光辐照对MgB2超导体电子结构的影响-新品速递

精品文档-下载后可编辑光辐照对MgB2超导体电子结构的影响-新品速递本文对MgB2超导体进行不同时间的激光照射，并利用正电子湮没技术对光照样品进行了研究，根据正电子寿命谱参数的变化情况，利用光致电荷转移模型对光辐照后的MgB2超导体样品的电子结构及超导电性进行了研究讨论。

引言

自从发现MgB2具有异常高的超导转变温度［1］之后，立即引起了超导界及固体物理界的极大关注，大量的实验和理论研究使MgB2的超导机制已变得清楚，B的同位素效应［2］显示了在MgB2中电声相互作用的重要性;Kortusetal.进行的能带计算［3］也表明高TC的结果于强烈的电声相互作用及与之相关联的轻元素B的高声子频率等等，所有的这些都向我们表明MgB2是符合BCS理论的类超导体。

光照射和光响应是研究光与材料相互作用进而分析和改变材料性质的重要手段.传统的（半导体）材料通过光照就可以改变其载流子浓度,而不需要改变材料的化学组分和晶体结构.与化学掺杂方法相比,人们形象地将光照射(将光子引入物体)而改变材料性质的方法称之为“光掺杂”［4］.而将光掺杂引入到超导领域更加展示了他独到的魅力：首先不改变样品的氧含量，光掺杂可以改变超导转变性质，不同氧含量的YBCO在光照前后超导临界温度发生变化35，随着光照时间的增加样品的电阻率持续降低39等，在对铜氧化物高温超导体光致效应的研究过程中，主要发展了几种理论模型：光致电荷转移模型27、光助氧有序模型30、光致氧扩散模型27、渗透模型34、缺陷束缚模型等，通过系统的研究光掺杂超导体材料，对高温超导机理的探索有重要的作用。

正电子湮没寿命谱是固体中电子结构和缺陷特性的探针，具有对原子尺度的缺陷和各种相变灵敏度和度高的特点，尤其是一种无损探测方法［5］。对于同一种材料来说，正电子在自由态、位错、单空穴、双空穴、晶界、空洞、表面态位置产生湮没时，寿命值依次增加。这样把正电子湮没技术应用的光掺杂的超导体中去，同过正电子寿命值的分析，可以使我们对光掺杂机理和样品超导电性作进一步的分析。

本文利用光掺杂的方法和正电子湮没技术对MgB2超导体进行研究，得到了光照后的正电子寿命数据，根据结果讨论了光掺杂对MgB2电子结构及超导电性的影响。

试验

XRD采用德国布鲁克公司D8ADVANCE型X射线粉末衍射仪(Nifilter,CuK)，（测试）角度范围为10-80°，速度为0.02度/秒。

激光器采用InstructionmanualforNd:YagLasersystem(LS-2137),激光波长λ为532nm，单磁脉冲能量为120mJ，pumpLampenergy为22.5±0.5J，照射频率为10hz/s,距离为

寿命谱测量利用美国ORTEC-100U快快符合正电子寿命谱仪,谱仪分辨率为228ps,放射源为强度10Lci的Mylar膜密封的22Na,标准样品采用纯单晶硅,样品与放射源的相对位置采用“三明治”结构。解谱采用国际通用positronfit-extenden计算机程序,用二寿命方法拟合。短寿命成分τ1,反映的是正电子在布洛赫态(自由态)[6]中湮没的寿命,I1是强度,表明该寿命成分所占的比例;长寿命成分τ2,反映的是正电子在缺陷捕获态中湮没的寿命,τ2的大小可以给出缺陷的种类；I2则表明材料中缺陷的浓度大小。

结果与讨论

对MgB2的粉末样品进行XRD分析（图一），表明该样品为单相高纯MgB2样品，所含杂质小于2%。首先对原始样品进行正电子湮没实验，然后用激光照射样品并重复正电子湮没实验，对激光照射前后的实验数据进行比较，对结果讨论分析，光照前后正电子寿命分析数据列在表一中。

