YBa2Cu3O7-δ薄膜中室溫超導性的表現

Manifestation of room-temperature superconductivity in thin films fabricated of YBa2Cu3O7–δ

A V Kudriashov1, L E Klyachkin2, A M Malyarenko2, A V Nashchekin2, V V Romanov1, S A Rykov1 和 N T Bagraev1,2

經 IOP Publishing Ltd 許可出版
物理學雜誌：會議系列，第 1236 卷，國際會議“2019 年應用和計算物理學的新興趨勢”（ETACP-2019），2019 年 3 月 21 日至 22 日，俄羅斯聯邦聖彼得堡
引文 A V Kudriashov et al 2019 J. Phys.: Conf. 爵士。 1236 012022

我們展示了在 NdGaO3 (110) 襯底上由 YBa2Cu3O7-δ (YBCO) 製成的薄膜中室溫超導性的表現。 我們表明，靜磁化率測量證明了室溫下弱磁場中的邁斯納效應。 此外，磁化率的振盪在外部磁場中顯露出來，這可以解釋為通過夾雜物的磁通量的量子化，它們周圍有超導疇，並且觀察到與場相關的步驟似乎證明了 域的二階相變。 所得結果與隧道 I-V 曲線數據吻合良好。 最後，我們建議進行一些進一步的實驗來證實我們的假設。

YBa2Cu3O7-x超導體的合成與表徵

我們通過固態反應路線合成了 YBCO 超導體並對其進行了表徵
通過 XRD、R 與 T 和 I-V 測量。從 XRD 圖中，我們已經確定了相
我們樣本的形成和從 R 與 T 測量我們發現
超導轉變發生在 (TCO) 92.17 K；這也提供了額外的支持數據
朝向相的形成。我們還將我們的樣品用於 I-V 表徵
不同溫度（30, 35, 45, 50 K）通過四探針法，能夠找出
在隨後的溫度下的臨界電流密度，並發現臨界電流的減少
電流密度隨溫度的增加。
 
 第1章。介紹
 1.1 超導體………………………………………………………………………………………………………… 1
 1.2 超導體的性質………………………………………………………………………………………… 1
 1.3 磁場的影響………………………………………………………………………………………….. 2
 1.4 I 型和 II 型超導體……………………………………………………………………. 2-3
 1.5 超導體的BCS理論…………………………………………………………………………………… 3
 1.6 超導的應用………………………………………………………………………………. 3-4
第2章。文獻調查
 2.1 高溫超導體……………………………………………………………………………… 5
 2.2 高溫超導體的性質……………………………………………………. 5-6
 2.3 高溫氧化物超導體的應用……………………………………. 6
 2.4 YBCO超導體………………………………………………………………………………………… 6
 2.5 YBCO的結構……………………………………………………………………………………………….. 6-7
 2.6 YBCO 缺陷…………………………………………………………………………………………………… 7-8
 2.7 渦旋釘扎效應…………………………………………………………………………………………. 8
第 3 章 實驗程序
 3.1 YBCO超導體的合成………………………………………………………………………… 10-11
第 4 章。表徵技術
 4.1 XRD分析……………………………………………………………………………………………………………… 12
 4.2 電阻率-溫度測量……………………………………………………………….. 12-14
 4.3 I-V 測量……………………………………………………………………………………………….. 14
第 5 章。結果與討論 ................................................... .............................15-19
第 6 章。結論……………………………………………………………………………………………… . 20
第 7 章參考文獻………………………………………………………………………………………………..21
1
 第1章
一、簡介
1.1 超導體
荷蘭物理學家 H. K. Onnes 發現一些金屬和合金的電導率
在低溫下接近無限值，這意味著電阻率幾乎為零
那個溫度。這種現象稱為超導，材料是已知的
作為超導體。許多金屬，如 Pb、Al、Sn、Nb 等，在 4K 左右顯示出零電阻率。
材料顯示零電阻率的溫度稱為轉變
溫度（TC）。超導體經歷從正常電阻率的相變
在 TC 處達到零電阻率。這就是為什麼TC被稱為超導轉變溫度。
許多金屬、合金和化合物表現出超導性，但像 Ag 這樣的良導體，
Au和Cu不是超導體。
 

電阻率 - 汞的溫度變化
 
1.2 超導體的性質
1. 具有高法向電阻率的材料表現出超導性。
2. 金屬元素表現出超導性，其中價數
電子位於 2 到 8 之間。
3. 轉變溫度 TC 因樣品而異。
4. ch 的過渡範圍

