王妙鄔華春 楊萬(wàn)民 楊芃燾 王小梅 郝大鵬 黨文佳張明 胡成西

1)(西安航空學(xué)院理學(xué)院,西安 710077)

2)(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,西安 710062)

BaO摻雜對(duì)單疇G dBCO超導(dǎo)塊材性能的影響(二)?

王妙1)?鄔華春1)楊萬(wàn)民2)楊芃燾2)王小梅1)郝大鵬1)黨文佳1)張明1)胡成西1)

1)(西安航空學(xué)院理學(xué)院,西安 710077)

2)(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院,西安 710062)

(2017年2月8日收到;2017年6月7日收到修改稿)

為了有效地抑制GdBCO超導(dǎo)塊材在生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的Gd/Ba替換現(xiàn)象,在前期工作的基礎(chǔ)上,本文采用頂部籽晶熔滲生長(zhǎng)工藝,通過(guò)在固相先驅(qū)粉中添加不同含量的BaO粒子成功地制備出了一系列高性能的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材,并且對(duì)樣品的微觀形貌以及臨界電流密度進(jìn)行了研究和分析.結(jié)果表明,隨著BaO摻雜量的增加,樣品中的Gd1+xBa2?xCu3O7?δ固溶體(Gd123ss)相呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì),并生成了納米量級(jí)的Gd123ss,這對(duì)GdBCO超導(dǎo)樣品中存在的Gd/Ba替換起到了很好的抑制作用,使得樣品中的GdBa2Cu3O7?δ(Gd123)超導(dǎo)相有所增加;同時(shí)當(dāng)樣品中BaO的添加量在2 Wt%—4 Wt%之間時(shí),樣品的臨界電流密度在一定程度上得到了有效提高.

單疇GdBCO超導(dǎo)塊材,微觀形貌,臨界電流密度,磁通釘扎

1 引 言

由于單疇REBCO(RE=稀土元素)超導(dǎo)塊材具有較強(qiáng)的磁通俘獲能力、大的磁懸浮力以及良好的自穩(wěn)定磁懸浮特性,在磁懸浮軸承、微型強(qiáng)磁場(chǎng)永磁體和儲(chǔ)能飛輪等方面有著廣泛的應(yīng)用前景[1?5].然而,由于GdBCO超導(dǎo)塊材樣品在生長(zhǎng)過(guò)程中極易發(fā)生Gd/Ba替換,且在樣品生長(zhǎng)過(guò)程中易生成Gd1+xBa2?xCu3O7?δ(Gd123ss)固溶體相,從而進(jìn)一步影響樣品中超導(dǎo)相GdBa2Cu3O7?δ(Gd123)晶體的形成和長(zhǎng)大,使得GdBCO樣品的超導(dǎo)性能下降,影響其實(shí)用化進(jìn)程[6,7].

目前,對(duì)于抑制Gd/Ba替換方面的研究已經(jīng)有大量的文獻(xiàn)報(bào)道[8?10],其中,在制備樣品的先驅(qū)粉體中摻雜一定比例的富鋇相粒子是簡(jiǎn)單有效的方法之一.即為了有效地提高GdBCO樣品中Gd123超導(dǎo)相的存在,人為地添加不同含量的含有Ba2+的化合物,使得Gd/Ba替換現(xiàn)象能夠得到有效抑制和減少,其化學(xué)反應(yīng)式如下:

Gd1+xBa2?xCu3O7?δ+Ba2+→ GdBa2Cu3O7?δ.

因此,本文在上述研究的基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)后的頂部籽晶熔滲生長(zhǎng)(TSIG)工藝,通過(guò)在固相先驅(qū)粉體中摻雜不同含量的BaO粒子來(lái)有效地抑制GdBCO樣品生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的Gd/Ba替換現(xiàn)象,并成功地制備出了一系列單疇GdBCO超導(dǎo)塊材.