表一光照前后MgB2超导体中正电子随光照时间变化的寿命数据：τ1是短寿命成分,反映的是正电子在布洛赫态(自由态)中湮没的寿命；I1是强度,表明该寿命成分所占的比例；τ2是长寿命成分,反映的是正电子在缺陷捕获态中湮没的寿命；I2则表明材料中缺陷的浓度大小；

随光照时间的变化

（min）

τ1

(ps)

I1

τ2

(ps)

I2

（ps）

ne

(*1029/m3)

277

86.94

1149

13.06

391

3.43

280

81.31

884

18.69

393

3.41

268

78.48

835

21.52

390

3.44

268

79.65

846

20.35

386

3.47

263

81.69

897

18.31

379

3.54

由本征湮没寿命t1和缺陷捕获寿命τ2可以求出正电子的平均寿命：

结果也在表（一）中给出。从统计上说，平均寿命是一个比每一个单独成分更可靠的参数。由正电子平均寿命可以求得材料的平均电子密度：

其中，r0=2.8179380*10

实验室制备的MgB2密度远小于它的理论密度，我们已经研究了正电子在不同密度下的湮没情况，得出正电子在MgB2中湮没的寿命值高于以往的氧化物超导体[]，我们把它归因于其特殊的电子结构和电子偶素（Ps）[7]的产生。当光照时，由于光激发的作用，使体系中的电子浓度急剧增加，正电子与照射后的电子之间的相互作用这个时候存在一个相互竞争的过程：形成浅度俘获或自由散射相互作用。这有助于我们理解在十分钟时出现一个低谷的原因：在一个无序的环境下，形成Ps的区域是被局域化的，随着光照时间的增加，被激发的形成Ps的自由体积随着温度的增加而有所增加，这时形成Ps的电子数目增加，短寿命明显增长（布洛赫态电子浓度减少），长寿命值也略有增加；随着光照的进行，浅度捕获的电子被激发，使得形成Ps的电子数目减少，而样品的正电子平均寿命减少，电子浓度增加；在光照30分钟或更长的时间后我们发现样品的温度急剧升高，且形状有一定的变化，我们猜测样品可能发生晶格畸变，这会作为我们以后的研究。同时我们猜测样品中正电子的平均平均寿命终呈减少趋势，这个跟样品中的缺陷存在的可能形态有关：样品中的缺陷尺度或缺陷浓度减小，可能由微空洞、多空穴向三空穴、双空穴转变，使电子结构趋于有序化。

结论：

通过对光照后的MgB2的正电子寿命谱的研究，我们发现随着光掺杂的增加样品的电子浓度终呈增加趋势的，是否像氧化物超导体一样随着电子浓度的增加样品的超导电性会有所改善，我们知道MgB2具有特殊的晶体结构：由B原子，Mg原子分别构成两个六角形结构，Mg原子位于B原子形成的六角形结构的中心，并向B原子提供电子，当电子从σ（sp2轨道）能带转移到π（p2轨道）能带，从而在σ能带中留下空穴，这些空穴和平面内B原子晶格振动强烈耦合，终得到MgB2中39K的高TC；同时它也具有与以往的高温氧化物相同的特征（比如具有各向异性的层状结构）。根据光掺杂MgB2正电子谱的数据分析，讨论了光掺杂机理，对改善超导体的超导电性和超导机制的深一步探究有一定的指导意义。

[1]NagamatsuJ.NakagawaN.ZenitaniYJ.etc.Nature,410(2022),63

[2]S.L.Bud_koetal.,Phys.Rev.Lett.86(2022)1877.

[3]G.Rubio-Bollingeretal.,cond-mat/0102242,2022.

[4]郝建华.光与新型氧化物材料的相互作用及其应用[Ｊ].物理,2022,30(7):420～424.

[5]郁伟中，正电子物理及其应用（北京：科学出版社，2022），1-112

[6]何元金.高临界温度超导体的正电子淹没谱研究[A].甘子钊,韩汝珊,张瑞明.氧化物超导材料物性专题文集[C].北京:北京