劉麗 劉杰? 曾健 翟鵬飛 張勝霞 徐麗君 胡培培 李宗臻 艾文思

1) (中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所, 蘭州 730000)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100049)

釔鋇銅氧(YBCO)高溫超導(dǎo)材料在能源、交通等方面具有廣泛的應(yīng)用前景, 然而強(qiáng)磁場(chǎng)下出現(xiàn)的低臨界電流密度問題嚴(yán)重限制了其應(yīng)用.利用快重離子輻照技術(shù)可在YBCO中形成潛徑跡對(duì)磁通渦旋進(jìn)行釘扎, 從而有效改善其在磁場(chǎng)下的超導(dǎo)性能.本文利用能量為1.9 GeV的Ta離子對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)薄膜進(jìn)行輻照,系統(tǒng)地研究了不同離子注量下YBCO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)及磁場(chǎng)下電流傳輸特性的變化情況.研究表明, Ta離子輻照在薄膜中沿入射路徑方向產(chǎn)生貫穿整個(gè)超導(dǎo)層的一維非晶潛徑跡, 其直徑在5 nm到15 nm之間.結(jié)合Higuchi模型分析了快重離子輻照對(duì)薄膜中磁通釘扎機(jī)制的影響.研究發(fā)現(xiàn): 在原始樣品中本征面缺陷釘扎是主要的釘扎機(jī)制; 隨著輻照注量的增加, 薄膜中的釘扎類型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛煽熘仉x子輻照引入的正常相缺陷釘扎.臨界電流密度與磁場(chǎng)的關(guān)系可用函數(shù) Jc∝ B?α 進(jìn)行擬合.指數(shù)a隨著注量的增加而降低, 當(dāng)注量為5.0 × 1011 ions/cm2時(shí)已由最初的0.784降低至0.375, 說(shuō)明臨界電流密度對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系大大減弱.當(dāng)輻照注量為 8.0 × 1010 ions/cm2時(shí), 潛徑跡對(duì)磁通渦旋的釘扎效果最佳.在該注量下, 高場(chǎng) (B > 0.3 T)下臨界電流密度達(dá)到最大值且釘扎力提升了近兩倍, 臨界轉(zhuǎn)變溫度無(wú)明顯變化(DTon ≈ 0.5 K).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 快重離子輻照產(chǎn)生的潛徑跡可以在不影響臨界轉(zhuǎn)變溫度的前提下有效改善磁場(chǎng)下超導(dǎo)載流能力.

1 引 言

1987年美國(guó)休斯頓大學(xué)朱經(jīng)武研究團(tuán)隊(duì)和中科院物理研究所趙忠賢研究團(tuán)隊(duì), 利用原子半徑更小的Y元素替代了鑭鋇銅氧超導(dǎo)體(La-Ba-Cu-O)中的La元素, 形成釔鋇銅氧(YBCO)系超導(dǎo)材料, 成功將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升至90 K以上[1,2],這一重大發(fā)現(xiàn)引起了全世界學(xué)者的極大興趣.相比于低溫超導(dǎo)材料而言, YBCO高溫超導(dǎo)材料具有制備成本低、運(yùn)行成本低、電學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn),使其在強(qiáng)電及弱電領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景[3,4].然而, 當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度不為零時(shí), 其臨界電流密度迅速衰減, 這是由于YBCO中的磁通渦旋會(huì)在洛倫茲力作用下移動(dòng)所致, 嚴(yán)重限制了其在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用[5,6].

