快重离子辐照对 \begin{document}$ {\rm YBa_2Cu_3O_{7–\delta}} $\end{document} 薄膜微观结构及载流特性的影响

钇钡铜氧(YBCO)高温超导材料在能源、交通等方面具有广泛的应用前景, 然而强磁场下出现的低临界电流密度问题严重限制了其应用. 利用快重离子辐照技术可在YBCO中形成潜径迹对磁通涡旋进行钉扎, 从而有效改善其在磁场下的超导性能. 本文利用能量为1.9 GeV的Ta离子对YBCO高温超导薄膜进行辐照, 系统地研究了不同离子注量下YBCO薄膜的微观结构及磁场下电流传输特性的变化情况. 研究表明, Ta离子辐照在薄膜中沿入射路径方向产生贯穿整个超导层的一维非晶潜径迹, 其直径在5 nm到15 nm之间. 结合Higuchi模型分析了快重离子辐照对薄膜中磁通钉扎机制的影响. 研究发现: 在原始样品中本征面缺陷钉扎是主要的钉扎机制; 随着辐照注量的增加, 薄膜中的钉扎类型逐渐转变为由快重离子辐照引入的正常相缺陷钉扎. 临界电流密度与磁场的关系可用函数 \begin{document}${J_c} \propto {B^{ - \alpha }}$\end{document} 进行拟合. 指数α随着注量的增加而降低, 当注量为5.0 × 1011 ions/cm2时已由最初的0.784降低至0.375, 说明临界电流密度对磁场的依赖关系大大减弱. 当辐照注量为8.0 × 1010 ions/cm2时, 潜径迹对磁通涡旋的钉扎效果最佳. 在该注量下, 高场(B > 0.3 T)下临界电流密度达到最大值且钉扎力提升了近两倍, 临界转变温度无明显变化(ΔTon ≈ 0.5 K). 实验结果表明, 快重离子辐照产生的潜径迹可以在不影响临界转变温度的前提下有效改善磁场下超导载流能力.