新型Nb2PdxS5-δ超导纤维的制备与物性研究

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超导态的零电阻特性和迈斯纳效应是超导材料的两个相互独立的基本属性。因其独特的特性,超导材料在工业领域和人类日常生活应用中拥有神奇的魅力,比如电力输送、超导磁悬浮列车、超导电子计算机、受控热核聚变反应装置等等,高温超导材料的应用必将导致一场新的技术革命,它的意义不亚于半导体材料。然而,对于超导材料的实际应用价值,有一些因素起到决定性的作用,如:超导转变温度Tc,上临界磁场Hc2和临界电流密度Jc,材料的柔韧性、稳定性和制备方法的简易程度,各向异性程度,原材料的成本、有无毒性等。探索新的超导材料一直以来都是凝聚态物理界、材料科学领域以及工业领域的一个重要课题。自超导电性被发现以来,铜氧化物超导体和铁基超导体是目前发现的上百种超导材料中尤为重要的两种超导材料,常压下最高超导转变温度分别为132 K和56K,近年来,一些高温超导体已经被付诸实际应用,比如,以YBa2Cu3O7-δ和Bi2Sr2CaCu2O8做成的高质量的超导线已经被用于制造超导磁体、传输电缆、发电机以及其他电力装置。但是,这些超导材料都是陶瓷类,很难塑形,对于实际应用来说,寻找柔韧性较好的超导材料很重要。  近年来,也有一些新型超导体的发现,比如BaTi2Sb2O、Bi4O4S3、Nb2Pd0.81S5、Nb3Pd0.7S7、Li2Pd3B、LaNiGa2、IrxCh2(Ch=Se、Te)等,这些相继发现的新型化合物超导体再次唤起了人们新的研究兴趣,一方面有助于人们通过研究其物理性质进一步揭示超导电性的本质,同时为探索具有更高Tc的超导体提供了新的方向,虽然超导温度比较低,但是它们的潜在应用价值还是引起了人们很大的关注。也选择了这些新型超导体为研究对象,成功制备了Bi4O4S3、Nb2PdxS5-δ体系的多晶、单晶样品,并对其结构、超导电性和磁性质等进行研究,重点研究了Nb2PdxS5-δ纤维样品的超导性质,取得了一些创新性的研究结果。主要内容归纳如下:  1、层状Bi4O4S3样品中的Pb掺杂效应。也研究了Pb掺杂对Bi4O4S3样品的超导电性和磁性质的影响,结果表明Pb掺杂导致Bi4-xPbxO4S3样品的超导体积分数急剧减小,而超导转变温度几乎保持不变,电子自旋共振测量显示共振信号在80 K以下突然减小,表明这个体系中存在强磁波动。已知的结果证明Bi4O4S3样品中Pb替代Bi元素局域地抑制超导。  2、超导转变温度达7.43 K的Nb2PdxS5-δ(0.6<x<1)超导纤维。高效的超导体驱动的配线系统一直以来都是科学家们的梦想,但是研究人员面临着诸如寻找柔韧性较好的材料这样的实际挑战。报道了超导转变温度达7.43 K的Nb2PdxS5-δ纤维样品,其典型直径为0.3~3μm,在很大的Pd位(0.6<x<1)和S位(0<δ<0.61)的含量范围内都有超导电性的存在,表明该体系中超导电性是非常强的。合适尺寸的长纤维为大功率电力传输电缆和电力装置提供了一个新路径。  3、准一维单晶Nb2PdS5纳米线中的超导-绝缘体转变。一维(1D)纳米线中的超导-绝缘体转变(SIT)在过去几十年中吸引了很大的关注,仍是一个未解决的问题,因为在具有不同形貌(如颗粒、多晶或非晶)或环境的纳米线中发现了形成鲜明对比的结果。Nb2PdS5是最近发现的具有典型准一维链状结构的低维超导体。通过将纳米线的直径减小到100~300 nm范围,我们观察到一个明显的由横截面积和外加磁场诱导的具有一维输运特征的超导-绝缘体转变,我们还发现上临界磁场(Hc2)随纳米线横截面积的减小而减小。Tc以下电阻的温度依赖可以由没有任何量子相滑(QPS)特征的热激发相位滑(TAPS)理论来描述。这些发现证明了纳米线直径减小导致的增强的库伦相互作用与内部链的约瑟夫森类耦合的相互竞争可能在准一维体系的超导-绝缘体转变中起到重要作用。  4、准一维Nb2PdS5纳米线的非线性输运行为。Nb2PdS5是一个最新发现的沿链条方向具有较高上临界磁场的准一维超导体。报道了由超声剥离块材单晶获得的Nb2PdS5纳米线的尺寸依赖电子特性,横截面积减小时纳米线显示出一个超导-绝缘体转变。而且,处于绝缘态的较细纳米线,在中间温度(<30 K)其输运特性显示一个对温度和偏置电压的幂律依赖,随后低于10K时是一个电导饱和,我们发现这样的表观幂律行为可以由多通道准一维体系中最近提出的延伸的可变程跳跃(VRH)理论来描述,多通道准一维体系中的电子定位被认为是占优势的,而不是Luttinger液体本质。
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