已有研究表明, 通過(guò)在高溫超導(dǎo)材料中引入不同維度的缺陷可形成釘扎中心, 對(duì)磁通渦旋進(jìn)行釘扎從而抑制其蠕動(dòng), 可提高磁場(chǎng)下臨界電流密度[7].在高溫超導(dǎo)材料中引入缺陷有多種方法, 與常規(guī)的化學(xué)摻雜法相比[8,9], 粒子輻照技術(shù)可在不改變高溫超導(dǎo)材料的生長(zhǎng)參數(shù)和化學(xué)配比的前提下, 在材料中產(chǎn)生均勻分布和尺寸均勻的各種維度的缺陷[10,11],與現(xiàn)有的幾乎所有超導(dǎo)材料的制備工藝兼容.電子、質(zhì)子、中子及重離子等粒子均可用于輻照YBCO高溫超導(dǎo)材料[12,13].其中, 原子序數(shù)大于2且單核能大于1 MeV/u的離子被稱為快重離子.與其他粒子不同的是, 快重離子具有長(zhǎng)射程、高電子能損的特點(diǎn).當(dāng)快重離子的電子能損值超過(guò)20 keV/nm時(shí), 重離子可在YBCO高溫超導(dǎo)材料中產(chǎn)生直徑與高溫超導(dǎo)材料的相干長(zhǎng)度相近的一維非晶化潛徑跡[14].該缺陷可沿其長(zhǎng)度方向?qū)Υ磐u旋形成各向異性釘扎, 有效限制渦旋的移動(dòng), 故潛徑跡是一種強(qiáng)釘扎中心[15].

早在20世紀(jì)90年代, 人們就已開展了YBCO高溫超導(dǎo)材料的快重離子輻照改性方面的研究工作[16], 取得一系列的研究成果: 快重離子輻照一方面可以顯著提高磁場(chǎng)下臨界電流密度, 但也會(huì)導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)變溫度的降低, Nakashima等[17]發(fā)現(xiàn)對(duì)輻照后的YBCO薄膜進(jìn)行200—400 ℃的高溫退火處理, 可在不降低臨界電流密度的前提下使臨界轉(zhuǎn)變溫度回升, 進(jìn)一步優(yōu)化超導(dǎo)參數(shù); 為進(jìn)一步改善各向異性, Sueyoshi等[18?20]通過(guò)改變快重離子的入射角度, 在YBCO中產(chǎn)生交叉分布的潛徑跡, 可大大提升不同磁場(chǎng)方向的臨界電流密度; 此外, 還可將快重離子輻照技術(shù)與化學(xué)摻雜技術(shù)相結(jié)合,在YBCO超導(dǎo)材料中形成不同維度的釘扎中心同時(shí)對(duì)磁通渦旋進(jìn)行釘扎, 進(jìn)一步增強(qiáng)釘扎效果[21,22];通過(guò)改變快重離子的電子能損值, 還可控制潛徑跡的連續(xù)性[23,24]等.

除了研究快重離子輻照對(duì)超導(dǎo)性能的影響之外, 對(duì)輻照產(chǎn)生的缺陷引起的超導(dǎo)性能退化的原因也進(jìn)行了部分研究.在Biswal等[25]的低溫輻照實(shí)驗(yàn)中, 在輻照注量?jī)H 109ions/cm2量級(jí)時(shí), 臨界轉(zhuǎn)變溫度就開始出現(xiàn)了下降的趨勢(shì).他們對(duì)于該現(xiàn)象的解釋是: 快重離子輻照在YBCO高溫超導(dǎo)材料中通過(guò)電離產(chǎn)生的二次電子除了將能量沉積在幾個(gè)納米范圍內(nèi)形成一維潛徑跡之外, 還有少部分二次電子可擴(kuò)散至未被離子轟擊的晶體區(qū)域, 擴(kuò)散半徑可達(dá)微米量級(jí).YBCO高溫超導(dǎo)材料中銅氧鏈上的Cu原子具有不穩(wěn)定的三重氧對(duì)稱狀態(tài), 可捕獲二次電子, 使銅的價(jià)態(tài)變成最多僅兩重氧對(duì)稱的穩(wěn)定價(jià)態(tài)+1價(jià), 導(dǎo)致銅氧鏈上氧原子移位、銅氧鏈被破壞, 銅氧面載流子濃度降低, 最終導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)變溫度降低[26].然而該氧缺陷不穩(wěn)定, 在室溫環(huán)境中即出現(xiàn)大幅度退火現(xiàn)象[27].當(dāng)注量進(jìn)一步增大到一定值, 臨界轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度將嚴(yán)重退化, 很多學(xué)者都將其歸因于輻照產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致超導(dǎo)晶格受損、超導(dǎo)通路受阻[28], 但具體細(xì)節(jié)有待研究.