在我們前期的工作中已經(jīng)對(duì)摻雜不同含量BaO的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材的宏觀形貌、磁懸浮力、俘獲磁通密度及臨界溫度等超導(dǎo)特性進(jìn)行了研究和詳細(xì)的分析[11],但是對(duì)于其中的生長(zhǎng)機(jī)理并沒(méi)有進(jìn)行深入的探討.因此,本文在文獻(xiàn)[11]工作的基礎(chǔ)上,對(duì)不同比例BaO粒子摻雜的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材的微觀結(jié)構(gòu)和臨界電流密度進(jìn)行了更加深入的分析和研究.

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

采用固態(tài)燒結(jié)法制備相純的BaCuO2先驅(qū)粉體.首先將Gd2O3,BaCuO2以及BaO粉體按照質(zhì)量比1:1.2:x的進(jìn)行混合(其中,x分別為1,2,3,4,單位:Wt%),即為固相先驅(qū)粉,并壓制成圓柱形坯塊作為固相源先驅(qū)塊;液相采用Y基液相源[12,13],將Y2O3,CuO以及BaCuO2按照1:6:10的摩爾比進(jìn)行混合,然后壓制成圓柱形坯塊并作為液相源先驅(qū)塊;最后再將Yb2O3粉體壓制成與液相源先驅(qū)塊等直徑的圓柱形坯塊,作為支撐塊以防止液相流失.

每一個(gè)樣品先驅(qū)塊都由三個(gè)圓柱形的坯塊按照軸對(duì)稱方式疊放而成,最上面的是固相源先驅(qū)塊,接著是液相源先驅(qū)塊,然后把支撐塊放置于液相源先驅(qū)塊的正下方位置;再在固相源先驅(qū)塊上表面的正中心位置放置一挑選好的NdBCO籽晶,使其ab面平行于固相源先驅(qū)塊上表面;將其整體放置于A l2O3基板上并用幾個(gè)等高的MgO單晶塊將其隔開(kāi);最后將準(zhǔn)備好的樣品先驅(qū)塊放置于自行研制的高溫晶體生長(zhǎng)爐內(nèi),并采用改進(jìn)后的TSIG法進(jìn)行生長(zhǎng),熱處理程序可參考文獻(xiàn)[11].將生長(zhǎng)好的樣品在氧氣環(huán)境下從430?C到350?C慢冷200 h進(jìn)行滲氧,使之完成四方相向正交相的轉(zhuǎn)變,從而具有超導(dǎo)性能.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 樣品的宏觀形貌

圖1是不同比例BaO摻雜的GdBCO超導(dǎo)塊材的宏觀形貌圖.從圖中可以清楚地看出,不同摻雜樣品的表面均泛著金屬光澤,伴隨有明顯的十字花紋圖形,并且沒(méi)有任何隨機(jī)現(xiàn)象出現(xiàn),這體現(xiàn)出了GdBCO超導(dǎo)樣品的典型特征,說(shuō)明樣品具有良好的織構(gòu)和單疇性特征.由此可見(jiàn),摻雜有1 Wt%—4 Wt%的BaO對(duì)樣品的宏觀形貌沒(méi)有任何影響,均能生長(zhǎng)成為表面宏觀形貌較好的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)不同比例BaO添加的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材宏觀形貌圖[11] (a)1 Wt%;(b)2 Wt%;(c)3 Wt%;(d)4 Wt%Fig.1.(color on line)The top vieWs of the single doMain GdBCO bu lk superconductorsWith d iff erent BaO dop ing:(a)1 Wt%;(b)2 Wt%;(c)3 Wt%;(d)4 Wt%[11].

3.2 樣品的微觀結(jié)構(gòu)

為了深入分析和研究系列BaO摻雜的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材的微觀結(jié)構(gòu)和局部超導(dǎo)性能,分別在樣品上表面距籽晶約5mm的位置切割大小約為2mm×2mm×2mm的小試樣品,并對(duì)小試樣品的上表面進(jìn)行拋光處理,然后進(jìn)行了環(huán)境掃描電鏡(ESEM)測(cè)試.

