元素掺杂对MgB2晶体结构和超导电性影响的研究

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1、国内图书分类号：TM346密级：公开国际图书分类号：621.3西南交通大学博士研究生学位论文元素掺杂对MgB2晶体结构和超导电性影响的研究年级2009级姓名谢长峻申请学位级别工学博士专业材料科学指导老师赵勇教授二零一七年九月ClassifiedIndex:TM346U.D.C:621.3SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationTHESTUDYOFELEMENTSUBSTITUTIONEFFECTSONSTRUCTUREANDSUPERCONDUCTIVITYOFMgB2Gra

2、de:2009Candidate:ChangChunHsiehAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofPhilosophySpeciality:MaterialsScienceSupervisor:ProfessorYongZhaoSep.2017西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识

3、到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：（1）在常规的固相反应基础上，开发了适合制备高纯度MgB2掺杂样品的液-固反应法，成功地制备了包括Ag、In等掺杂的MgB2超导体（这些掺杂超导体在常规的固相反应下难以制成高纯度的均匀样品；利用Al和Li共掺杂的方法提升了Li在MgB2中的固溶度；利用二步合成法结合高能球磨制备了Cr掺杂的MgB2高纯度样品。这些针对掺杂MgB2材料制备的新方法的开发，使得有关MgB2掺杂效应研究的渠道变得宽敞。（2）研究了电子型杂质元素在Mg位掺杂对MgB2超导体的晶体结构、电子结构和超导临界温

4、度的影响。发现尽管Al、In掺杂使得MgB2晶体结构分别出现压缩和膨胀两种截然不同的变化，但都导致超导临界温度系统地降低。为了解释这一反常的变化，本文首次提出了MgB2掺杂的化学压力-能带填充模型，建立了表征和评价化学压力对MgB2晶体结构的轴向压力、体压力的计算和评估方法，并结合超导电性的BCS强耦合理论与双带模型，对实验所观察到的现象予以了圆满的解释，特别是半定量地解释了Al、In掺杂对MgB2超导电性临界温度的不同抑制速率，并利用化学压力和能带填充模型成功地采用Li与Al共掺杂来部分抵消Al掺杂对MgB2超导电性的抑制作用（见第三

5、章）。（3）通过研究和比较第III主族元素掺杂和非磁性过渡金属元素掺杂的行为，发现了第III主族元素和过渡金属元素在影响MgB2晶体结构和超导电性方面的不同规律，即第III主族元素对MgB2晶体结构和超导电性的影响相对较小，而过渡金属的影响更为显著。为此，本文构建了掺杂元素畸变模型：在“硼石墨”的准刚性B-B键合以及原子体积不变的假设下，构建了不同元素的原子在MgB2晶体中发生横向压扁与纵向拉伸的两种畸变方式。该模型不仅成功地解释了第III主族元素和过渡金属这两类元素在固溶度、晶格畸变诱导能力上的差别，并且还圆满解释了关于AgB2是高温

6、超导体这一理论预言失败的原因（见第四章）。（4）通过研究磁性3d过渡金属元素Cr对MgB2超导电性的影响，首次发现了Cr对MgB2超导电性有着极强的抑制作用：在较低的掺杂浓度下引起超导临界温度的急剧下降，并且在某个临界掺杂浓度下使体系的超导电性突然淬灭。这种反常的行为不能用能带填充和化学压力的作用予以解释。通过分析比较，发现其规律符合Abrikosov-Gor’kov的磁性杂质拆对效应。本文不仅利用Abrikosov-Gor’kov的磁性杂质拆对效应成功解释了包括Cr、Mn掺杂导致MgB2超导电性淬灭的现象，还通过与铁基超导体和铜基高温

7、超导体的比较，揭示了这三种超导体在磁性杂质作用下的不同机理。学位论文作者签名：日期：2017.11.13西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要具有六方晶体结构的金属间化合物二硼化镁MgB2（magnesiumdiboride）在温度接近绝对温度40K（-233℃）时发生超导转变，成为一类新的超导体。迄今为止，有关二硼化镁的基础研究和应用开发方面都取得了很大的进展。在基础研究方面，人们不仅对二硼化镁超导体的基本性能有了较为清楚的了解，同时对其超导机理和特性也有了较为深入的认识，从而为开发二硼化镁超导体的实际应用奠定了重要的基础。在实际应

8、用方面，基于二硼化镁超导材料的实用线材已经商品化，相关的强电应用也有了显著的发展，开发出了包括电动机、磁体、等多种应用形式和器件。总之，二硼化镁超导体的发现和相关研究极大地推动了超导领域的发展和进步。然而，