本文借助中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的蘭州重離子加速器 (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL), 開展了 YBCO 高溫超導(dǎo)薄膜的快重離子輻照效應(yīng)研究工作, 獲得了YBCO薄膜基本超導(dǎo)參數(shù)、釘扎類型等隨入射離子注量的變化規(guī)律, 并結(jié)合拉曼圖譜分析技術(shù)對(duì)高注量下超導(dǎo)性能的退化原因進(jìn)行了初步探討.

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品YBa2Cu3O7-d高溫超導(dǎo)薄膜由德國(guó)Ceraco陶瓷涂層有限公司提供.采用熱共蒸鍍法(thermal co-evaporation)在 面 積 為 25 mm ×25 mm的藍(lán)寶石襯底上依次沉積 25 nm厚的CeO2過(guò)渡層和300 nm厚的YBCO超導(dǎo)層[29].隨后, 在光刻膠和藍(lán)膜的保護(hù)下, 將薄膜切割成4 mm × 4 mm 的方塊.切割完成后, 使用丙酮和異丙醇除去樣品表面的保護(hù)層, 并用氮?dú)鈱悠反蹈?

采用蘭州重離子加速器(HIRFL)提供的單核能為12.5 MeV/u的181Ta離子, 在室溫、真空條件下對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)薄膜進(jìn)行輻照, 離子注量范圍為 1.0 × 109至 1.6 × 1012ions/cm2.通過(guò)樣品前端總厚度為18 μm的鋁箔三明治探測(cè)器探測(cè)離子注量.Ta離子經(jīng)過(guò)該探測(cè)器后, 達(dá)到樣品表面的實(shí)際能量為1.9 GeV.輻照后樣品的微觀形貌是利用場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡 (FEI Tecnai G2F20,FEI)觀察的, 電子束加速電壓為 200 kV.輻照后樣品的結(jié)構(gòu)變化是利用顯微激光共聚焦拉曼光譜儀 (LabRam HR800, HORIBA JOBIN YVON S.A.S)進(jìn)行表征的, 實(shí)驗(yàn)所用激光光源波長(zhǎng)為532 nm, 功率為 3.48 mW, 測(cè)試時(shí)采用刻度線度為 1800 gr/mm 的光柵, 積分時(shí)間設(shè)置為 60 s, 波數(shù)范圍為 50—1000 cm–1.借助綜合物性測(cè)量系統(tǒng)(PPMS-9, QuantumDesign)對(duì)輻照前后樣品的超導(dǎo)性能進(jìn)行測(cè)試, 其中磁滯回線的測(cè)試條件是溫度為 77 K, 最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為 5 T.交流磁化率的測(cè)試是在交流信號(hào)頻率為2000 Hz及振幅1 V條件下進(jìn)行的.

3 結(jié)果與討論

3.1 快重離子輻照引起的超導(dǎo)參數(shù)變化

我們對(duì)輻照前后YBCO薄膜的臨界轉(zhuǎn)變溫度、磁場(chǎng)下臨界電流密度等進(jìn)行研究.當(dāng)YBCO材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)具有抗磁性, 而交流磁化率的實(shí)部與超導(dǎo)抗磁轉(zhuǎn)變有關(guān), 故可用交流磁化率來(lái)判斷超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是否發(fā)生.利用PPMS測(cè)量不同注量下交流磁化率隨溫度的變化情況, 將抗磁轉(zhuǎn)變起始溫度定義為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Ton.如圖1所示, 未輻照樣品Ton為87.6 K, 當(dāng)Ta離子的輻照注量低于8.0× 1010ions/cm2時(shí), Ton變化量?Ton僅為 0.5 K.隨著注量的進(jìn)一步增大, Ton呈現(xiàn)大幅度降低的趨勢(shì), 當(dāng)注量達(dá)到最大值 1.6 × 1012ions/cm2時(shí),Ton已由最初的 87.6 K 降至 75.4 K, 且轉(zhuǎn)變寬度明顯增加.

圖1 不同注量下YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的交流磁化率隨溫度的變化Fig.1.AC susceptibility versus temperature of YBCO high temperature superconductor films irradiated with different fluences.