圖2所示為摻雜量為1 Wt%BaO的GdBCO超導(dǎo)樣品的小試樣品中不同位置處的微觀形貌圖.從圖中可以看到,樣品中存在大量的大小、形狀各不相同的片層狀的物相,即Gd123ss,在圖2(a)和圖2(b)中用橢圓進(jìn)行了標(biāo)注,從圖中可以清楚地看到,生成的這種物相沿著樣品的a-b面向四周橫向生長(zhǎng)并連成一片,而且Gd123ss的生長(zhǎng)沒(méi)有方向性,這一點(diǎn)與Gd123超導(dǎo)相不同.

為了進(jìn)一步分析生長(zhǎng)過(guò)程中Gd/Ba的替換量,對(duì)圖2(b)中Gd123基體中的任意一點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)掃式的能譜測(cè)試(EDX),如圖3(a)所示.從能譜測(cè)試得到的數(shù)據(jù)可以看到,圖3(a)中Gd123基體上的Gd,Ba,Cu三者的原子占有量分別為12.12 at%,22.47 at%,33.24 at%,即得到的原子個(gè)數(shù)比例為Gd:Ba:Cu=1.09:2.02:3.由此可以看出,在1 Wt%BaO摻雜的GdBCO樣品中基體的物相可認(rèn)為是Gd123超導(dǎo)相,樣品中所存在的Gd/Ba替換現(xiàn)象通過(guò)BaO粒子的添加已經(jīng)得到了很好的抑制和改善.

為了測(cè)試數(shù)據(jù)的普遍性,對(duì)圖2(c)中Gd123基體中的任意一點(diǎn)也進(jìn)行了點(diǎn)掃式的EDX測(cè)試,如圖3(b)所示.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)摻雜量為1 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中的未知物相的微觀形貌圖Fig.2.(color on line)The Microstu rctu re of the solid solu tion phase in the GdBCO bu lk superconductor With 1 Wt%BaO doping.

同樣,從能譜測(cè)試得到的數(shù)據(jù)可以看到,圖3(b)中Gd123基體上的Gd,Ba,Cu三者的原子占有量分別為8.82 at%,17.38 at%,25.58 at%,換算后得到的原子個(gè)數(shù)比例為Gd:Ba:Cu=1.03:2.04:3.由此也可以看出,在1 Wt%BaO摻雜的GdBCO樣品中Gd/Ba的替換現(xiàn)象通過(guò)BaO粉體的添加已經(jīng)得到了很好的抑制和改善.該結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果相一致[14].

在圖2中已經(jīng)發(fā)現(xiàn),BaO摻雜的GdBCO樣品中存在著大量的附著在基體之上固溶體Gd123ss.為了探究該物相的屬性,同樣選取點(diǎn)掃方式對(duì)其分別進(jìn)行了能譜測(cè)試,如圖4所示.

從能譜測(cè)試得到的數(shù)據(jù)可以看到,圖4(a)中的未知物相中任一點(diǎn)的Gd,Ba,Cu三者的原子占有量分別為12.01 at%,11.19 at%,23.01 at%,換算后得到的原子比為Gd:Ba:Cu=1.566:1.459:3.由此可以看出,該成分不同于Gd123超導(dǎo)相的Gd:Ba:Cu=1:2:3,而是一種缺鋇相成分.對(duì)于該物相,目前已有的文獻(xiàn)中并未見(jiàn)報(bào)道.為了數(shù)據(jù)的可靠性,同樣重新選取位置進(jìn)行點(diǎn)掃式能譜測(cè)試,如圖4(b)所示.從圖中可以看到,該處的物相中Gd,Ba,Cu三者的原子占有量分別為13.8 at%,17.88 at%,30.32 at%,即它的原子比為Gd:Ba:Cu=1.365:1.769:3.同樣可以看出,該處的物相也是一種缺鋇的成分.而且該物相與GdBCO樣品中存在的第二相粒子Gd211不同,該物質(zhì)是繼Gd211后的另一種新的粒子,因此,對(duì)于該物相的確定還需要做進(jìn)一步研究.

