PDF《高温超导材料、物理、应用和实验方法研究进展》

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年) '

期! 0- 12-

23 高温超导材料、 物理、 应用和实验方法研究进展 邱祥冈! ! 郑东宁! ! 何豫生! ! 周兴江! ! 闻海虎4 (中国科学院物理研究所! 超导国家重点实验室! 北京! 5%%56%) 摘! 要! ! 文章介绍了中国科学院物理研究所超导国家重点实验室在新超导材料探索合成、 高质量样品的制备、 超 导机理和物理性质研究、 以及仪器建设方面的研究进展- 在超导材料方面, 生长出具有国际一流水平的氧化物高温超 导单晶;

在铁基高温超导材料方面, 获得最高的超导转变温度;

在超导机理的研究方面, 建立了一些行之有效的手段, 如低温比热、 隧道谱、 角分辨光电子谱、 红外光电导谱等等, 利用这些重要手段获得了一些重要结果, 如从比热角度提 出欠掺杂氧化物超导体应该具有一个费米弧基态, 利用高精度角分辨光电子谱测量第一次观察到 55789: 和57%89: 两个新的高能量精细结构- 另外, 还在介观尺度超导薄膜上面观察到一些有趣的现象, 如磁通系统和人工微结构之间 的匹配效应- 关键词! ! 新超导材料, 机理, 应用, 实验方法 )(0 %1/23%&

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:, 为:和BC (图4) &

0113 年, 日本东京工业大学的细野秀 雄等合成了这种材料中的一部分 ( 7*8=>

:, 7*8D A):) , 并发现温度在 EF 左右有超导转变&

0112 年0月0. 日, 同一个小组发表文章, 如果把镧氧铁磷中 的磷用砷替换, 同时对氧用少量氟替换, 会出现 03F 的超导转变 [4] &

这是继

4523 年的氧化物超导体、

0114 年的二硼化镁超导体 (E1F) 发现后的又一重 要发现, 引起了超导界的广泛关注, 并掀起了研究新 型超导材料的新一轮热潮&

图4- 7*8=>

BC 材料的结构图, 一层 7*8 和一层 =>

BC 交替堆砌 成一个层状结构&

= 替代

8 元素, 给系统提供电子, 而将 7* 位置 换成其他轻稀土元素, 可以获得超导转变温度高达

61 几F的超 导体 在得知消息后, 物理所超导实验室立即进行了 合成工作&

在0112 年.月初, 闻海虎研究组利用不 同于日本小组的方法成功制备出了这种新超导体, 并测量了很多输运特性的第一手资料&

紧接着, 闻海 虎小组发现不用 = 代替 8, 而是 GH 代替 7*, 也在 GH 掺杂 7*8=>

BC 中发现有 03F 的超导电性 [0] &

赵忠贤 院士小组将 7* 换成其他轻稀土元素 ?>

,A0 上光学谱没有看到与电荷密度波相联系的特 征结构不同, 我们在 0MDN*G0 样品上明确观察到在 电荷密度波态费米面存在部分能隙特征&

我们与复 旦大学合作, 利用角分辨光电子能谱 ( BR:SG) 在0M 型二硫族过渡金属化合物 A*! N*G0 (一种存在着 很强的电声子相互作用的体系) 中发现了一种新的 ?OP 形成机理&

同时证明在这个体系中, 遍布整个 布里渊区的所谓 =>

HI) #* +!>

C 和体系的 ?OP 转 变相关;

而且在 ?OP 能隙打开时, 体系的 BR:SG 谱 线只有费米能量附近的部分谱重被移开 (图0) &

以 往一些长期困扰 0M 型二硫族过渡金属化合物 ?OP 转变研究的问题, 如?OP 转变时的调制波矢和费 米面大小不匹配, 发生 ?OP 转变时费米面附近测 量不到能隙打开等奇异现象, 都得到了很好的解释&

考虑到在很多复杂体系中都发现了类似的 =>

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$ ・ 中国科学院物理研究所成立

21 周年 ! 物理・ # 卷($%%&

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23 *1)2(45 的特征, 这种新的由

64780 *1)2(45 引起的 9:;

转变机理在强电声子相互作用体系中有着普 遍的意义 [#] - 图$! 根据对光电子能谱实验数据 (图( (=A79) 单晶的超导转变宽度、 B8)CC,8<

分 量等超导性质在电荷浓度 ! D

4 E

43 和4EF附近出 现反常, 并确认了在这些特定空穴浓度附近, 存在

7 分别为 4?G 和.1G 的本征超导相 (表现出相对 窄的超导转变, !H$0G) &

他们把这些特定的空穴浓 度称为 魔数 (I*J)+ ,'