在磁場(chǎng)方向平行YBCO超導(dǎo)薄膜c軸的條件下, 測(cè)量不同注量的Ta離子輻照后樣品磁滯回線的變化情況, 并結(jié)合Bean模型計(jì)算臨界電流密度Jc[30], 計(jì)算公式為

式中: a、b 為樣品垂直磁場(chǎng)方向的平面尺寸, 且 b > a;V為樣品超導(dǎo)體積, 其計(jì)算公式為 V =a·b·c ,其中 c 為超導(dǎo)層厚度, 本式中取 300 nm; ?M 為同一磁場(chǎng)下磁滯回線曲線之差.計(jì)算結(jié)果如圖2(a)所示, 隨著輻照注量的增加, 臨界電流密度大體呈先增加后降低的趨勢(shì).利用指數(shù)關(guān)系 Jc∝B?α對(duì)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的Jc-B曲線進(jìn)行擬合, 結(jié)果標(biāo)注在圖2(a)中.隨著輻照注量的增加, 指數(shù)a不斷減小, 說(shuō)明快重離子輻照在薄膜中引入了強(qiáng)釘扎中心, 導(dǎo)致Jc對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系逐漸減弱.值得注意的是, 當(dāng)注量達(dá)到 5 × 1011ions/cm2, a 值已經(jīng)降低至0.375, 然而其Jc反而低于未輻照樣品, 這可能是釘扎中心增加和超導(dǎo)體積減小共同作用的結(jié)果.

圖2 (a) 77 K 下經(jīng) Ta 離子輻照后臨界電流密度隨磁場(chǎng)的變化情況; (b) 77 K下釘扎力隨注量的變化情況Fig.2.(a) Field dependence of critical current density at 77 K after Ta ions irradiation; (b) The variance of pinning force at 77 K with increasing fluence.

晶體缺陷與磁通渦旋之間的相互作用可阻止磁通線的運(yùn)動(dòng), 從而提高Jc, 該作用力即釘扎力.臨界電流密度的大小與磁通釘扎密切相關(guān).為進(jìn)一步了解不同磁場(chǎng)下的磁通釘扎信息, 對(duì)釘扎力Fp進(jìn)行計(jì)算, 其計(jì)算公式為 Fp=Jc×B.輻照前后樣品釘扎力計(jì)算結(jié)果如圖2(b)所示, 當(dāng)注量為8.0 × 1010ions/cm2時(shí), 釘扎力顯著提升, 且在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.70 T時(shí)出現(xiàn)峰值, 該磁場(chǎng)下釘扎力高達(dá) 0.30 MN/m3, 約為未輻照樣品 (0.146 MN/m3)的兩倍.

為研究快重離子輻照對(duì)YBCO薄膜中磁通釘扎類型的影響情況, 對(duì)圖2(b)中的釘扎力曲線進(jìn)行處理, 得到歸一化釘扎力 fp= Fp/Fp,max與約化場(chǎng) h = H/Hmax之間的關(guān)系, 其中 Fp,max為釘扎力的峰值, Hmax為最大釘扎力所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值, 歸一化結(jié)果如圖3所示.結(jié)合Higuchi釘扎力標(biāo)度函數(shù)對(duì)歸一化釘扎力曲線進(jìn)行擬合[31,32], 擬合公式如表1 所示.據(jù)圖3 所示的擬合結(jié)果可知, 當(dāng) h > 1時(shí), 所有的歸一化釘扎力密度曲線都更符合面釘扎方式, 說(shuō)明快重離子輻照對(duì)高場(chǎng)下的釘扎行為影響較弱; 當(dāng)約化磁場(chǎng) h < 1 時(shí), 原始樣品的約化釘扎力曲線同樣與面釘扎所對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線對(duì)應(yīng), 說(shuō)明在原始樣品中面缺陷釘扎一直占主導(dǎo)地位.然而,隨著輻照注量的增加, 低場(chǎng)下釘扎類型逐漸從面釘扎轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲缘姆浅瑢?dǎo)相的點(diǎn)缺陷釘扎.

圖3 輻照前后YBCO薄膜的約化釘扎力曲線及擬合結(jié)果Fig.3.Scaling behavior of normalized pinning force curves for YBCO films before and after irradiation and fit curves.

表1 釘扎力密度標(biāo)度函數(shù)Table 1.Fitting functions of scaling behavior of normalized pinning force.

