| 单词 | 高Tc超导材料 |
| 释义 | 【高Tc超导材料】 拼译：high Tc superconductive materials 主要指以液氮(77K)为致冷剂的超导材料，用以区别于以液氦(4．2K)为致冷剂的常规超导材料。超导电性是材料在一定温度和磁场条件下无阻载流的性质，由于常规超导体的致冷剂液氦价格昂贵，使得常规超导材料不能广泛应用，长期以来，人们梦寐以求工作于液氮温区的超导体，氧化物高温超导体的发现实现了人们的这一梦想。液氮温区高温超导体中的钇钡铜氧化物超导体(YBa2Cu3O7－δ)、铋锶钙铜氧化物超导体(Bi2Sr2Ca1Cu2Oy和Bi2Sr2和铊钡钙铜氧化物超导体(Tl2Ba2Ca1Cu2Oy和Tl2Ba2Ca2Cu3Oy)已相继问世。高Tc氧化物超导体的超导电性与其晶体结构有密切的关系。一般地说，高Tc氧化物超导体的晶体结构属于有缺陷的钙钛矿型结构，保持了层状钙钛矿结构的基本特点，它们的共同特点是都有一层或几层CuO2平面。 YBa2Cu3O7－δ氧化物超导体是一种典型的缺氧化合物，它的氧含量随制备条件而改变，它的晶体结构具有正交对称性，在它的结构中包含CuO2层和一维Cu-O链。有人认为，这些结构特点与超导电性密切相关，当氧含量减少到一定程度，它将转变为四方对称性。Bi系氧化物超导体也含有CuO2平面，但它们的CuO2层被碱土金属(Sr和Ca)离子和Bi2O2层分开，同时，这一类超导氧化物的结构中还存在无公度调制结构，非理想配比的氧含量，阳离子无序分布以及堆垛层错等本征缺陷。T1系超导体的晶体结构与Bi系类似，但不存在无公度调制结构。临界温度Tc高是氧化物超导体的最突出的特点。YBa2Cu3O7－δ超导体(简称123相)的Tc为90K，Bi-Sr-Ca-Cu-O系超导体包含两个相，Bi2Sr2Ca1Cu2O8(简称2212相)是低温相，其Tc约为86K，Bi2Sr2Ca2Cu3O10(简称2223相)为高温相，其Tc约为110K。Tl-Ba-Ca-Cu-O系超导体也有两个相，Tl－2212相的Tc为108K，Tl－2223相的Tc为125K。当超导体由于其温度降低而由正常态变为超导态时，表现出两个基本特征：一是表现出零电阻，二是显示抗磁性，基于这两条超导态特性，可以在实验中测量超导转变温度Tc。常用的实验方法有：测量样品的电阻率随温度的变化；测量其交流磁化率随温度的变化；测量其直流磁化强度随温度的变化。实验发现，高Tc超导体都是第2类超导体，即存在两个临界磁场：下临界场Hc1和上临界场Hc2，当样品所在磁场H≤Hc1时，样品处于完全抗磁态，即Meissner态，这时磁通线不能进入样品；当Hc1≤H≤Hc2时，样品处于混合态，亦称涡旋态，这时样品的一部分已经变成正常态，有一定数量的磁通线进入样品内；当H≥Hc2时，样品转变为正常态。1911年荷兰M．K．Onnes发现汞(Hg)的电阻在4．2K左右突然消失，他称这种性质为超导电性。自那时起一直到1986年，科学家陆续发现几千种金属、合金和化合物也具有超导电性，但这些材料的超导转变温度最高的也只有23．2K，使用时只能以液氦作为致冷剂，液氦价格昂贵，这大大妨碍了常规超导体的广泛应用。探索具有更高转变温度的超导体是全世界科学家多年来努力追求的目标。由于缺乏有效理论指导，发现高Tc超导材料的工作是异常艰难的。在20世纪50年代，科学家们发现某些A－15结构的金属间化合物具有较高的超导转变温度。1967年，雷米卡(J．P．Remika)和马梯阿斯(B．T．Matthias)等人发现了第1个转变温度为6．4K的金属氧化物超导体RbxWO8；1973年，美国约翰斯通(D．C．Johnston)等发现金属氧化物超导体Li1+xTi2－xO4，其超导转变温度为13．7K；1975年斯莱特(A．W．Sleight)等人又在金属氧化物BaPb1－xBixO3中发现了转变温度为13K的超导电性。这后两种金属氧化物的超导转变温度远高于当时的理论估计值，显示出了一些不寻常的特点。1985年，缪勒(Karl Alexander Müller)与柏诺兹(J．