新型超导体二硼化镁(MgB2)基础研究及其应用展望

文章简要介绍了新型超导体二硼化镁的发现、研究进展和应用前景．理论和实验都已经证明，二硼化镁的超导电性来源于电声子耦合，可以用具有S—波对称性波函数的BCS图像来描述．然而在二硼化镁超导体中，人们发现有两个超导能隙，一个在6meV，另外一个在2meV左右，它们同时在超导转变温度处打开，这给超导机理研究带来了一些新的内容．在混合态物理方面，人们发现超导与正常态的边界线(上临界磁场Hc2)与磁通融化线(不可逆线Hirr)之间有很大的间隙，即使在绝对零度时也是如此，作者提出这可能是由于双能隙的结果或磁通物质的量子融化．在应用方面，最有可能把它做成超导磁体，利用闭路循环制冷机制冷在20K左右使用，这样极有可能取代现在医学上使用的核磁共振成像的液氦温度超导磁体．     

二硼化镁颗粒超导体的特性研究

我们通过B2O3和Mg的置换反应制备了MgB2复合超导体，对其物理特性的研究发现：在超导转变过程中dR／dT～T曲线出现了两个转变峰，而在Ⅰ～Ⅴ测量中也观测到了电压的两次转变，我们认为这起源于二硼化镁晶界效应的增强．并利用二维渗流模型对这些现象进行了讨论．     

二硼化镁颗粒超导体的特性研究

我们通过B2O3和Mg的置换反应制备了MgB2复合超导体,对其物理特性的研究发现:在超导转变过程中dR/dT～T曲线出现了两个转变峰,而在I～V测量中也观测到了电压的两次转变,我们认为这起源于二硼化镁晶界效应的增强.并利用二维渗流模型对这些现象进行了讨论.     

拓扑指数与掺杂二硼化镁体系超导电性的关系

构建了电性连接性指数mF和价电子能级连接性指数mE,计算了二硼化镁体及掺杂二硼化镁体系的0阶拓扑指数0F和0E,发现与超导转变温度Tc之间有良好的规律性,因此,本文提出以电性连接性指数mF和价电子能级连接性指数mE作为掺杂二硼化镁体系超导电性的新判据.     

MgB2超导体中的双能隙

MgB2的超导机制不同于传统的金属超导体.最近,来自美国加州大学(Berkeley)的Choi等采用从头计算的理论方法,研究了MgB2的超导能隙,即电荷载流子配对的形成能.研究结果表明,MgB2是一个双能隙超导体.在此基础上,一些可测量物理参数的理论结果被给出,从而解释了MgB2反常的超导特性,这包括:高的超导转变温度Tc,比热对温度的依赖关系,以及角分辨光发射谱和隧穿实验所给出的多能隙证据(小能隙Δ≈1.5-3.5meV,大能隙Δ≈5.5-8meV).MgB2晶体由B原子层和Mg原子层交替堆叠而成,具有六方对称性.B层的结构类似于石墨片,呈峰窝状;从M…     

价层轨道平均能与掺杂二硼化镁体系超导电性的关系

研究了不同掺杂组分二硼化镁超导体的超导电性和原子价层轨道平均能的关系,发现全部阳离子和阴离子的价层轨道平均能的平均值主要集中在9.9ev至10.35ev之间,阳离子之间与阴离子价层轨道平均能的平均值之差都集中在在3.1ev至4.4ev之间.这种关系将有助于了解晶格上电子的静电作用与超导机理之间的关系。     

硬度和电负性对掺杂二硼化镁体系临界电流密度的影响

依据Slater过渡态计算法计算出的元素的硬度和电负性作为标度,通过对二硼化镁及掺杂二硼化镁超导体硬度和电负性的计算,研究了二硼化镁及掺杂二硼化镁超导体硬度和电负性与临界电流密度的关系,发现其具有较好的规律性。由此,提出用硬度均衡值ηcq和电负性的平均效应值cχq作为提高掺杂二硼化镁超导体临界电流密度的一个新依据,对今后二硼化镁超导电性的改善有很好的指导意义。     

关于二硼化镁超导体比热的一点探索

在双带密度泛函理论的基础上,研究了双能隙超导体MgB2的超导态的比热跃变ΔC(T)与能隙的关系,指出了比热跃变的主要原因,并在转变温度Tc时将ΔC(T)/Tc的理论计算值与实验值作了对比,结果符合得很好。     

价层轨道平均能与掺杂二硼化镁体系临界电流密度的关系

本文研究了掺杂二硼化镁超导体系的原子价层轨道平均能IEMI与临界电流密度Jc之间的关系,发现它们之间有较好的规律性.全部阳离子和阴离子的价层轨道平均能的平均值主要集中在10.12eV至11.29eV之间,阳离子与阴离子价层轨道平均能的平均值之差IDEI几乎都集中在3.59eV至4.98eV之间.对于理解晶格上电子的静电作用与超导机理的联系是很有帮助的.     

MgB2超导体掺Au的研究

分析不同烧结温度及时间和不同掺金量的名义组分为Mg1-xAuxB2样品的X射线衍射图后发现，很难得到单相的Mg1-xAuxB2样品，名义组分为Mg1-xAuxB2（x=1/16,2/16,0.146)的样品都是多相混合物，X射线衍射图显示主要是Au和Mg的化合物，样品的起始超导转变温度仍然由MgB2决定。     

超导体MgB2成相过程研究

根据镁和硼的基本化学性质、杂化轨道理论、前线轨道理论和粉末反应理论,分析了粉末反应中MgB<,2>晶核的形成及生长过程.这一过程可分三步完成:(1)两种粉粒碰撞接触,做反相微幅受追振动,产生MgB<,2>成相区;(2)两个硼原子相遇,价轨道经sp<'2>杂化生成B<,2>,镁原子的两个3s价电子自旋相反成对填入B<,2...     