結(jié)合以上分析可知, 對(duì)于300 nm厚的YBCO薄膜而言, 采用能量為1.9 GeV的Ta離子對(duì)薄膜進(jìn)行輻照, 當(dāng)注量為 8.0 × 1010ions/cm2時(shí)超導(dǎo)性能達(dá)到最佳, 在該注量下臨界電流密度及釘扎力均大幅度提升, 且臨界轉(zhuǎn)變溫度無(wú)明顯變化.隨著輻照注量進(jìn)一步增大, 釘扎效果明顯變?nèi)? 超導(dǎo)性能嚴(yán)重退化.為進(jìn)一步探索快重離子輻照導(dǎo)致超導(dǎo)性能退化的原因, 將對(duì)快重離子輻照后的YBCO超導(dǎo)薄膜的微觀形貌進(jìn)行分析.

3.2 快重離子輻照引起的微觀結(jié)構(gòu)變化

為進(jìn)一步研究快重離子與YBCO超導(dǎo)薄膜的相互作用機(jī)制, 我們采用 SRIM (stopping and range of ions in matter)程序?qū)?1.9 GeV 的 Ta 離子在YBCO高溫超導(dǎo)材料不同穿透深度下的能量損失進(jìn)行模擬計(jì)算[33], 結(jié)果如圖4所示.

圖4 Ta離子在YBCO超導(dǎo)材料中的電子能損與核能損值Fig.4.The nuclear and electronic energy loss in YBCO superconductor under Ta ions irradiation.

從圖4中可以看到, Ta離子在YBCO超導(dǎo)材料中的能量損失方式有兩種, 一種是與靶原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞使靶原子電離和激發(fā)而損失能量, 也被稱為電子能損 (electronic energy loss), 一種是直接與靶原子核發(fā)生彈性碰撞, 稱為核能損 (nuclear energy loss).能量為 1.9 GeV 的Ta離子在YBCO高溫超導(dǎo)薄膜中的電子能損值(Se= 39.4 keV/nm)與核能損值(Sn= 0.04 keV/nm)相差約3個(gè)數(shù)量級(jí), 故在本實(shí)驗(yàn)中Ta離子主要以電子能損的方式將能量傳遞給YBCO薄膜.1.9 GeV的Ta離子在YBCO超導(dǎo)體中的射程約為 53 μm, 遠(yuǎn)大于薄膜厚度, 入射離子將停留在藍(lán)寶石襯底中, 故可忽略超導(dǎo)層中的離子注入效應(yīng).快重離子在YBCO超導(dǎo)材料中產(chǎn)生連續(xù)潛徑跡的閾值為 35 keV/nm[34], 由計(jì)算結(jié)果可知, 1.9 GeV的Ta離子在YBCO薄膜中的電子能損值大于閾值, 故可在材料中產(chǎn)生連續(xù)的潛徑跡.采用聚焦離子束系統(tǒng)對(duì)輻照注量為 1.0 × 1011ions/cm2的樣品進(jìn)行切割加工, 制備剖面樣品, 并在場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡下進(jìn)行觀察, 結(jié)果見圖5(a)和(b).低倍TEM圖譜如圖5(a)所示, 箭頭標(biāo)注的方向?yàn)門a 離子的入射方向.由圖可知, 1.9 GeV 的 Ta 離子在超導(dǎo)層中產(chǎn)生了分布大致均勻的一維連續(xù)潛徑跡.在如圖5(b)所示高分辨模式下, 潛徑跡周圍晶格形貌保存完好, 但其內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)被完全破壞, 呈現(xiàn)非晶態(tài), 說(shuō)明快重離子輻照導(dǎo)致局部原子位移.潛徑跡直徑分布在5—15 nm之間.

圖5 注 量 為 1.0 × 1011 ions/cm2、 能 量 為 1.9 GeV 的Ta離子輻照YBCO超導(dǎo)薄膜TEM圖 (a) 低倍TEM圖像; (b) 潛徑跡的高分辨率TEM圖像Fig.5.TEM images of 1.9 GeV Ta ions-irradiated YBCO high temperature superconductor film with the fluence of 1.0 × 1011 ions/cm2: (a) Low-resolution TEM image; (b)high-resolution TEM image of latent track.