1.5 BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超導體理論
為了指定超導現象，提出了一種微觀理論
Bardeen、Cooper 和 Schrieffer 稱為 BCS 理論。在超導狀態下
電子形成稱為庫珀的束縛對。庫珀對基本上是由於
電子 - 電子相互作用與聲子交換。如果我們認為
費米球內的傳導電子和正好位於費米球內的兩個電子
費米麵和它們形成電子對。費米表面電子在
格子。正核被電子吸引。由於篩分效果
正電荷，電子電荷減少。在這個區域，電子在
穩定位置在正常狀態下需要足夠的正電荷，使得晶格變為
扭曲。在庫珀對的形成過程中，第一個電子釋放一個聲子，它是
被另一個電子吸收。當溫度低於過渡
溫度，晶格-電子相互作用大於電子-電子，因為
溫度範圍。庫珀對以恆定動量在晶格中輕鬆行進
並且沒有任何能量交換到晶格同時聚集的對包含
在他們的運動中高度關聯。
1.6 超導的應用
1. 開關裝置：- 從超導狀態到正常狀態的轉變
當施加的磁場大於過渡場並且是
刪除該字段時相反。我們已經使用這個屬性來製作
開關元件低溫管。
2. 發電機：- 超導線圈纏繞在更大的頂部
磁場產生電能。這發電機在非常低的電壓（450
4
V) 可以產生非常高的功率（接近 2500 kV）。從那個生成器我們
可以節省電力，並且發電機的體積和重量非常低。
3. 磁場的產生：- 超導材料的應用
可產生高磁場（近50 T）。功率需要這樣的
高磁場只有 10 kW，但通常要產生如此高的磁場
現場需要 3 兆瓦的電力。
4. 低損耗傳輸線和變壓器：- 的電阻
超導體幾乎為零，因此在超導線材中的功率損耗非常小。
在變壓器中，如果初級和次級繞組由超導線
這樣熱量將最小化，功率損失將非常少。
5. 磁懸浮：- 超導材料表現出抗磁性
拒絕所有磁場線的行為，這用於磁
懸浮。磁懸浮可用於高速運輸。
6. 磁共振成像（MRI）：- MRI 取決於
超導性和在磁場中存在一種特殊類型的行為
原子。人體內有大量的氫原子等
元素。原子核傾向於像羅盤針一樣排列在
磁場的出席。

第2章 文獻調查
2.1 高溫超導體
超導體有大量可以想像的有用應用，但由於
低臨界溫度應用的局限性是有限的。由於低臨界
通過冷卻修復電導率需要非常高的成本。所以這樣
研究人員試圖找出高臨界溫度的超導體。
Bednorz 和 Muller 於 1986 年發現了一種新的具有過渡的陶瓷氧化物超導體
溫度 30 K。這些被稱為高 TC 超導體 (HTSC)。第一個 HTCS 是
La2-xMxCuO ( x = Ba, Sr, Ca)，轉變溫度在 20 K 到 40 K 之間。它們是
稱為 214 系統，具有 K2NiF4 結構和正交誤表示。另一個
HTCS 是 LnBa2Cu3O7-x (Ln = Y, Nd, Sm, Yb, Gd, Ho, Dy, Tm, Er)，被稱為 123 系統
具有正交結構。
高溫超導體機理的起源至今仍在研究中。在
高溫超導體氧起著重要作用。真正的傳導工具
高溫可能是最近凝聚態物理學中最具挑戰性的任務
天。
2.2 高溫超導體的性質
結構特性
高溫超導體無論從哪個側面都具有理想的鈣鈦礦結構
避免共生現像或通過系統地消除氧原子。高的
溫度導體具有多於一層 CuO2 層的層狀晶體結構，
銅原子強烈共價鍵合，接近正方形平面的排列
四個氧原子。在高溫下，電荷和來自 CuO2 層的傳導
由於摻雜接近金屬絕緣體相而發生。
物理性質
1.一般氧化物高溫超導體的導電載流子是
空穴而不是電子。
6
2. 地球化合物中幾乎沒有磁性和超導性。
地球離子對超導過程沒有貢獻。
3. 低溫超導狀態下的比熱為
 C = aT-2 + bT-3 + cT
 第一項是由於肖特基樣不規則性，第二項是由於晶格
由於自由電子的傳導，德拜貢獻和第三項。
4.所有高溫超導體均為II型超導體，高度
與 Hc1 和 Hc2 各向異性。
5. 當高溫超導體中的壓力增加時，臨界
溫度會升高，但在可預測的情況下會發現相反的效果
超導體。
6.在高溫下超導體不呈現同位素效應。
7. 正常情況下與溫度相關且高度各向異性的傳導特性
狀態。
8. 高溫超導體中的約瑟夫森隧道效應
2.3 高溫氧化物超導體的應用
1. 高溫超導體用於超大規模集成
技術，可以預見的是，未來將用於高速計算機和
電信。
2. 在今天用於 SQUID 工作的敏感磁力計。但是魷魚
由在 77 K 工作的氧化物超導體製成，並且可以預見到
設備的粗糙度和實用性。這也將主要應用於士兵
和藥。
3. 高溫超導體在傳輸方面有重要用途，
發電、儲存、電力向電氣工業的轉變。
2.4 YBCO超導體
YBCO 是一種高溫超導體，其轉變溫度從 93 K 開始，
零電阻低於 Tc 的起始溫度。 YBCO 是一種 II 型超導體
它同時具有邁斯納效應和中間狀態。不過有一定的變化
中間狀態的運作方式。
在 YBCO 中，庫珀對是空穴對而不是電子對。使用孔作為
電荷載體意味著移動的電荷是正的而不是負的。孔洞
銅酸鹽超導體來自銅
2+ 和銅
存在 3+ 個狀態。這
氧化銅導電層的孔數受這兩者之比的影響
狀態。該比率可以通過平面中存在的氧氣量來改變。這
超導狀態取決於意識是否滿足。這就是為什麼要改變
YBCO 中滿足的氧氣與臨界溫度不同，因為這是完成濃度
的孔受到影響

