、0℃時,2212和2201相較多.經(jīng)過多次實驗探索發(fā)現(xiàn):最佳燒結溫度是840-850℃.在最佳燒結溫度下,延長恒溫時間,XRD顯示Bi-2223相的含量增加, Bi-2212和雜相含量減少.燒結溫度為850℃保溫90小時條件下,2223相的含量達到了88﹪,其Tc為105K.因此,燒結時間和燒結溫度對樣品質(zhì)量都有很大影響.只有在合適的燒結溫度下,延長燒結時間才有利與高Tc相的形成. (2)通過對不同鉛含量的樣品的T-R和XRD研

4、究表明,隨著Pb含量的增加其Tc相應增加.但當x=0.5時樣品內(nèi)Ca<,2>PbO<,4>相強度增加,Tc反而下降.這說明Pb含量過多時容易形成雜相.從實驗結果發(fā)現(xiàn),Pb含量為0.4時可以制備出最佳樣品. (3)對Zn替代的Bi系列樣品研究結果表明,Cu位Zn摻雜會使Bi-2223相變得不穩(wěn)定,其Tc降低,當摻雜量為0.05時,Tc下降為98.8K,隨著摻雜量的增加,臨界轉變溫度更低.Zn取代Cu后鈣欽礦型結構ABO<,3>中的

5、容忍系數(shù)t變小,因此,Bi-2223相會變得不穩(wěn)定,易分解為其他物質(zhì)而形成較多雜相,導致Tc下降較快. (4) 對Mn替代的Bi系列樣品的研究結果表明,當摻雜量少于等于0.10時,XRD結果顯示未出現(xiàn)雜相,Tc在100K以上:當x大于0.15時,樣品中Bi-2212相和Ca<,2>PbO<,4>相的含量逐漸增多,Tc降到93K以下.Mn替代Cu位后陽離子半徑減少會引起O<'2->間的排斥力增大,但是替代離子正電荷的增加可以增強正

6、負離子的庫侖引力,增強晶體穩(wěn)定性.因此Mn替代Cu位對超導電性的抑制沒有Zn強烈. (5) 通過測試Bi系摻雜超導樣品紅外吸收譜,觀測到不同元素摻雜及不同摻雜量的樣品超導性能的差異.通過分析609cm<'-1>峰位的移動,證明了Mn和Zn確實替代了Cu位.而且,無論是Mn還是Zn摻雜,隨著摻雜量的增加609cm<'-1>峰位的強度都減弱,Tc降低,我們認為這是由于摻雜影響了銅氧鍵的振動特征,進而影響了樣品的超導電性. (

7、6) 我們先對未摻雜樣品拉曼光譜圖中的峰位進行指證,在此基礎上對Zn、Mn離子摻雜的超導體拉曼光譜進行分析,確定453 cm<'-1>為CuO<,2>面上氧原子的面外伸縮振動引起的.從圖譜分析得出,Zn離子摻雜對Bi系超導體的結構有很大的影響,當摻雜量為0.3時,超導體的主相已成為2212相,而Mn離子摻雜的Bi系超導體,摻雜量為0.4時,仍未出現(xiàn)2212相的特征峰.因此,Bi系超導體中,Zn離子摻雜比Mn更顯著影響了樣品的超導電性,其