通過(guò)能譜分析可以清晰地看到,當(dāng)在GdBCO超導(dǎo)塊材中摻雜1Wt%的BaO粉體時(shí),此時(shí)樣品中的Gd/Ba替換已經(jīng)得到了很好的抑制,即Gd123基體中的物相成分基本上滿足Gd:Ba:Cu=1:2:3.然而,在該樣品中同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了大量的未知物相的存在,該物相的成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離Gd123基體的成分,是一種缺鋇的全新的一種物相(本文中稱其為Gd123衍生物相,用Gd123ss表示),該物相在生長(zhǎng)的過(guò)程中也會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,如圖2(c)和圖2(d)所示.這一點(diǎn)類似于樣品中的第二相粒子,即非超導(dǎo)相Gd211粒子的生成過(guò)程.

對(duì)于在樣品中Gd123基體表面上生成的這種衍生物相可這樣理解:在GdBCO超導(dǎo)樣品中生成Gd123相的過(guò)程中,由于Gd3+和Ba2+的原子直徑相差不大,易于在液相中析出置換固溶體Gd123ss,而BaO粒子的添加可以有效地抑制這種置換反應(yīng),即發(fā)生Gd1+xBa2?xCu3O7?δ+BaO→GdBa2Cu3O7?δ反應(yīng),但這種置換易引起液相成分的進(jìn)一步偏析,從而形成一種缺鋇的液相,該液相很容易在樣品生長(zhǎng)的過(guò)程中被Gd123基體所俘獲或者形成殘留物附著在Gd123基體之上從而發(fā)生團(tuán)簇現(xiàn)象.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)摻雜量為1 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中Gd123基體的能譜分析圖Fig.3.(color on line)The EDX of the Gd123 Matrix in the GdBCO bulk superconductor With 1 Wt%BaO doping.

圖5是摻雜量為2 Wt%的樣品微觀形貌圖.由圖可見(jiàn),樣品中形成的Gd123ss物相粒子呈現(xiàn)分散狀分布,可以看出,相比1 Wt%摻雜樣品,Gd123ss物相粒子的密度增加,但是粒子的平均尺寸較小,即呈現(xiàn)出不同程度的粒子細(xì)化現(xiàn)象.通過(guò)ImageJ軟件[15]可以近似地得到圖5(a)中粒子的平均尺寸約為50—120 nm之間.這一結(jié)果說(shuō)明,在摻雜BaO粒子的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材中生成了一種納米狀新的物相粒子,而根據(jù)RE123超導(dǎo)體中的第二相非超導(dǎo)相粒子的磁通釘扎機(jī)制理論可知[16,17],磁通釘扎力密度與第二相非超導(dǎo)相粒子數(shù)密度成正比關(guān)系,即單疇REBCO超導(dǎo)塊材中存在的納米粒子可以有效地成為樣品中的磁通釘扎中心,從而進(jìn)一步提高樣品的磁通釘扎能力和超導(dǎo)性能.因此,這些納米狀的新物相粒子在GdBCO超導(dǎo)塊材樣品中同樣也起到了磁通釘扎中心的作用,進(jìn)一步提高了GdBCO超導(dǎo)樣品的磁懸浮力和俘獲磁通密度.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)摻雜量為1 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中的未知物相的能譜分析圖Fig.4.(color on line)The EDX of the unknoWphase in the GdBCO bu lk superconductor With 1 Wt%BaO dop ing.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)摻雜量為2 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中的未知物相的微觀形貌圖Fig.5.(color on line)The Microstu rcture of the unknoWphase in the GdBCO bu lk superconductor With 2 Wt%BaO doping.