2.5 YBCO的結構
YBCO的結構在超導中起著重要作用。 YBCO有分層
晶體中含有含釔和鋇原子的銅氧平面的結構
另外結構。隨後的晶體結構與具有單元的鈣鈦礦有關
電池包括 BaCuO3 和 YCuO3 的固定立方體。如圖所示結構和
形成的平面的化學排列。需要注意的一個重要實體是兩個
不像銅和氧的平面。釔原子上下的平面有
每個銅有兩個氧原子，其中釔有平面，每個氧有一個銅。
這些一對一的飛機據說是缺氧的，因為當與
整個鈣鈦礦結構省略了兩個氧原子。
系統的超導性似乎是從這些氧化銅層中產生的，因為它們
與氧化銅超導體是相互的。被原子分離的兩個平面
釔，距離為 3.2 A。電流流過兩個 CuO2 平面。距離
在這些平面中的銅原子之間使充電更容易達到預期
離子之間比從平面到平面。在這些導電層之間有
鋇、釔和補充銅氧對。然而這些層不是
在電流流過材料的地方，它們在超導性中發揮著重要作用。
 
圖 4. YBCO 的結構
8
2.6 YBCO的缺陷
YBCO是一種高溫超導體，直到發現高溫
超導體的結構是非常複雜和精密的特徵，與所有的
其他超導體。有許多原子以這樣的方式鍵合
超導體的特性，尤其是氧化銅超導體。之後
銅酸鹽超導體的發現解釋了這些缺陷對
控制系統的超導參數。在 YBCO 中，缺陷是由於
晶體結構缺氧。 CuO鏈的基面結構-
CuO和Cu離子之間沒有任何氧。大多數材料缺陷可以是
摻雜增加但在高溫超導體中的結果令人驚訝的是
由於 CuO2 傳導平面的結構，缺陷會有所不同。結構性
由於缺氧，也會發生從正交到四方的轉變
高溫超導體。
2.7 渦旋釘扎效應
正常狀態和超導狀態之間有一個小的間隙稱為渦旋
狀態或混合狀態。法向、渦旋和超導基本屬於Ⅱ型
超導體。超導材料中的正常核心。在正常狀態下
微觀被傳導電流包圍。在正常狀態下，場
在混合或渦流狀態下穿透渦流線。每條渦旋線都有一個
核心半徑。材料中心場最大，下降到 1/e 倍
距中心距離的最大場。通量頂點稱為fluxoid。這
Fluxoid 帶來了量子磁通量。