若潛徑跡的平均尺寸為10 nm, 超導(dǎo)性能急劇退化所對(duì)應(yīng)的注量為 5.0 × 1011ions/cm2, 計(jì)算可知, 在該注量下潛徑跡占比約為 39.3 %, 說(shuō)明YBCO超導(dǎo)薄膜的結(jié)晶部分仍大量保留, 故不能用非晶化潛徑跡的相互交疊來(lái)解釋該輻照注量下超導(dǎo)性能的退化.快重離子輻照除了在材料中產(chǎn)生非晶化潛徑跡之外, 由于潛徑跡與其附近的完整晶格之間存在密度差, 在界面處還會(huì)形成應(yīng)力區(qū)[35].應(yīng)力區(qū)的原子形變和潛徑跡都是室溫下穩(wěn)定存在的缺陷.已有研究結(jié)果表明, 潛徑跡周圍的應(yīng)力區(qū)面積約為潛徑跡的3倍左右[36,37], 若以此為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算, 則當(dāng)輻照注量為 5.0 × 1011ions/cm2時(shí)應(yīng)力區(qū)已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的重疊, 故認(rèn)為該注量下超導(dǎo)性能的急劇惡化與重離子輻照產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)有更直接的關(guān)系.為此, 采用激光共聚焦拉曼光譜儀對(duì)樣品中的晶格結(jié)構(gòu)變化和應(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步分析.

拉曼光譜是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù), 可對(duì)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等進(jìn)行分析.采用拉曼光譜對(duì)輻照前后的YBCO超導(dǎo)薄膜進(jìn)行表征, 測(cè)試結(jié)果如圖6所示.正交結(jié)構(gòu)的YBCO高溫超導(dǎo)材料中主要有4 種拉曼激活模式, 分別為 Ba-Ag、Cu(2)-Ag、O(2,3)-B1g、O(4)-Ag.O(4)-Ag拉曼峰與材料中的氧含量有著密切的聯(lián)系[38], 經(jīng)驗(yàn)公式為: δ=13.58?0.027ν, 其中 n 為 O(4)-Ag峰對(duì)應(yīng)的頻率.未輻照樣品的 O(4)-Ag振動(dòng)頻率為 500 cm–1, 則 d =0.08, 故推測(cè)原樣的化學(xué)式為YBa2Cu3O6.92.

由圖6(a)可知, 隨著離子輻照注量的增加,YBCO的拉曼峰無(wú)明顯變化, 當(dāng)注量達(dá)到5.0 ×1011ions/cm2時(shí), 位于 600 cm–1附近出現(xiàn)了一個(gè)新峰, 且峰強(qiáng)隨著注量的增加明顯變大, 該峰與Ba-Cu-O非超導(dǎo)相有關(guān)[39].Ba-Cu-O峰的出現(xiàn)說(shuō)明快重離子輻照導(dǎo)致YBCO薄膜中發(fā)生了由正交超導(dǎo)相向非超導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變, 這一結(jié)果與其他低能離子的輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合[40?42].雖然Ba-Cu-O非超導(dǎo)相的成因尚不明確, 但大都認(rèn)為其與銅氧鏈缺陷有關(guān), 然而輻照過(guò)程中該相形成的具體細(xì)節(jié)還有待深入研究.

圖6(b)中給出了YBCO中與氧相關(guān)的兩個(gè)振動(dòng)模式O(2, 3)-B1g、O(4)-Ag峰的峰位隨輻照注量的變化趨勢(shì).由圖可知, 隨著輻照注量的增加,O(4)-Ag的峰形展寬, 但其振動(dòng)峰位置不變, 說(shuō)明快重離子輻照沒有改變YBCO高溫超導(dǎo)薄膜中氧的含量.當(dāng)注量達(dá)到 5.0 × 1011ions/cm2時(shí), O(2,3)-B1g峰的峰形同樣出現(xiàn)展寬, 且峰位向低波數(shù)方向漂移.當(dāng)注量為 1.6 × 1012ions/cm2時(shí), 其峰位已由 338.1 cm–1移至 335.4 cm–1, 說(shuō)明快重離子輻照在YBCO高溫超導(dǎo)薄膜中引入了較為明顯的應(yīng)力.

