论文部分内容阅读
2008年，铁基高温超导家族的发现重新引起了大家对高温超导体的关注。不同于铜基超导体的铜氧层结构，这个新型高温超导材料是基于铁和磷族元素氧化物（通常为砷）导电层的，这个全新的体系极可能会成下一代的高温超导体。铁基高温超导体具有高达56K的临界温度、极高的上临界磁场Hc2和相对较低的各向异性γ～1-6和相对较高的接近于Hc2的不可逆场Hirr值等几大性质。这些性质使得铁基高温超导家族有极大的应用前景。 制备高质量的外延薄膜是了解一个新型的超导体的必要条件。外延薄膜可以探究其电磁性质的本质、了解材料的形成机理、评估其在器件应用上的前景从而有针对性地改善材料性质，设计出性能更优异的铁基高温超导材料。目前，制备外延铁基高温超导薄膜仍然是有待解决的一个难题，对其微结构的研究也非常少。本论文利用透射电镜技术研究了生长在不同衬底上的Co掺杂的BaFe2As2薄膜的微结构，考察了生长条件对薄膜微结构及超导性能的影响。本文主要成果如下: (1)通过透射电镜和电子能量损失谱等技术表征了生长在不同衬底上的Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜。分析表明:生长在(001)-LSAT单晶衬底上的Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜是多晶薄膜;生长在20u.c.STO/(001) LSAT衬底上的薄膜是择优取向的薄膜;而生长在50u.c.STO/(001) LSAT、100u.c.STO/(001) LSAT和(001)-STO衬底上的Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜是外延薄膜。 (2)实验发现择优取向和外延Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜具有高密度的沿着C轴取向外延生长的自组装纳米柱。这些纳米柱是BaFeO2氧化物纳米柱，它们均匀分布在薄膜中，纳米柱与纳米柱间距在10 nm左右，纳米柱在ab面内呈直径约为4-5nm的四方形。本文认为:这些氧化物纳米柱的形成条件的原因是由于Co掺杂的BaFe2As2靶材中残余的氧。由于(001)BaFeO2和(001)STO有着相似的结构和化学性质，因此，BaFeO2相易于沉积在STO表面形成BaFeO2岛状颗粒。由于BaFeO2和衬底及Ba(Fe1-xCox)2As2之间的晶格失配，使得BaFeO2在沉积过程中受到了(001)面内的压应力，该压应力使得纳米柱的平面尺寸最终限制在10u.c.左右即5nm左右并且驱使纳米柱沿着C轴方向生长。 (3)在铁基高温超导材料中，可以通过引入高密度的沿着磁场方向尺寸为两倍相干长度的纳米结构来达到优化涡旋钉扎的目的。BaFeO2纳米柱的尺寸在5nm左右正好是Ba(Fe1-xCox)2As2的相干长度ξ(ζ≈2.5-3nm)的两倍大小。考虑到氧化物的普逦性质，Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜中这种高密度的绝缘体纳米柱提供了有效地涡旋钉扎中心。与YBCO掺杂BaZrO3纳米柱不同的是，YBCO薄膜的质量会随着掺杂舍量增加而逐渐变差(BaZrO3舍量超过2％)同时Tc值也随着降低。而在我们的体系中，虽然BaFeO2舍量高达5％，但是Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜的质量并没有因为高密度BaFeO2纳米柱的存在而降低反而还为薄膜提供了强钉扎中心，从而有效的提高了材料的临界电流密度的值。 (4)本文通过研究生长在不同STO缓冲层厚度的Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜的微结构，分析了STO缓冲层厚度与薄膜结构以及性质的关系。发现薄膜的质量和超导性能随着STO缓冲层厚度的变化而变化，50u.c.STO是制备单晶外延薄膜的最小缓冲层厚度并且在STO厚度达到100u.c.薄膜的超导性能达到最佳值。 (5)本文通过研究生长在STO双晶体衬底上的Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜的微结构，探讨了晶界在Ba(Fe1-xCox)2As2薄膜中的作用。通过透射电镜观察发现薄膜中的晶界并不是严格沿着衬底的晶界生长而是沿着BaFeO2纳米柱生长。和在铜基高温超导中晶界的电流抑制作用一样，在铁基高温超导薄膜中穿过晶界的临界电流密度Jgb被大大抑制了。