双能隙超导体MgB2的热导

测量了多晶MgB2的热导，实验温区为5—300K.在双能隙模型下，用基于BCS超导理论的BRT热导理论对实验结果进行了分析，给出MgB2中两个能隙大小分别为16和51meV.对电子热导的分析结果表明σ能带准粒子受到的杂质散射远小于π能带准粒子受到的杂质散射.与单晶MgB2的热导实验结果相比，多晶MgB2的声子热导结果表明在c方向上热传导声子受到来自σ能带准粒子的散射，显示了MgB2在能量输运上的各向异性. 关键词： MgB2 热导率 能隙     

新型超导体MgB2和MgCNi3热、电输运性质研究

报道了两种新型超导体MgB2,MgCNi3和氧化物高温超导体Bi2Sr2Ca0.9Ce0.1Cu2O8+y的热导率-温度关系和电阻率-温度关系.实验发现氧化物高温超导体在进入超导态后热导有所上升,出现极大值后再下降,而MgB2和MgCNi3则单调下降.由Wiedemann-Franz定律分别计算了它们在正常态的电子热导和声子热导.由于共有化电子的非局域性,在MgB2和MgCNi3中电子热导的贡献占据相当大的成分.对电子热导的分析结果表明,在MgB2和MgCNi3的电子热导中静态缺陷对电子的散射占主导地位.     

非铁磁性管套法硼化镁带材的基本物理特性

采用粉末管套法,在不锈钢、铜和铝非铁磁性金属管套中制备了MgB2超导带材。电阻温度特性测量表明,以不锈钢管为包套制备的MgB2超导带材具备较好的电输运性能:临界转变温度最高(Tc=33.7K)、转变宽度最窄(零电阻转变ΔTc=1.2K,完全抗磁转变Tm=1.9K)。XRD测量显示,三种管套都能够使MgB2良好成相,MgB2和MgO相的相含量比例R(SS、Cu、A l)分别为7.15、2.45、3.77,样品中MgO相应该是Mg和管套中残余的氧反应的结果,铜管和铝管中还分别检测到了Cu2Mg和A l3Mg2相。对不锈钢管套MgB2带材的热导率测量显示,在超导转变温度以下热输运能力单调下降,满足多晶导体内热运动随温度变化的理论结果。     

热处理对MgB_2超导体超导电性和显微结构的影响

采用固相反应法常压下制备MgB2超导块材,研究两种不同的热处理工艺(淬火、预热)对MgB:超导电性和显微结构的影响.结果显示淬火有助于细化晶粒,提高样品的临界电流密度;预热在一定程度上提高MgB2样品的致密度和磁通钉扎力,其中随炉升温600℃预热1 h再升至750℃保温0.5 h后淬火的样品自场Jc达到0.586 MA/cm2,不可逆场超过7 T,20 K下在0.8T达到最大钉扎力Fpumax.     

Zn掺杂MgB2超导电性的研究

我们用传统的固相反应法烧结了一系列Mg1-xZnxB2（x=0.00,0.02,0.04,0.06,和0.08）,仔细研究超导转变温度和结构,发现随着Zn掺杂量的增加,002峰向衍射角减小的方向转移,这使Zn原位替代Mg和晶格常数a的增大成为可能.电阻系数测量表明,被Zn替代后开始的超导转变温度（Tc）几乎没有变化,尤...     

硅衬底MgB_2-B-MgB_2超导SNS约瑟夫森结的制备与特性

利用两步原位电子束蒸发技术,在Si(111)衬底上制备了MgB2-B-MgB2超导SNS约瑟夫森夹心结.夹心硼(B)层厚度从10nm到80nm范围内MgB2-B-MgB2/Si(111)薄膜表现出明显的SNS约瑟夫森结特性,而在5nm和100nm处薄膜分别是整体超导和正常金属特性.在同一温度下,随着硼层厚度的增加,临界结电流减小,对同一厚度下,临界结电流随着温度的增加而减小.同时,实验指出,夹心硼SNS超导MgB2约瑟夫森结的电流-电压(I-V)曲线具有回滞现象,符合SM模型.     

铝、碳共掺提高MgB2临界电流密度

本文研究了在MgBq超导体中Al,C及两种元素共同掺杂时对样品的超导转变温度,不可逆场和临界电流的影响.研究发现,少量的铝掺杂可以提高MgB2超导材料在低场下的临界电流密度,但由于对Tc的抑制而降低其在高场下的载流能力,而碳掺杂则可以有效提高MgB2超导材料的上临界场和不可逆场,从而达到改善其在高场下的载流能力的目的.研究发现,在0-7T外磁场范围内,1%铝和1%碳共同掺杂的样品表现出最佳的载流性能.钉扎力曲线的分析也应证了这一结果.     

葡萄糖掺杂MgB_2块材超导电性研究

本文采用化学溶液法制备了在不同热处理条件下葡萄糖掺杂的MgB2块材样品.并对样品的晶体结构及超导电性进行了系统分析.X射线衍射结果表明掺杂样品a轴方向上的晶格参数减小,说明MgB2晶格中部分硼原子被葡萄糖分解后的活性碳原子所替代.此外,在两种不同烧结温度下,5wt%C6H12O6掺杂量对Tc都有较小的抑制,但不可逆场和高场下的载流能力得到了提高.在10K,5T下,掺杂样品的临界电流密度可达104A/cm2,比纯样Jc值大2～3倍,这表明掺杂样品的磁通钉扎性能得到了有效改善.