理想材料中渦旋的概念是等間距。晶體不均勻
在真實的材料中，這就是為什麼在超導中會形成渦流。這
問題出現了，在混合狀態下仍然考慮到完美的導電性。
洛倫茲力作用於混合狀態的渦旋或釘扎位置，因為
與真實材料不均勻。耗散力是由於渦旋運動
受制於破壞超導性。對角色作用的理解
超導體的波動可能會破壞超導狀態。這
波動效應是一種靜態特性，取決於電和熱傳導
的飛機。根據金茲伯格和朗道理論，電子密度
超導體與復波函數的幅度平方成正比
超導狀態。根據該理論，通量 φ0 = hc/2e, 2e 是由於傳導
庫珀對。如果施加磁場，超導環處於正常狀態
狀態。當環冷卻到低於轉變溫度時，焊劑被排除在外
從環但穿過孔。如果外加磁場關閉磁通
通過洞仍然被困。環周圍產生的超電流維持
通過環孔的通量。

氧化釔、碳酸鋇和氧化銅的化學計量量取為
獲得所需材料YBCO的前驅體。
Y2O3
（0.4538985 克）
BaCO3
（1.5866853 克）
氧化銅
(0.9594162)
YBaCu3O7粉末（3
gm) 研磨 3 小時
使用瑪瑙砂漿
在 900 0C 下煅燒 12
小時四次
中間 2-3 小時
研磨
顆粒形成
在 930 0C 燒結
退火 12 小時
500 0℃
YBa2Cu3O7
形成
11
 
Y2O3 + 2BaCO3 + 3CuO 2YBa2Cu3O7
將這些成分一起在瑪瑙研缽中研磨 2-3 小時，以獲得
均勻的混合物。
研磨後，將粉末在馬弗爐中於 900 0C 下煅燒 12 小時，然後
將煅燒後的粉末再次加熱4-5次，同時進行中間研磨
溫度..經過反復加熱，得到的粉末，被壓成1
mm 厚，最後在 930 0C 下燒結 12 小時，然後進行氧退火
吸氧12小時，從而獲得所得YBCO。
12
 第 4 章
 表徵技術
4.1 X射線衍射技術
X射線從三維空間光柵衍射。的結構
X射線衍射技術成功地確定了晶體。當單原子
當 X 射線單色光束平行入射時，晶體會發生衍射。這
光束的方向和強度是找出晶格結構和化學
晶體的組成。 X 射線是一種極小的電磁波
波長（通常為 10-10 m）。 X射線衍射技術用於分析
晶體結構，因為 X 射線輻射的波長非常接近晶面
大多數材料的間距。 XRD技術基於以下原理
建設性干擾。
布拉格定律描述了特定波長的 X 射線的角度之間的關係
衍射和波長。材料的相組成可由下式確定
XRD的幫助
2dsinθ = nλ
其中 d- 平面間距和 θ- 散射角和 n- 表示階數
衍射； λ – x 輻射的波長
當單色 X 射線落在原子晶體平面上時，
反射角等於入射角。由於平行平面的集合
相長干涉光束被反射並提供強衍射光束。這
由於原子與 X 射線的彈性散射，波長保持不變。
圖 6。布拉格衍射示意圖
4.2 電阻率-溫度測量技術