圖6 (a) 能量為 1.9 GeV 的 Ta 離子輻照前后 YBCO 高溫超導(dǎo)薄膜的顯微拉曼光譜; (b) O(2, 3)-B1g 和 O(4)-Ag 峰的峰位隨著注量的變化情況Fig.6.(a) Micro-Raman spectra of YBCO high temperature superconductor films between pristine sample and samples irradiated with 1.9 GeV Ta ions; (b) variations in the position of O(2, 3)-B1g and O(4)-Ag peaks with different fluences.

快重離子輻照產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)YBCO超導(dǎo)材料的影響有兩種解釋: 1)潛徑跡周圍的應(yīng)力可導(dǎo)致YBCO超導(dǎo)材料的晶格沿著c軸方向拉伸.c軸晶格參數(shù)的變化可導(dǎo)致銅氧面間距增加、耦合變?nèi)?臨界轉(zhuǎn)變溫度也隨之降低[43,44].在Biswal等的研究結(jié)果中也指出了當(dāng)200 MeV的銀離子注量為6.0 × 1012ions/cm2時(shí)應(yīng)力明顯, 導(dǎo)致室溫輻照環(huán)境下c軸晶格參數(shù)增加了0.6 %; 2)在Yan等[45]的研究中, 快重離子輻照產(chǎn)生的潛徑跡周圍的應(yīng)力區(qū)沿著b軸方向發(fā)生弛豫會(huì)使局部銅氧鏈中的氧原子重新排列.此外, 當(dāng)快重離子的注量達(dá)到11次方量級(jí), 可發(fā)生更大面積的應(yīng)力弛豫從而形成Nanotwin結(jié)構(gòu), 使大量潛徑跡之間相互連接,形成磁通渦旋移動(dòng)的通道, 大大降低一維潛徑跡對(duì)渦旋的釘扎效率, 導(dǎo)致磁場(chǎng)下臨界電流密度急劇降低[46,47].

4 結(jié) 論

本文利用能量為1.9 GeV的Ta離子輻照方法成功地將貫穿整個(gè)超導(dǎo)層的一維非晶潛徑跡引入YBCO高溫超導(dǎo)薄膜中, 明顯改善了磁場(chǎng)下的載流特性.在輻照注量為 8.0 × 1010ions/cm2的樣品中可得到最優(yōu)結(jié)果, 其臨界電流密度、釘扎力均遠(yuǎn)高于未輻照樣品, 且轉(zhuǎn)變溫度幾乎未受影響(?Ton≈0.5 K).隨著注量進(jìn)一步增加至 5.0 × 1011ions/cm2時(shí), 快重離子在YBCO薄膜中產(chǎn)生了較為明顯的應(yīng)力, 且發(fā)生從超導(dǎo)相向非超導(dǎo)相的轉(zhuǎn)變, 導(dǎo)致釘扎能力大大削弱, 超導(dǎo)性能也大幅度降低.

利用Higuchi模型對(duì)歸一化釘扎力曲線進(jìn)行擬合.結(jié)果表明, 隨著離子輻照注量的增加, 低場(chǎng)下的釘扎類型由面缺陷釘扎逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲缘恼Ｏ嗳毕葆斣?然而快重離子輻照產(chǎn)生的連續(xù)非晶化潛徑跡為各向異性的一維缺陷, 故發(fā)生該轉(zhuǎn)變的原因仍有待進(jìn)一步研究.

快重離子輻照相對(duì)于化學(xué)摻雜而言, 適用性更高, 可控性更強(qiáng), 在高溫超導(dǎo)材料未來(lái)的薄膜、帶材及器件制備中具有非常顯著的優(yōu)勢(shì).但是國(guó)內(nèi)相關(guān)方面的研究還比較薄弱, 希望該研究結(jié)果可以為我國(guó)其他學(xué)者的深入研究提供一定的參考.

感謝中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心的王東偉老師提供的PPMS測(cè)試服務(wù)及中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的呂士龍老師提供的FIB服務(wù); 感謝北京航空航天大學(xué)微納測(cè)控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海大學(xué)超導(dǎo)及應(yīng)用技術(shù)研究中心和中國(guó)科學(xué)院電工研究所應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的老師們對(duì)數(shù)據(jù)分析提供的指導(dǎo)及中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所材料中心室組成員提供的輻照實(shí)驗(yàn)服務(wù).