G．Bednorz)合作，制备出转变温度为35K的超导电性。从而引发了世界范围内研究高Tc超导材料的热朝，美藉华人朱经武(Chu Ching-Wu)长期以来致力于材料的超导电性、磁性和介电性的研究，并且对Ba-Pb-Bi-O和LiTi-O等金属氧化物超导体进行过研究，所以他和他的研究小组在听到柏诺兹、缪勒的惊人研究结果后，立即开展了进一步的研究工作。1987年1月，朱经武等人宣布，他们观测到La-Ba-Cu氧化物转变温度为52．5K的超导电性，在1987年1月29日制备出转变温度为90K的氧化物超导体，这是超导物理学史上的又一里程碑。中国赵忠贤对于高Tc超导体的研究有特殊的敏感。1986年9月，当他看到柏诺兹和缪勒的重要论文后，立即找到熟悉变价系统的陈立泉和其他科技人员，开始了研究工作。到1986年12月底，他们已经在Ba-La-Cu-O样品中多次观测到转变温度70K的超导迹象。1987年2月，赵忠贤和他的合作者制备出零电阻温度为78．5K、抗磁转变温度为93K的Y-Ba-Cu-O超导体，并于1987年2月25日向全世界公布了这种超导体的组成元素，大大地推动了国内外高Tc超导体研究工作的开展。1987年，法国的米切尔又发现超导转变温度在7～22K之间的Bi-Sr-Cu-O超导体，随后，日本的迈达将Ca掺入，制备出Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体，至少有两个相共存于其中，一个相的组成为Bi2Sr2Ca1Cu2Oy，其Tc为85K；另一个相的组成为Bi2Sr2Ca2Cu3Oy，Tc为110K。1988年2月，美国Arkansas州立大学的盛正直和Herman发现T1系氧化物超导体，从而将超导转度温度提高到125K，创造了最高记录。自1987年赵忠贤和朱经武等人分别在中国和美国独立地发现Y-Ba-Cu-O高温超导体以来，各国科学工作者对于高温超导体的制备工艺、晶体结构、超导态性质、正常态性质及高温超导电性机理等各个方面，做了大量研究工作，取得了很多重要结果。实验表明，高温超导氧化物的超导性质比较正常，基本上可以用各向异性的第2类超导体描述，与此相反，人们发现它在Tc以上的正常态有很多异常行为。高温超导氧化物正常态的很多输运性质、光学性质和磁学性质与普通金属行为很不相同，难以用传统的费米液体图象描述。1985～1990年，人们针对高温超导电性的机理，也进行了大量的理论和实验研究，现在有一点已经肯定，即当高温超导体处于超导态时，其电荷载流子也是配对的，其电荷为2e。而对于导致载流子配对的相互作用，除BCS理论中的电声子相互作用机制外，还提出了电荷涨落机制、自旋涨落机制、自旋极化子模型以及共振价键态理论。目前材料的合成和表征日趋完善，多种实验技术综合运用使所得结果的可靠性不断提高，为理论研究提供了可信赖的依据。采用强关联电子系统多体理论模型不断作修正和深入计算，还有对局域电子能谱作细致计算，这些都为高温超导电性机理研究的进一步深入，打下了坚实的基础。人们对铜氧化物超导体的宏观电磁性质的研究表明，这类超导体属于上临界场很高的第二类超导体，实验上发现高温超导体的磁化曲线与常规超导体相比，定性上是完全一致的，其下临界场约为10mT，上临界场约为100T，实验上也观测到涡旋线的Abrikosov点阵。临界电流密度是超导体的一个重要参量，与常规超导体相比，高Tc超导体的临界电流密度问题更为复杂。相干长度小和高度的各向异性导致新的钉轧机制——本征弱连接的出现。弱连接使临界电流密度很小，而且对磁场十分敏感。晶界是弱连接的重要起源。烧结的多晶YBa2C3O7－δ样品的临界电流密度很低，主要是由于晶粒间的弱连接性质。但是，如果晶粒呈长板状或针状，而且晶粒的长度方向与电流平行，就可以使弱连接的危害大大减缓甚至消除。为了实现高Tc超导材料的实际应用，有许多技术问题需要解决。一是采用适当的工艺，将陶瓷类超导氧化物原料加工成一定长度的线材或带材；二是在加工过程中解决晶粒间的弱连接并引入有效的磁通钉扎中心，使超导材料在运行温度(77K)和强磁场下能够承受足够大(2×104A／cm2)的传输临界电流密度。