近代物理实验 YBa2Cu3Ox的制备及超导性质探究和拓展 演讲者：张浩然 学号：13307110017 合作者： 钱晨扬.

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1 近代物理实验 YBa2Cu3Ox的制备及超导性质探究和拓展 演讲者：张浩然 学号： 合作者： 钱晨扬

2 研究背景 Research Background 实验过程 Experiment presentation 实验结果 Results and conclusions 目 录 CONTENTS 其中在拓展与展望中我们想讨论一下最近正在进行了关于铁基超导体的实验进展，也和YBCO的实验有一个很好的对比 拓展与展望 Future planning

3 研究背景 Research Background 1

4 01 研究背景 Research Background 4.2K BCS 23.2K 92K 26K 1911 1957 1970 1987 2008 The first SC material 昂尼斯等人试图在研究金属汞在低温下的电阻行为，发现在4.2K时金属汞的电阻降到了仪器测量规范的最小值。 BCS theory Bardeen, Cooper and Schrieffer theory在微观尺度上成功解释了超导现象 Nb3Ge & 麦克米兰极限 由BCS理论推之，金属合金超导体的临界温度存在一个40K的上限 YBCO YBCO是发现的第一个临界温度在77K以上的超导体。可在液氮温度发生超导。 Iron-based SC 通常认为铁离子带磁性，会极大程度上破坏超导。但是在2008年发现了第一个铁基超导体，之后科学家们在此方向取得突破性进展。 最先发现超导这一有趣的物理现象是在1911年， 由昂尼斯等人在研究金属汞在低温下的电阻行为，意外发现在4.2K时金属汞的电阻突然降到了仪器测量规范的最小值。 之后科学家们对于超导这一现象研究的越来越多，而在1957年三个物理学家发现了BCS理论，成功在微观尺度上解释了超导现象。 然而到了1970年，凝聚态物理一大问题在于无法找到更高临界温度的超导体，而由BCS理论又推之的40K的一个上限（麦克米兰极限）又是让室温超导这一梦想变得遥遥不可及。 但是幸运的是，科学家们并没有放弃，转去在原本以为是绝缘体的铜氧化物材料中寻找超导电性，并在1987年发现了第一个突破麦克米兰极限的超导体，Tc达到92K。之后对于铜基超导体的研究也是越来越深入，最终在加压下可以达到164K。 近几年，研究铁基超导体的科学家们也越来越多。

5 1https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity

6 01 02 01 研究背景 Elementary properties of Superconductors 临界磁场强度Hc(T)
Research Background Elementary properties of Superconductors All superconductors have exactly zero resistivity to low applied currents when there is no magnetic field present or if the applied field does not exceed a critical value. Also, when a superconductor is placed in a weak external magnetic field, and cooled down below its transition temperature, the magnetic field is ejected. 临界磁场强度Hc(T) 当外界磁场强度超过临界磁场强度Hc(T)时，材料由超导体恢复为正常状态。Hc(T)=Hc(0)(1-T2/T02) 01 我再介绍一下超导体两个基本性质，第一个是零电阻特性，当达到某一临界温度时，超导体的电阻会从有限值骤降为0；另一个特性是麦斯纳效应，处于超导态的超导体会产生一个抗磁性屏蔽电流，总的来说就是超导体完全抗磁，物理现象表现为如图所示的结果。 02 2https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NjYwNzM1Ng==&mid= &idx=1&sn=fb61eb4aaaac1f221047d90195eeb3d0&scene=7&uin=MTA5MzEzMDQ0MQ%3D%3D&key=f5c31ae61525f82e9d5cd8a6e140713ca8bdd8dd83efac7e307b70e54bd520285d3fde0f05a5da825c2e0b8182af8be1&devicetype=iMac+MacBookPro12%2C1+OSX+OSX build(15D21)&version= &lang=zh_CN&pass_ticket=xLffEJXXsjVo2k0UMw38UGFKURGjGKTPZsUeY0VpugCaP%2FukYneXAqp%2BFCOooxPR

7 01 研究背景 Research Background 超导的应用 由于超导的两个特殊性质，超导材料可以在诸多领域有着重要应用。利用零电阻的超导材料代替有电阻的常规金属材料，可以节约输电过程中的大量热损耗；可以在较小的空间内实现强磁场，从而获得高分辨的核磁共振成像；在大型强子加速器的加速通道中采用超导磁体等。 01 零电阻的超导材料可以节约输电过程中的热损耗 所以根据这些性质，超导体有诸多方面的应用，如电路传输，超导磁体以及磁悬浮列车等等。 02 超导磁悬浮列车 03 欧洲大型强子加速器(LHC)的加速通道中的超导磁体

