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自1986年发现高温超导材料至今的二十几年,人们对铜氧化物的高温超导电性起源和机理进行了大量的研究,同时其应用前景也成为物理学的热门课题。在有源器件领域,约瑟夫森器件的研究是最活跃的方向之一,利用其原理制成的SQUID广泛地应用于诸如大地的磁测量,心磁、脑磁的测量,无损检测和数字电路中。我们通过测量Bi2Sr2CaCu2O8+d(简称Bi-2212)隧道谱来分析超导约瑟夫森效应,超导能隙和赝能隙的性质。Bi-2212具有极端的各向异性,用它做成的本征约瑟夫森隧道结(IJJs)是一种独特类型的隧道结。但是现有的大量实验几乎都是集中在对最优掺杂和过掺杂Bi-2212的研究上,对欠掺杂Bi-2212特别是隧道谱的研究还不多,因而我们期望通过对欠掺杂Bi-2212本征结隧道谱的研究,来更多的了解该超导材料的隧道谱特性。
利用Bi-2212单晶在c方向的层状性质,在高真空中进行低温(通常达到液氮温度)原位解理,同时高速蒸发金属膜,再光刻图形,反应离子刻蚀,氩离子刻蚀形成柱状mesa,剥离,磁控溅射,制作反电极等工艺,并用改进的方法测量RT-和IV-特性,分析隧道谱的性质,在这过程中,得到的主要结果如下:
(1)通过对工艺的探索和对本征结热效应的分析,成功制备了结个数可控的、结面积达到亚微米尺寸的本征结,有效避免了在低温下研究隧道谱热效应的显著影响。
(2)基于实验条件,编写了一套分别用于测量RT-和IV-特性的程序,并且通过对IV-曲线的数字微分得到了本征结的隧道谱。同时,在常温附近赝能隙打开的温度上,IV-曲线有较明显的回滞,采用脉冲测量方法解决了自热效应。
(3)欠掺杂Bi-2212的RT-曲线显示,在超导转变温度cT以上,样品的电阻随着温度的降低而升高,这与过掺杂和最优掺杂的RT-曲线在cT上是随着温度的降低而减小有明显的区别,这也成为我们通过RT-曲线来分辨欠掺杂和过掺杂单晶样品的直接手段。
(4)高温超导能隙和赝能隙的关系是近年来人们非常关心的问题之一。对欠掺杂样品的IV-曲线的分析,我们得到,随着掺杂浓度的降低,样品的超导能隙增大,其临界温度降低,而赝能隙的温度值则会增大。同时,隧道谱显示在低温下欠掺杂样品同样有明显的“peak-dip-hump”结构,这类似于其它隧道手段得到的结果。
本文的实验结果,与已有的结果特别是最优掺杂和过掺杂在超导能隙和赝能隙的趋势上是一致的,符合超导电子相图的一般规律,并且有可重复性,说明我们的实验方法和测量方法是可行的。同时我们也得到了一些与其它材料不同的实验结果,这对进一步探讨更小尺寸结的热效应和隧道谱特性提供了参考价值和重要的指导意义。