铁基超导材料SmFeAsO1-XFX的制备及掺杂动力学研究

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自从2008年发现了LaFeAsO1.xFx材料具有26K超导电性以来,铁基超导体的研究成为当今凝聚态物理学的热点问题。这一发现也引起了人们探寻和研究具有高临界温度超导体的兴趣。SmFeAsO1-xFx材料具有较高的临界温度,高于100特斯拉的上临界场,较铜氧化物超导体更小的各向异性等优点,因此有较好的应用前景而备受关注。本论文以SmFeAsO1-xFx材料为研究对象,主要研究内容如下:   首先讲述了铁基超导材料的研究进展,介绍了铁基超导材料的制备方法和工艺,在对比文献中制备方法工艺的基础上,系统总结和摸索了一套适合铁基超导材料的工艺,对传统的制备工艺做了优化。其中利用最优制备工艺,可以常压下合成Tc为57K的SmFeAsO0.75F0.25超导体,这是目前F单掺杂材料中转变温度最高的材料之一。利用两步合成法和粉末装管法(PIT法)合成了SmFeAsO0.8F0.2和SmFeAsO0.75F0.25超导体,通过SEM对其结构和微观形貌进行表征,发现晶粒的尺寸在5-20微米之间。对比材料的临界温度和XRD衍射图谱,发现转变温度与F元素的掺杂水平密切相关。通过EDX能谱发现晶粒中有F元素存在,说明F元素已经有效掺杂。   其次,系统研究了样品制备过程中石英管中的氧气含量对SmFeAsO1-xFx材料超导电性影响及机理。在制备过程中发现SmFeAsO1-xFx材料对氧气非常敏感,特别是样品制备时石英管中的氧气含量多少直接影响到SmFeAsO1-xFx超导电性的有无。为研究氧气对SmFeAsO0.8F0.2材料的影响,我们通过控制密封样品的石英管内空气压强的变化来间接实现不同含量氧气与样品的反应,然后采用相同的退火工艺处理样品,并对样品进行XRD表征和电阻率测量发现:   1.在SmFeAsO0.8F0.2材料中SmOF杂质相的生成与氧气含量有关,氧含量多的SmFeAsO0.8F0.2材料SmOF杂质相的数量也多。并通过验证性实验证实了样品制备时石英管中残留的氧气在高温下生成SmOF的事实,表明样品制备时石英管中剩余的氧气是SmOF杂质生成的诱导因素。   2.SmFeAsO0.8F0.2材料的超导转变温度受氧气的影响,转变温度随着样品制备时石英管内氧含量的增加出现降低趋势,当样品制备时石英管内氧含量达到一定程度时,SmFeAsO0.8F0.2材料失去超导电性,从而表现出母相的行为。这与低真空的条件下SmFeAsO0.8F0.2材料不超导相吻合。   3.对比石英管内剩余氧气的数量和SmFeAsO0.8F0.2材料中氧缺位的数量发现,剩余氧气的数量低于氧缺位的数量,我们定义石英管内剩余氧气的数量和SmFeAsO0.8F0.2材料中氧缺位的数量百分比为Y%,则超导出现的范围是Y%≤44.3165。这说明当Y%>44.3165即使有氧缺位的剩余但SmFeAsO0.8F0.2材料也是不超导的。   最后,研究了SmFeAsO1-xFx超导材料的掺杂的动力学研究是在氧气掺杂的基础上通过更换不同的初始原料来判断F元素的掺杂对成相的影响。解释了掺杂动力学过程和可能存在的反应化学方程。使用Sm2O3和FeAs做反应的初始原料研究发现,只用Sm2O3来提供SmFeAsO1-xFx材料中O元素的样品不超导,当使用Sm2O3和Fe2O3来共同提供氧源时,其中Sm2O3和FeF2物质量之比满足1:1和小于1:1时样品均具有超导电性。样品的XRD图谱符合ZrCuSiAs结构,但是都有少量的杂质相。掺杂动力来自初始原料粉末之间的高温扩散作用,实现F元素的掺杂。   本论文还探索了F元素和As元素过量掺杂对成相和超导电性的影响,发现F元素过量会导致材料不成相,样品不导电,而As元素过量样品杂质相太多,没有超导电性。最后,通过验证性实验证实了Sm2O3和FeF2反应生成SmOF的事实,这是样品中杂质相SmOF的又一来源。
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