8 01 研究背景 BSCCO Cu and Iron based 高Tc 高Jc 超导的发展前景 Production Application
Research Background 高Tc 高Jc BSCCO Cu and Iron based 通过目前对于两大家族的研究重新理解超导的微观机理，希望能从理论上预言一些高温超导体。 超导的发展前景 YBCO是最早发现的高温超导体，由于其多晶有很低的临界电流，其材料质地也很松脆，不适宜做超导电输运材料。BSCCO更适合。 制备工艺 应用 Production Application 1.由于对于最开始对于铜基超导体的研究瓶颈164K，实验科学家只能凭借经验和感觉在茫茫多的材料中中试探。而发现了铁基超导体之后有利于科学家们对于超导机理研究更加透彻。 （二者家族有非常相近的晶体结构磁性结构和电子态相图，而本身铜基超导体中有电子之间有很强的相互关联体系，称为强关联体系，现在也是一个比较热门的领域。铁基超导体更像是传统的合金超导体和铜基超导体的一个过渡的家族，有利于人们理解其中的物理本质） 2.找到高临界电流密度的超导材料也是研究的方向之一，比如YBCO之所以应用前景不好，一个原因之一就是多晶临界电流密度很小。 3.希望在制备工艺上有所进展和提高，不局限于基础的工艺的摸索，而将一些可行的材料投入到工业化的生产中。 4.虽然最主要，目前最trivial的想法是利用超导体的零电阻实现零电阻输运，但是一些材料的特殊的性能也应该加以利用并推广到市场上。 包括目前比较火的界面超导性质，单层的FeSe材料实现了60K以上的高温超导。 对于新的高Tc材料找到更系统的成熟的制备方法，从工艺变成系统化生产。 超导材料的应用

9 01 研究背景 如今超导体的已经成为凝聚态前沿领域之一，受到国内外科学家们的很多关注。
Research Background 如今超导体的已经成为凝聚态前沿领域之一，受到国内外科学家们的很多关注。 3.Phase diagram and electronic indication of high-temperature superconductivity at 65K in single-layer FeSe films, Nat. Matt., 4.Electric –field-induced superconductivity in electrochemically etched ultrathin FeSe films on SrTiO3 and MgO, J. Shiogai, Nat. Phys., 10(1048), 2015

10 2 实验过程 Experiment presentation

11 02 实验过程 化学原料和称量仪器 研磨工具 测量设备 电极的加工和连接 焙烧仪器 压片仪器
Experiment presentation 化学原料和称量仪器 Y2O3, BaCo3, CuO；带流量控制阀的氧气瓶； 电子天平 研磨工具 玛瑙研钵；刚玉舟 测量设备 电压表，恒流源，样品杆； PPMS MPMS Quantum Design 电极的加工和连接 银丝，铟粒； 银胶，银丝，样品托 焙烧仪器 SK2-2-12管式电阻炉；AI-708P(V6.5)程序型智能温度调节器；铂铑10-铂热电偶温度计 压片仪器 压片机，长方体块状模具

12 02 实验过程 实验过程 电极的加工和输运测试 样品的配比和研磨 焙烧 样品的预焙烧 数据分析与讨论 样品的压片 12
Experiment presentation 实验过程 电极的加工和输运测试 样品的配比和研磨 焙烧 样品的预焙烧 数据分析与讨论 样品的压片 3http:// 12

13 02 实验过程 Experiment presentation a = 3.82, b = 3.89, and c = Å 经过测量，沿着c方向a = 3.82, b = 3.89, and c = Å 4https://en.wikipedia.org/wiki/Yttrium_barium_copper_oxide

14 02 实验过程 3http://www.qd-china.com/products2.aspx?id=44
Experiment presentation 3http://

15 02 实验过程 Experiment presentation

16 实验结果 Results and Conclusions 3

17 03 实验结果 由于上升和下降的曲线差距太大，最后采用PPMS来确定在零场下该YBCO材料的Tc=92.2K
Results and Conclusions 找到RT曲线中0.1R和0.9R的位置，并取中点，得到转变温度Tc 0.1R 和0.9R 对于Tc取值我们采用目前科研上运用最多的方法，即在取转变edge的中点来确定Tc。 由于上升和下降的曲线差距太大，最后采用PPMS来确定在零场下该YBCO材料的Tc=92.2K

