Effect of Pr doping on the superconductivity of Bi2Sr2CaCu2Oy (Bi2212)

Abstract

The purpose of this work is to study the effect of Pr doping on the superconductivity of Bi2Sr2CaCu2Oy (BSCCO) prepared by standard solid state reaction method. The mixed powders were calcined at 800 C for 24 hours and sintered at 845 ℃ for 120 hours. The crystal structure, microstructure, and composition of the products, and the oxidation state of praseodymium and copper were determined, as well as their superconducting properties such as resistivity(p) and DC molar magnetization(M). The results showed that all samples consisted mainly of the Bi2Sr2Caj.xPr.Cu2Oy (Bi2212) phase with a minor impurity Bi2201 phase. The occurrence of grains with a platelet-like structure was a signature of the Bi2201 phase formation from the Bi2212 matrix, mostly due to the prolonged sintering process. The ESR results together with ESR simulation suggested that some Pr ions might enter the Ca site as Pr4+. The average oxidation state of copper was 2.11-2.24 and the total oxygen content of sample (8+8) was found between 8.4-8.8, depending on the composition. The superconducting properties were observed from Tc which could be determined by using the four-point probe and SQUID techniques. The results from both methods revealed that Tc decreased with increasing doping concentration. The decrease was due to the fact that the Pr valence was greater than +3 and thus resulted in a decrease in hole concentration of the Cu-O2 layers.

ในงานวิจัยนี้ต้องการศึกษาผลของการเติมไอออนเพรสซิโอดิเมียม (Pr) ลงในสารตัวนำ ยิ่งยวดอุณหภูมิสูงในระบบบิสมัท สทรอนเซียม แคลเซียม คอปเปอร์ ออกไซด์ (BSCCO) ที่เตรียมด้วยวิธีการมาตรฐานปฏิกิริยาในสภาวะของแข็ง เผาแคลไซน์ที่อุณหภูมิ 800 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 24 ชั่วโมง และ เผาซินเตอร์ที่อุณหภูมิ 840 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 120 ชั่วโมง ได้ศึกษาโครงสร้างผลึก โครงสร้างจุลภาค องค์ประกอบของสารที่มีอยู่ในชิ้นงาน และ สมบัติของสารตัวนำยิ่งยวด เช่น ความต้านทานและคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ผลจากการศึกษาการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ พบว่าชิ้นงานที่เตรียมได้ทั้งที่ไม่มีตัวเติมและที่มีตัวเติม มีโครงสร้างส่วนใหญ่เป็นสารตัวนำยิ่งยวดในระบบที่ต้องการคือ Bi2212 และมีเล็กน้อยที่มีโครงสร้างเป็นสารในระบบ Bi 2201 ผิวหน้าของชิ้นงานมีขนาดเกรนใหญ่ และ การวิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุแต่ละชนิดในชิ้นงานพบว่าให้ค่าสอดคล้องกับสูตรของสารองค์ประกอบที่คำนวณก่อนการเตรียมชิ้นงาน จากผลการศึกษา ESR สเปกตรัม พบว่าไอออนเพรสซิโอดิเมียม ที่มีเลขออกซิเดชัน4+ อาจเข้าไปแทนในตำแหน่งของแคลเซียม เลขออกซิเดชันเฉลี่ยของคอปเปอร์อยู่ในช่วง 2.11-2,24 และ ปริมาณออกซิเจนในชิ้นงาน (8+6) อยู่ระหว่าง 8.4-8.8 ผลการศึกษาสมบัติของสารตัวนำยิ่งยวด พบว่าอุณหภูมิวิกฤตลดลง เมื่อปริมาณตัวเติมมากขึ้น การลดลงอาจมาจากไอออนของเพรสซิโอดิเมียมที่มีเลขออกซิเดชันมากกว่า 3+ เข้าไปมีผลให้ความเข้มข้นของช่องว่างในระนาบของคอปเปอร์ลดลง