高Tc超导材料中实际应用最早的是薄膜，可以通过多种工艺过程如电子束蒸镀、分子束外延、溅射、脉冲激光淀积以及化学气相沉积等方法制备超导薄膜，然后在氧气氛中进行热处理。高质量的薄膜基本上是单晶，c轴垂直于衬底面，Jc可达106～107A／cm2。高Tc超导薄膜有许多重要应用，如制作超导薄膜微波无源器件、红外探测器和超导量子干涉器件(SQUID)等。微电子学中制作集成电路的丝板印刷工艺、等离子喷涂等方法被用来制备高Tc超导厚膜，超导厚膜可用作集成电路、电流开关、电流引线和屏蔽等。关于高温超导块材的制备工艺，人们作了大量研究工作。1988年，AT和T Bell实验室的S．Jin研究小组提出熔融织构工艺(MTG)制备YBCO块材，这是一种从熔化或部分熔化状态进行定向凝固的过程。这种工艺能显著改善晶粒间的耦合程度，克服弱连接，并能引入211相粒子作为磁通钉扎中心，大幅度地提高块材的传输临界电流密度，在77K、0T和1T下，Jc可分别达到2×104A／cm2和4×103A／cm2。为了使123相的前驱组织211相弥散分布在液相中，日本的Marakami等发展了一种熔融淬火生长工艺(QMG)，用这种工艺制备的Y系样品，用传输法测得的Jc(77K，0T)≈4×104A／cm2，Jc(77K，1T)≈1×104A／cm2。中国科学院上海冶金研究所采用改进的熔融织构工艺制备出高质量Y系块材，其传输临界电流密度Jc(77K，5T)≥9．7×104A／cm2，Jc(77K，20T)≈1．2×104A／cm2。1988年，中国科学院金属研究所采用激光浮区熔化法，最先拉制出具有织构的Bi－2212超导细棒，Jc(77K，0T)≥1800A／cm2，是当时国际上的最高记录。银包套法是目前普遍采用的也是非常有前途的Bi系带材制备工艺，各国都在加紧研制。日本K．Sato取得的结果是，77K、0T和1T下，Jc分别为5．4×104A／cm2和1．2×104A／cm2，日本的古河电气公司研制的Bi系带材在4．2K，30T下，Jc达到2×104A／cm2，中国西北有色院采用SBIT(Sintered Bulk In Tube)工艺，制得的带材Jc(77K，0T)≈3．5×104A／cm2，Jc(77K，1T)≈1．45×104A／cm2。高Tc氧化物超导材料目前尚有两大问题摆在人们面前，一是寻求理论上的突破，目前尚无一种理论能全面完满地解释这种材料的高温超导现象；另一是体材料制备工艺上的突破，使这种陶瓷材料能够作为象金属和合金那样实用的超导电材料。这将是材料科学工作者既感到困难重重又感到机遇和挑战的可施展才华的研究领域。【参考文献】：1 Bednorz J G，Muller Z．phys．1986，B64∶189．2 赵忠贤，陈立泉，杨乾声，等．科学通报，1987，32∶8173 Chu C W，Hor P H，Meng R L，et al．Phys．Rev．Lett．1987，58：405，9084 Muller K A，Tagashige M，Bednorz J G．Phys．Rev．Lett．1987，58∶4085 Maeda H，Tanaka Y，Fukutom M，et al．Jpn．J．Appl．Phys．1988，27∶ 2086 Sheny Z Z，Hermann A M．Nature，1988，332∶557 Jin S，Tiefel，T H Sherwood R C，et al．Appl．Phys，Lett．1988，52∶20748 邢定钰，刘楣．物理学进展．1990，10∶4729 罗乐，魏旺水，宫世明，等．科学通报，1990，21∶1635～163710 Ueyama M，Hikata T，Kato T，et al，Jpn．J．Appl．Phys．1991，30：L1384(中国科学院金属研究所王永忠副研究员撰；乔桂文审) |
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