發(fā)布時間：2019-10-03 15:29

【摘要】：自從1911年,荷蘭科學家昂納斯發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象以來,超導材料以其獨特的物理性質(zhì)和復雜深刻的物理機制獲得了研究人員廣泛的關注,目前已有多項超導學研究獲得過諾貝爾物理學獎。在臨界轉(zhuǎn)變溫度以下,超導材料具有零電阻、完全抗磁性及約瑟夫森效應等基本特性�；谶@些特性,超導材料在電工電子等許多領域都具有非常巨大的應用潛力。 2008年發(fā)現(xiàn)的鐵基超導材料不同于常規(guī)超導材料,其臨界溫度Tc突破了基于電聲耦合機制的BCS理論所預言的麥克米蘭極限39K。因此,Fe基超導材料的研究為解開長期存在的高溫超導機制之謎提供新的契機,從而將對凝聚態(tài)物理的許多相關領域起到十分重要的推動作用。同時,Fe基超導材料具有優(yōu)異的載流性能和力學性能,因此在實用化領域也具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?基于晶體結(jié)構的不同,鐵基超導主要的材料可分為四個體系：“1111”體系、“122”體系、“111”體系及“11”體系。其中“11”體系的典型代表為FeSe基超導材料。FeSe是目前發(fā)現(xiàn)的結(jié)構最為簡單的Fe基超導材料,并且具有加工方法簡單、原料成本低廉等優(yōu)勢,已經(jīng)成為了新型鐵基超導材料的研究熱點之一。本文選擇FeSe基超導材料作為研究對象,通過固相燒結(jié)、高能球磨輔助燒結(jié)等方法對其相關成相機理進行了研究,并獲得了可以穩(wěn)定制備出具有高超導相含量的FeSe塊體的制備工藝；同時,以低維FeSe材料制備為最終目標,分別探索了用于納米粉體制備的低溫化學法和用于薄膜制備的電化學沉積法的可行性,并取得了一些創(chuàng)新有價值的研究結(jié)果。主要的內(nèi)容如下： 論文首先對Fe-Se體系燒結(jié)過程中的相演變機理及影響相變的主要工藝參數(shù)進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明,Fe-Se混合粉末在升溫過程中先后經(jīng)歷了Se粉熔化、液態(tài)Se和Fe粉生成六方相δ-FeSe及六方相δ-FeSe向四方相β-FeSe相變等幾個過程；在降溫過程中同樣存在六方相向四方相β-FeSe的相變過程。綜合分析影響β-FeSe相生成的因素可見,Fe含量略高的Fe/Se比例有利于四方相β-FeSe的形成；在一定范圍內(nèi),提高塊體的初始密度,能縮短Fe、Se之間的擴散路徑,從而有效的提高燒結(jié)樣品的四方相含量；同時,較小的冷卻速率有利于生成物中四方相FeSe含量的進一步提高。通過優(yōu)化固相燒結(jié)工藝,最終獲得最高的四方相FeSe含量可達88.4%。 為進一步提高最終樣品中的超導相含量,提出了高能球磨輔助燒結(jié)工藝。通過對FeSe混合粉末在球磨過程中及球磨粉末燒結(jié)過程中的相演變過程進行分析,對高能球磨所引起的相演變機理的變化進行了闡述。結(jié)果表明：在高能球磨過程中,隨著球磨時間的延長,發(fā)生了混合粉末顆粒細化、Se非晶化,Fe-Se固溶體生成、Fe-Se化合物生成等幾個階段。其中,高能球磨6h后,可以獲得全部非晶化的Se和顆粒尺寸約為20μm的Fe-Se固溶體顆粒,縮小了Fe-Se擴散距離,有利于β-FeSe的生成,因此判斷最佳球磨時間為6h。通過對重點工藝參數(shù)的優(yōu)化,獲得最佳Fe/Se成分比為1.15,此時反應產(chǎn)物中只存在少量的六方相FeSe,獲得產(chǎn)物的四方相比例可達到97.0%以上,并且其臨界溫度Tc達到8.8K,表現(xiàn)出良好的超導性能。 基于已成功制備了高含量的四方相FeSe塊材,提出了新型低溫化學法制備FeSe納米粉末以及電化學沉積法制備FeSe薄膜的新合成方法。 成功開發(fā)出的新型低溫化學法可以直接合成出四方相的FeSe納米顆粒。當溶液中Fe/Se-1:1及pH=7時得到了顆粒尺寸為100nm左右的四方相β-FeSe;隨著pH值的增加,產(chǎn)物的顆粒尺寸逐漸減小,當pH增大至12時,顆粒的表面形貌由片狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳F絮狀,顆粒尺寸細化至10nm左右；通過對Fe2+和Se初始元素比例的調(diào)節(jié),對反應所涉及的反應機理進行了分析,即e在NaOH作用下的歧化反應生成的Se2-離子和SeO32-離子分別以不同形式參加反應,其中Se2-離子與Fe2+離子直接化合,而SeO3二離子在NaBH4的作用下被還原為具有極高反應活性的Se顆粒,與同樣被還原的Fe顆粒直接化合生成FeSeo 電化學沉積法制備FeSe薄膜研究中,實驗發(fā)現(xiàn)所獲得的薄膜中存在Fe元素和Se元素,但Se比例偏高,此外,使用XRD表征得到薄膜中存在的是Fe2O(SeO3)2相。這說明目前使用的沉積參數(shù)可以有效的沉積Fe元素和Se元素,但Fe/Se比例仍需調(diào)整。后續(xù)實驗中將對沉積電位、pH值等沉積參數(shù)和沉積條件進行進一步的優(yōu)化,在避免薄膜氧化的前提下,獲得最優(yōu)的Fe/Se比例,從而獲得具有超導性能的FeSe薄膜。
【圖文】：

Fig. 1.1 History of the development of superconducting transition temperature從圖1.1可以對比看出，在Ba-La-Cu-O體系被發(fā)現(xiàn)之前，，NbsGe具有最高的臨界轉(zhuǎn)變溫度，也僅為25 K，并且根據(jù)麥克米蘭理論計算，合金基超導材料的最高臨界溫度不可能超過30 K，以致超導材料的研究在這一段時期進入了停滯階段。直到1983年起，H6ck等人[9]在一些過渡金屬中進行了大量的實驗發(fā)現(xiàn)：根據(jù)Jahn-Teller極化效應相關的理論研宄后，在Ni、Fe和Cu等相關復雜化合物中

圖 11 YBCO, Bi2Sr2CaCu208和BijSrzCazCusOio晶格結(jié)構示意圖ig. 1.2 Lattice structures of YBCO, BiaSriCazCusO】。and Bi2Sr2CaCu208溫超導材料被發(fā)現(xiàn)之后，研宄人員還嘗試開發(fā)具備更高re的超導屬間化合物，是目前這類結(jié)構中發(fā)現(xiàn)的具有最高臨界溫度7；的物
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM26

【參考文獻】

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1 楊遇春;稀土在高溫超導材料中的應用[J];稀有金屬材料與工程;2000年02期

本文編號：2545497