18 03 实验结果 为了验证前面Cooling和Heating的两条RT曲线有偏差这一现象，又在PPMS上重复了上述实验，发现升降曲线基本吻合。
Results and Conclusions 为了验证前面Cooling和Heating的两条RT曲线有偏差这一现象，又在PPMS上重复了上述实验，发现升降曲线基本吻合。 在测量超导材料的RT曲线达到材料的临界温度时，电阻会迅速下降，取中点的温度为临界温度Tc。 超导转变

19 03 实验结果 对于超导体研究较多的还有临界电流和磁场和温度的相图关系，但是由于机时有限，并没有在该方面做过多研究 相图
Results and Conclusions 对于超导体研究较多的还有临界电流和磁场和温度的相图关系，但是由于机时有限，并没有在该方面做过多研究 通过前面的测量，我们可以大致将该磁场下的对应的转变温度画在一张图上，得到如图所示的相图，其中左边为超导态，右边为普通态。 相图

20 03 实验结果 Results and Conclusions FeSe

21 03 实验结果 Results and Conclusions 现在FeSe材料研究的比较热门的原因在于他们结构非常简单，更一个有趣的现象是由于表面相互作用，在一些衬底上，单层的FeSe表现为高温超导特性，大致从原来的8K可以达到65K左右。对于这样一个有趣的现象，我们也要研究一下。目前由于在短时间内学不会比较高端的MBE单层生长系统，我们转而采用比较考验工艺技巧的机械剥离的办法将FeSe材料转移到STO衬底上，并通过微纳加工的方法加上电极，并进行输运测量，如图所示是刚刚加工好的一个薄层的FeSe材料的电极图。

22 03 实验结果 Results and Conclusions 其中同样比较有趣的一个材料是FeSeTe材料，不同配比的SeTe和衬底会一定程度上改变Tc并且他们RT曲线也会有所不同，呈现metallic behavior，semi conductor behavior 和 insulator behavior目前也是我们组研究的一个重点。

23 拓展与展望 Future planning 4

24 04 分析与讨论 拓展与展望 升降温度曲线的误差 2. YBCOx中x对于临界温度的影响 EDX测量 3. 临界温度的选取方法
Future Planning 分析与讨论 升降温度曲线的误差 2. YBCOx中x对于临界温度的影响 EDX测量 3. 临界温度的选取方法 4. MT 与 RT曲线的误差 5.展望 薄层的YBCO 单层的FeSe EDX：能量色散X射线光谱仪 或者XRD 7.B. Wuyts, V.V. Moshchalkov, and Y. bruynseraede, Phys. Rev. B 53, 14, 1996

25 04 拓展与展望 Future Planning 3.Phase diagram and electronic indication of high-temperature superconductivity at 65K in single-layer FeSe films, Nat. Matt., 4.Electric –field-induced superconductivity in electrochemically etched ultrathin FeSe films on SrTiO3 and MgO, J. Shiogai, Nat. Phys., 10(1048), 2015

26 04 拓展与展望 Future Planning Conclusions 1.通过一定的尝试成功制备出超导体YBCO，并且通过测量RT曲线得到了YBCO的临界温度为92.2K。 2.利用PPMS改变磁场测量了不同磁场下YBCO的RT曲线，得到了一个比较粗略的YBCO在温度和磁场下的相图，定性的与理论情况进行了比较。 3.利用微纳加工的方法测量了二维铁基超导材料的输运性质，为之后的实验提供了很好地实践基础。

27 参考文献 1. https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity
2. 3.T. Terashima, K. Shimura, and Y. bando, Phys. Rev. Lett. 67, 10, 1991 4.P.P. Nguyen, Z. H. Wang, and A.M. Rao, Phys. Rev. B 48, 2, 1993 5.P. Przyslupski, I. Komissarov, W.Paszkowicz, Phys. Rev. B , 2004 6.H. Obara, A. Sawa, and S.kosaka, Phys. Rev. B 49, 2, 1994 7.B. Wuyts, V.V. Moshchalkov, and Y. bruynseraede, Phys. Rev. B 53, 14, 1996 8.J. Gutierrez, A. Llordes, J. GazqueZ, Nat. Matt. 6(307), 2007 9. N. Kanda, M. Kawasaki, T. Kitajima, Phys. Rev. B 56, 13, 1997 10.Phase diagram and electronic indication of high-temperature superconductivity at 65K in single-layer FeSe films, Nat. Matt.,2015 11.Electric –field-induced superconductivity in electrochemically etched ultrathin FeSe films on SrTiO3 and MgO, J. Shiogai, Nat. Phys., 10(1048), 2015 12. Phylab.fudan.edu.cn

28 Q & A 谢谢欣赏