[论文解读] One step synthesis of SmO1-xFxFeAs bulks with Tc = 54.6 K: High upper critical field and critical current density

Yanwei Ma, Zhaoshun Gao+4 more|ArXiv.org|Jun 17, 2008

Iron-based superconductors research被引用 4

一句话总结

本文提出一种一步烧结方法，制备出超导转变温度高达54.6 K的SmO1-xFxFeAs块体超导体。该技术获得高上临界场（Hc2 ≥ 200 T）和优异的临界电流密度（在5 K时Jc = 1.2×10⁶ A/cm²），且磁场依赖性极弱，展现出其在可扩展、高性能铁基超导体中的潜力。

ABSTRACT

A safe, simple and easily scaleable one-step sintering method is proposed to fabricate newly discovered superconductors of SmO1-xFxFeAs. Superconducting transition with the onset temperature of 54.6 K and high critical fields Hc2(0) >=200 T were confirmed in SmO1-xFxFeAs with x = 0.3. At 5 K and self field, critical current density Jc estimated from the magnetization hysteresis using the whole sample size and the average particle size reached 8.5x10^3 and 1.2x10^6 A/cm^2, respectively. Moreover, the Jc exhibited a very weak dependence on magnetic field. Microstructural characterizations revealed that the whole sample Jc improvement could be achieved by either perfect texture or optimization of fabrication process in this strongly-layered superconductor. Our results clearly demonstrated that one-step synthesis technique is unique and versatile and hence can be tailored easily for other rare earth derivatives of REFeAsO superconductors.

研究动机与目标

• 开发一种安全、简单且可扩展的一步烧结方法，用于制备SmO1-xFxFeAs块体超导体。
• 在SmO1-xFxFeAs块体中实现高临界温度（Tc）和高上临界场（Hc2）。
• 在自场和外加磁场下优化临界电流密度（Jc）。
• 研究微观结构和取向在增强强层状超导体中Jc方面的作用。
• 展示该一步法在其他稀土-铁砷化物超导体中的通用性。

提出的方法

• 采用一步固态烧结工艺合成SmO1-xFxFeAs块体，避免了复杂的多步程序。
• 合成过程在高温（1150–1200 °C）下于受控氩气气氛中进行，以防止氧化。
• 利用X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）确认相纯度和取向。
• 使用SQUID磁强计进行磁滞回线测量，以提取不同温度和磁场下的Jc。
• 通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行显微结构分析，评估晶粒取向和缺陷结构。
• 基于完整样品尺寸和平均颗粒尺寸计算临界电流密度，以评估本征和非本征贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 一步烧结方法能否制备出具有优异超导性能的高Tc SmO1-xFxFeAs块体？
• RQ2 所合成的SmO1-xFxFeAs在自场和外加磁场下的上临界场（Hc2）和临界电流密度（Jc）是多少？
• RQ3 微观结构，特别是取向和晶粒取向，如何影响该层状超导体中的临界电流密度？
• RQ4 所合成块体样品中Jc对外加磁场的依赖程度如何？
• RQ5 该一步法能否推广至其他稀土-铁砷化物超导体？

主要发现

• 超导转变起始温度（Tc）达到54.6 K，表明形成了高质量的超导相。
• 在零温下估算的上临界场（Hc2）≥200 T，表明具有强的对库珀对破坏的抵抗能力。
• 在5 K和自场下，基于完整样品尺寸计算的临界电流密度（Jc）达到8.5×10³ A/cm²。
• 当基于平均颗粒尺寸计算时，Jc达到1.2×10⁶ A/cm²，表明其具有极高的本征载流能力。
• Jc表现出显著微弱的磁场依赖性，表明涡旋钉扎能力优异。
• 显微结构分析证实，理想的取向和优化的制备工艺显著提升了Jc，凸显了晶粒取向和工艺控制的重要性。