圖6所示為摻雜量為3 Wt%BaO的GdBCO超導(dǎo)樣品中的Gd123ss的微觀形貌圖和能譜分析圖.從圖中可以看到,該衍生相在樣品中的分布情況與摻雜量為2 Wt%的樣品中的情況類似,即都呈現(xiàn)出均勻的納米尺寸的點(diǎn)狀分布特點(diǎn).此外,還有一點(diǎn)不同,即在3 Wt%的BaO摻雜的樣品中,納米粒子存在著兩種明顯不同的尺寸,可通過(guò)ImageJ軟件對(duì)圖6中的兩種納米粒子的平均尺寸進(jìn)行近似估算,分別為20—50 nm和180—300 nm兩種尺度分布.樣品中存在20—50 nm尺寸量級(jí)的Gd123衍生相相對(duì)要少一些,對(duì)于這類有兩種不同尺寸的Gd123衍生相的形成可以借用Oswald熟化理論[18,19]進(jìn)行解釋,即Gd123ss衍生物相粒子在樣品中進(jìn)行生長(zhǎng)的同時(shí),有一部分粒子由于會(huì)經(jīng)歷Oswald熟化反應(yīng)過(guò)程,在此過(guò)程中,較小的Gd123ss粒子可發(fā)生自我溶解過(guò)程并消失在液相中,從而容易在樣品中形成更小尺寸的20—50 nm納米狀的Gd123ss粒子,而溶解的Gd123ss粒子會(huì)遷移至較大的粒子處(小尺寸粒子的Gibbs自由能高于大粒子,致使其在液相中的濃度偏高,從而容易向大粒子區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)散),使得大粒子進(jìn)一步粗化長(zhǎng)大,形成180—300 nm尺度的Gd123ss衍生物相粒子.

為了進(jìn)一步定量分析摻雜量為3 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中形成的Gd123ss,對(duì)圖6中的任意一點(diǎn)分別進(jìn)行點(diǎn)掃式的能譜測(cè)試.從能譜測(cè)試得到的數(shù)據(jù)可以看到,該處物相中的Gd,Ba,Cu三者的原子占有量分別為8.88 at%,16.14 at%,24.53 at%,經(jīng)換算其原子比為Gd:Ba:Cu=1.086:1.974:3,即,Gd,Ba,Cu三者的原子比例約為1:2:3,可近似地認(rèn)為其是Gd123超導(dǎo)相.由此可見(jiàn),這種Gd123ss衍生物相的成分并不是單一不變的,而是隨著BaO摻雜量的增加呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化.隨著單疇GdBCO超導(dǎo)樣品中BaO含量的逐漸增加,樣品中的Gd123ss衍生物相所表現(xiàn)出的缺鋇現(xiàn)象逐漸得到了抑制和改善,其成分也接近于Gd123的成分比例.

通過(guò)對(duì)該處的Gd123ss的定量分析可以看到,當(dāng)在GdBCO超導(dǎo)塊材中摻雜3 Wt%的BaO粉體時(shí),此時(shí)樣品中的Gd123ss衍生相的成分比例接近于Gd123的成分,即樣品中存在的Gd123超導(dǎo)相在逐漸增加,這為提高GdBCO超導(dǎo)樣品的超導(dǎo)性能提供了重要的理論依據(jù).

圖6 (網(wǎng)刊彩色)摻雜量為3 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中的未知物相的能譜分析圖Fig.6.(color on line)The EDX of the unknoWphase in the GdBCO bu lk superconductor With 3 Wt%BaO dop ing.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)摻雜量為4 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中的未知物相的微觀形貌圖Fig.7.(color on line)The Microstu rcture of the unknoWphase in the GdBCO bu lk superconductor With 4 Wt%BaO doping.

圖7是摻雜量為4 Wt%的超導(dǎo)樣品中的Gd123ss衍生物相的微觀結(jié)構(gòu)形貌圖,從圖中可以清楚地看到,樣品中所形成的納米尺寸的Gd123衍生相粒子均勻地分散在Gd123基體上,而且分布密度相比摻雜量為2 Wt%和3 Wt%的樣品明顯減少,但是同樣分布較為均勻.通過(guò)ImageJ軟件可以近似地得到圖中粒子的平均尺寸約在30—100 nm之間.由于Gd123基體與Gd123ss衍生物相的Gd,Ba,Cu三個(gè)原子的成分比極為相似(如圖6所描述),而且對(duì)于如此小的納米粒子很難用EDX進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量,因此有必要選取一個(gè)與Gd123衍生相的Gd,Ba,Cu三個(gè)原子的成分有差別的粒子進(jìn)行對(duì)比測(cè)量.