IK8?$ ,

787 薄膜的远红外光学性 质进行了研究, 观察到了其中的表面等离子体现象 以及由此导致的增强透射现象- 发现当表面等离子 体频率大于超导能隙时, 用超导体做成的人造材料 的透射谱不随其进入超导态而发生改变, 然而, 当表 面等离子体频率小于超导能隙时, 用超导体做成的 人造材料的透射谱随着超导体进入超导态而发生显 著改变- 该工作将有可能为材料物性的研究探索出 一种新方法 [$%] - 4! 高温超导及其他氧化物薄膜材料的 制备、 物理性质和器件研究 超导薄膜材料是电子学应用的基础- 由于氧化 物超导体和巨磁电阻材料是一类复杂的多元氧化物 材料, 其组分、 非均匀性和各类微结构对超导电性有 十分重要的、 甚至是本质的影响, 这就对高温超导薄 膜材料的制备提出了很大的挑战- 在薄膜生长过程 中, 会伴随在薄膜内部、 表面和界面产生种种缺陷, 影响到薄膜和器件的性质- 因此, 为了确保制备高质 量的薄膜, 有必要对薄膜的生长予以原位观察- 我们 将自行研制的国内首台可用于监测 @AB 薄膜生长 过程的高气压高能电子衍射 (CDEEB) 系统, 应用于 薄膜的制备研究中, 不但制备出了高质量的薄膜, 而 且可以通过调节生长参数, 获得一些特定的微观结 构[$F] - 例如, 在利用氧化锆为过渡层的硅基衬底上 生长 A1G1=3H 薄膜的过程中, 通过原位检测获得了 具有面内两种取向畴的薄膜, 在这样的薄膜上测量 到了由于自旋极化引起的加大的低场磁电阻 [$$] - 与高温超导体一样, 许多铁电、 巨磁电阻氧化物 功能材料都具有类似的钙钛矿结构, 将这些具有不 同性质的材料以多层薄膜或超晶格的形式集成起 来, 有可能出现新的现象和构成新的器件- 研究超导 与铁电、 G=C、 半导体等材料的异质多层薄膜的制 备和性质无疑是这一方向的体现- 我们完善了自行 研制的激光分子束外延 I 磁控溅射复合原位成膜系 统, 制备出了具有很好表面及界面质量的电子型高 温超导体 A1G;

G.H 薄膜, 利用这些薄膜观察到最佳 掺杂和过掺杂样品中的面内电阻符合 J$ 的关系, 基 本符合二维费米液体行为- 我们研制成功 A1G;

G.HK ?9JK A1G1=3H 全钙钛矿结构 *L0L3 结, 得到了 F%4 以上的整流效应, 该整流效应从室温到 MN 很宽的 温区内都保持良好的整流特性, 这为新型器件研制 提供了新思路 [$ , $4] - 对于高温超导微波器件的研制, 高质量大面积 的双面超导薄膜至关重要- 我们对于这种薄膜制备 中所遇到的许多关键技术问题进行了认真研究, 制 备出了 $ 英寸高温超导双面 O?1G.H 和J/?1G1G.H 薄膜, 临界温度、 临界电流密度和微波表面电阻以及 这些参数的均匀性等关键指标达到了与国际相当的 水平, 已提供用于多种超导滤波器的研制, 获得较好 的结果- 多次比对测试 (包括在日本 :P9J) 显示性能 良好- M! 高温超导滤波器及子系统的研制和 实验 在超导薄膜的微波器件应用方面, 我们从相关 超导物理机制等基础性原理入手, 开展了超导微波 非线性机理和微波滤波器件设计原理等的基础研 究, 发展了高温超导滤波器新的设计理论和方法[$M ] , 解决了实际应用中提出的设计、 制作和系统 集成中的关键问题, 已经形成了从器件设计、 仿真、 制作到封装、 调试和子系统集成的能力, 掌握了关键 技术- 先后研究了适用于移动通信、 卫星和气象雷达 等微波接收机前端的高温超导滤波器及其子系统, 并开展了与卫星接收机联机 (地面) 试验和应用于 边界层风温廓线气象雷达 (系国际首次) 的现场试 ・ # $ ! ・ 中国科学院物理研究所成立 &

% 周年 ! #: 物理・./ 卷(0112 年)

3 期验, 以及在大唐移动通信设备公司的实验室测试, 均 取得成功&

在卫星应用方面, 与卫星接收机联机 (地面) 实 验结果表明, 使用高温超导滤波器子系统不仅能够 极大地提高微波接收机的抗干扰能力, 而且大幅度 地降低了微波接收机的噪声系数 (约/.4 左右) &

与 此同时, 我们研制的滤波器还通过了严格的模拟卫 星发射的航天飞行器力学环境模拟试验 [03] , 目前与 空间技术研究院联合申请的 《通信超导滤波器验证 试验装置》 项目, 已被确定为我国首颗新技术试验 卫星上的优选项目&

我们与航天集团 0. 所及北京市气象局合作, 在 国际上率先开展了高温超导滤波器在风廓线气象雷 达的应用研究&

现场实验结果表明: 采用高温超导微 波子系统, 雷达整机灵敏度提高了 .&

256;

抗干扰能 力提高了 72&

756&

在邻频电磁波的干扰下, 使用常 规器件的雷达系统不能正常工作而采用高温超导微 波子系统后, 即使在更强的邻频电磁干扰下, 仍能保 证雷达系统正常工作&

目前, 正在建设高温超导气象 雷达应用示范站, 将为

0112 北京奥运提供高质量气 象服务 [0/] &

我们在适用第三代 (.8) 移动通信基站的........