電阻可以通過多種方法測量，其中一種方法是四探頭
技術。如果系統中存在任何溫度梯度，則電壓將在
電路的不同部分以及樣品。這種現象應該
補償。為了做到這一點，電壓應與施加的電流和測量
採取的差異，也沒有他們。直流四探頭技術是最好的
方法。在兩個探針技術中，由於接觸電阻，可能會出現錯誤。但在
四探針技術的情況下，接觸電阻和引線電阻都被消除了。
現在，在對樣品進行電氣連接時，應注意
接觸電阻應盡可能低。接觸電阻基本上是
電線和样品之間的電阻。如果接觸電阻高，則
會有更多的噪音，結果中的錯誤將是可見的。應給予聯繫人
合適的形狀。在這種情況下，穩定性是一個非常重要的因素。為了實驗，
需要進行多次測量，並且應確保觸點
隨著時間的推移保持穩定。
電阻溫度檢測器是溫度傳感器，其電阻器會變化
電阻值隨其溫度升高或降低。它們已應用於許多
目的，多年來測量溫度，並開發了一個名稱
精度、穩定性和可重複性。該材料具有可預測的電阻變化
溫度變化；正是這種可預測的變化被用來確定
溫度。
電阻溫度計有多種形式。它們提供更大的穩定性和
準確性。電阻溫度計使用電阻，需要電源
功能。電阻幾乎隨溫度變化。引線電阻也可以
一個問題；採用三線和四線，而不是兩線，連接可以消除
測量的連接引線電阻效應。三線連接就足夠了
用於大多數目的。四線連接用於最精確的應用。
圖 7。 – 四探頭示意圖
14
電阻率由材料的性質決定。當無值電流為
對材料進行滋養，然後在電壓探頭中產生電位差
通過點連接。從該測量中計算電阻率。
我們使用四探針法，因為它減少了其他影響，即引線電阻，
接觸電阻等到電阻測量結果精確測量
的材料電阻。外部兩個探頭用於查找電流和兩個
內部探針用於計算隨後的整個表面的電壓降
材料。
電壓 V = (I – I1)(Rsample) – I(2rcontact + 2rlead) ，因為 Rvolt 比其他電壓大得多
電路中的電阻。 I1 << I ，所以 V = IRsample
4.3 I-V 測量技術
進行 I-V 測量的實驗裝置與 R-T 的情況相同
測量;但測量這個安靜的目的不同。我們在這裡測量
電流相對於固定溫度下的電壓來計算最有價值的參數 Jc，
這是臨界電流密度。 I-V 曲線的截距會讓我很關鍵
電流 I0 和通過使用公式單位面積電流我們可以計算不同的 Jc
超導狀態樣品的溫度

第-5章
結果與討論
5.1 X射線衍射分析
從 XRD 研究中，我們發現所有峰都與標準數據相匹配，少數沒有。的
雜質峰總是存在於樣品中，因為它是一個複雜的相。因此對於
我們對樣品進行了 R-T 測量。
 圖 8- 強度和 2 theta 之間的圖表
5.2 R-T 分析
使用標準四探針技術測量電阻率的溫度依賴性
通過使用閉式循環冰箱。從電阻率與
溫度從 300K 下降到 40K 左右。我們發現了超導性的開始
大約（TCO）92.17 K 和臨界溫度。大約 90 K 的 TC 表明存在一定的
我們樣品中的雜質。
16
 
圖 9 – YBCO 的電阻率-溫度
5.3 I-V 分析
在此測量中，我們在兩個探頭上施加電流，並測量電壓
在閉式循環製冷機的幫助下保持恆溫。電流變化
與電流源併計算出它們對應的電壓。從圖中的
不同溫度下計算臨界電流 Ic。從圖 10-14 的圖表
在電流和電壓之間，我們可以計算出對應的臨界電流
不同的溫度（30K，35K，45K 50K）。從圖中，我們觀察到增量
圖 15 清楚地顯示了隨溫度降低的臨界電流密度。
 溫度 (K) Ic= 臨界電流 (mA) Jc= 電流密度
(A/m2
)
 30 80 1.5814 × 103
 35 59.95 1.185 × 103
 45 52.27 1.0332 × 103
 50 41.38 0.818 × 103
17
 圖 10 – 30 K 時電流與電壓之間的關係
 圖 11 – 35 K 時電流與電壓之間的關係圖
 圖 10 – 30 K 時電流與電壓的關係圖
 圖 13 – 50 K 時電流與電壓之間的關係
 圖 11 – 35 K 時電流與電壓的關係圖

圖 12 – 45 K 時電流與電壓的關係圖
 圖 13 – 50 K 時電流與電壓的關係圖
19
 
圖 14 – 所有溫度下電流與電壓的圖表比較
圖 15- 臨界電流密度與溫度的關係圖
20
第 6 章
結論
 
採用固態反應法成功製備了YBCO超導體。從
XRD圖我們證實了YBCO樣品的相形成。來自 RT
測量我們發現從正常狀態到超導狀態的轉變
大約 90 K，這也為相位形成提供了額外的支持數據。我們
還對我們的樣品在不同溫度（30、35、45、50K）下進行 IV 表徵
通過四探針法，能夠找到隨後的臨界電流密度
溫度並發現臨界電流密度隨著
溫度。
21
參考
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慈善經濟（全球）使命與願景之一是追求最大化科技創新與人文精神平衡權利

（One of the missions and visions of Charity Economy “Globa”l is to maximize the balance between technological innovation and humanistic spirit)

IAE（全球）慈善經濟「全球數位金融 國家寶藏（NATS）共融超導體IP專利永續發展計劃」 （↑詳細內容 敬請點入）