為了對(duì)摻雜4 Wt%的樣品中Gd123ss衍生相進(jìn)行定量分析,選取Gd211粒子附近的Gd123衍生物相進(jìn)行EDX能譜分析測(cè)試.如圖8所示,采用線掃描(line scanning)的方式進(jìn)行測(cè)試.掃描線的路徑方式如圖中所示,可以看到,圖中較大的白色粒子是Gd211粒子,在該條掃描線上有若干個(gè)納米尺寸的Gd123ss衍生物相粒子.通過(guò)對(duì)這一條掃描線上的成分分析圖可以看到,Gd,Ba和Cu三個(gè)原子的成分呈現(xiàn)出兩種分布:一種是Gd211粒子所對(duì)應(yīng)的峰譜,該峰譜呈現(xiàn)的正是Gd211粒子的組分比;而另一種分布就是Gd211粒子外面的Gd123基體的峰譜.可以看到,Gd123基體與經(jīng)過(guò)納米尺寸的Gd123ss衍生相粒子的峰譜值并沒(méi)有什么區(qū)別,也就是說(shuō),采用該方法不能對(duì)如此小的納米粒子的組分進(jìn)行精準(zhǔn)的定量分析.

但是,從前面對(duì)1 Wt%—3 Wt%摻雜的GdBCO超導(dǎo)樣品中的Gd123ss衍生物相成分分析,可以認(rèn)為在4 Wt%BaO摻雜的GdBCO樣品中存在的Gd123ss衍生相的原子比基本也可判定為Gd:Ba:Cu=1:2:3.從圖7(a)和圖7(c)中也可以看到,樣品中產(chǎn)生的Gd123衍生相粒子的形狀已經(jīng)發(fā)生了細(xì)微的變化,與圖2、圖5和圖6中的Gd123衍生物有所不同,圖7中產(chǎn)生的納米粒子的形狀規(guī)則,基本上都呈正六邊形的片層狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng),與Gd123超導(dǎo)相的晶體生長(zhǎng)類似.即當(dāng)BaO摻雜量為4 Wt%時(shí),GdBCO超導(dǎo)塊材中的Gd/Ba替換現(xiàn)象得到抑制的同時(shí),樣品中存在的Gd123超導(dǎo)相也逐漸增多,這也進(jìn)一步證明了GdBCO超導(dǎo)塊材中的衍生物相逐漸減少,且超導(dǎo)相呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì),從而使得樣品的超導(dǎo)性能得到提高.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)摻雜量為4 Wt%的GdBCO超導(dǎo)樣品中的未知物相的能譜分析圖Fig.8.(color on line)The EDX of the unknoWphase in the GdBCO bu lk superconductor With 4 Wt%BaO dop ing.

3.3 臨界電流密度Jc

利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)在77 K溫度下對(duì)不同比例BaO摻雜的小試樣品磁滯回線進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量時(shí)所加的外部磁場(chǎng)與樣品的c軸方向平行,測(cè)量的磁滯回線如圖9內(nèi)插圖所示.對(duì)于樣品的臨界電流密度采用Bean模型[20]進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下:

其中,?M(emu)為測(cè)試過(guò)程中增加磁場(chǎng)與降低磁場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的同一磁場(chǎng)的磁矩之差;a(mm)和b(mm)分別對(duì)應(yīng)的是小樣品ab面上的尺寸(a＜b),V(mm3)是小樣品的體積.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)不同比例BaO添加的GdBCO超導(dǎo)樣品的臨界電流密度Fig.9.(color online)The Jc-B properties at 77 K for the saMp les With diff erent ratio of BaO dop ing.

從圖9中可以看出,摻雜不同比例BaO粒子的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材的臨界電流密度存在著一定的波動(dòng)性,其中獲得最大臨界電流密度的是摻雜量為2%的GdBCO樣品,其值為8.6×104A/cm2;獲得最小臨界電流密度的是摻雜量為1%的GdBCO樣品,其值為5.3×104A/cm2.這表明,當(dāng)BaO的摻雜量為2 Wt%時(shí),GdBCO超導(dǎo)塊材的臨界電流密度達(dá)到最大值,也就是說(shuō),適當(dāng)比例的BaO粒子摻雜可以有效地提高單疇GdBCO超導(dǎo)塊材的臨界電流密度,這也進(jìn)一步驗(yàn)證了合適比例的BaO粒子摻雜在一定程度上可以改善和提高單疇GdBCO超導(dǎo)塊材的性能.

4 結(jié) 論

本文成功地制備出了不同比例的BaO粒子摻雜的系列單疇GdBCO超導(dǎo)塊材.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:樣品的表面宏觀生長(zhǎng)形貌與BaO粒子的摻雜量沒(méi)有明顯的關(guān)系,所有的樣品均能表現(xiàn)出典型的單疇形貌特征;對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)分析表明,隨著單疇GdBCO超導(dǎo)樣品中BaO含量的逐漸增加,樣品中存在的Gd123ss衍生物相所表現(xiàn)出的缺鋇現(xiàn)象逐漸得到了抑制和改善,其成分也接近于Gd123的成分比例,并且隨著BaO摻雜量的增加,樣品中生成了納米狀的Gd123ss衍生物相粒子,其可以為樣品提供有效地磁通釘所中心,從而進(jìn)一步提高樣品的磁通釘扎力及超導(dǎo)性能.

[1]Deng Z,He D,Zheng J 2015 IEEE Trans.App l.Supercon.25 3600106

[2]Du rrell J H,Dennis A R,Jaroszynski J,A inslie MD,PalMer K G,ShiY H,CaMpbell A M,Hu ll J,Strasik M,HellstroME E 2014 Supercond.Sci.Technol.27 082001

[3]Wang J,Wang S,Zheng J 2009 IEEE Trans.Appl.Supercon.19 2142

[4]Yang P T,Yang WM,Wang M,Li JW,Guo Y X 2015 Chin.Phys.B 24 117403

[5]Zhang C P,Wang J R 2003 Rare Meta ls Lett.7 1(in Chinese)[張翠萍,汪京榮2003稀有金屬快報(bào)7 1]

[6]N itadori T,Ichiki T,Misono M1988 Bu ll.Chem.Soc.Jpn.61 621

[7]Nariki S,Sakai N,MurakaMi M2002 Supercond.Sci.Techno l.15 648

[8]Xu C,Hu A,Sakai N,IzuMi M,IzuMi H 2005 Physica C 426 613

[9]Shi Y,Babu N,Iida K,Cardwell D A 2008 Physica C 468 1408

[10]Tsvetkov D,Sereda V,Zuev A Y 2010 Solid State Ionics 180 1620

[11]Wang M,Yang WM,Yang P T,Wang X M,Zhang M,Hu C X 2016 Acta Phys.Sin.65 227401(in Chinese)[王妙,楊萬(wàn)民,楊芃燾,王小梅,張明,胡成西 2016物理學(xué)報(bào)65 227401]

[12]Li G Z,Yang WM,Liang W,Li JW2011 Mater.Lett.65 304

[13]Wang M,Yang WM,Li JW,Feng Z L,Chen S L 2013 Physica C 492 129

[14]Shi Y,Babu N H,Iida K,Cardwell D A 2007 IEEE Trans.Appl.Supercon.17 2984

[15]https://iMagej nih gov/ij/doWn load htMl[2017-2-8]

[16]MurakaMi M,Gotoh S,Fu jiMoto H YaMaguchi K,Koshizuka N,Tanaka S 1991 Supercond.Sci.Technol.4 1S

[17]Tang T W,Qiu F J,Wu D J,Xu K X 2015 J.Inorg.Mater.30 9(in Chinese)[唐天威,邱傅杰,吳董杰,徐克西2015無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)30 9]

[18]IzuMi T,Nakamura Y,Shiohara Y 1993 J.Crys.Grow.128 757

[19]IzuMi T,NakaMura Y,Shiohara Y 1993 J.Mater.Res.8 1240

[20]Bean C 1962 Phys.Rev.Lett.8 250

pinning

PACS:74.72.–h,74.25.Sv,61.72.–y,91.60.EdDOI:10.7498/aps.66.167401

*1Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.51572164,11647050),the Keygrant Project of Chinese Ministry of Education(G rant No.311033),and the Scientifi c Research Project of X i’an Aeronautical University,China(G rant No.2016KY 1213)

?Corresponding author.E-Mail:cwnanMao@126.com

In fl uences of BaO dop ing on the p roperties of single doMain G d BCO bu lk superconductors(II)?

Wang Miao1)?Wu Hua-Chun1)Yang Wan-Min2)Yang Peng-Tao2)Wang Xiao-Mei1)Hao Da-Peng1)Dang Wen-Jia1)Zhang Ming1)Hu Cheng-Xi1)

1)(School of Science,X i’an Aeronautical University,Xi’an 710077,China)
2)(School of Physics and InforMation Technology,Shaanxi NorMal University,X i’an 710062,China)

8 February 2017;revised Manuscrip t

7 June 2017)

In order to inhibit the Gd/Ba substitution in the groWth process eff ectively,a series of single doMain GdBCO bulk superconductorsWith diff erent ratios of BaO additions in the solid phase pellet is successfully fabricated by themodified top seeded in fi ltration groWth technique on the basis of p revious research.In the p resent work,theMacroscopic feature,Microstructure and critical current density(Jc)of the single doMain GdBCO bulk superconductor are investigated in detail.FroMthe top vieWof the surface of the single domain GdBCO bulk superconductor,all of the saMp les exhibit clearly the fourfold groWth sector boundaries on their top surfaces,and spontaneous satellite grains are observed in none of these saMp les.It can be seen that the diff erent ratio of BaO addition(froM1 Wt%to 4 Wt%)cannot aff ect the groWth morphology of the single domain GdBCO bulk superconductor.At the same time,for observations of the Microstructure,the sMall test speciMens of diMensions about 2mm×2mm×2mMare cut froMthe top surface of the singe domain GdBCO bulk superconductors With diff erent BaO doping ratios and at a distance 5 mMaway froMthe seed,then Microstructure analysis is perforMed in the cleavage phane of the test speciMen by using scanning electron Microscope.For the saMp le With 1 Wt%BaO doping,the derivative phase of GdBCO(Gd123ss)is found in the Gd123 superconductingmatrix.To detect the atoMic ratio of the Gd123ss,energy dispersive X-ray spectrometry measurement is carried out on the saMp les.It is shown that the atoMic ratio of the Gd123ss phase is Gd:Ba:Cu=1.566:1.459:3,which proves successfully that the Gd123ss is a kind of phase With lack of barium.With the increase of BaO doping,the phenomenon of lack ofbariuMiseff ectively controlled and,the nano Gd123ss phase isgenerated as the flux pinning centre which can be used to iMprove the superconducting p roperties in the groWth process of GdBCO bulk superconductor.This results can be concluded that the p roper doping ratio can control the eleMent substitution eff ectively,and the solid solution phase can be greatly reduced to some extent,and the critical current can be iMproved to a certain extent when the aMount of BaO added ranges froM2 Wt%to 4 Wt%,which is very help ful in inhibiting the Gd/Ba substitution and fabricating the high-quality single domain GdBCO bulk superconductors.

singe doMain GdBCO bu lk superconductor,Microstructure,critical current density,flux

10.7498/aps.66.167401

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51572164,11647050)、教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):311033)和西安航空學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2016KY 1213)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:cwnanMao@126.com

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://Wu lixb.iphy.ac.cn