组分简单环境友好的铜基高温超导材料:“铜系”

铜基高温超导材料是目前唯一能在常压环境实现液氮温区超导的物质,对其深入认识入选Science发布的125个重大科学问题之一,具有重要的科学价值和巨大的应用开发前景.为了合成铜基超导材料,通常需要引入重金属元素如稀土、Bi、Tl和Hg等昂贵、易挥发或有毒元素以稳定基本结构,这些体系相应称为"钇系"、"铋系"、"铊(汞)系"铜基超导材料.探索组分简单环境友好且在液氮温区超导性能优良的新体系,是超导新材料研发的前沿和重大挑战.本文基于铜基超导材料结构特点,通过介绍运用高压高温合成技术研制钙钛矿型功能材料的优势,重点讨论作者参与设计发现的Cu12(n–1)n(简称"铜系")铜基超导材料体系."铜系"只含铜和碱土氧化物,这是构成铜基超导材料最简单的成分,组分经济环境友好.如同人造金刚石一样,"铜系"块体材料虽然需高压高温合成,但在常压条件能够保持结构稳定,本文讨论的性能都是常压条件测量."铜系"具有独特的全钙钛矿型构型,呈现强的层间耦合,常压超导特性优良:(1)起始超导转变温度(T_c )可达120 K以上,高于"铋系"超导材料,仅次于常压T_c 最高的铜基Hg1223超导体;(2)在液氮温区临界电流密度特性优于"铋系"铜基超导材料,可媲美综合性能最好的"钇系"铜基超导材料,(3)成分只有碱土和铜氧化物,环境友好不含有毒元素,且在空气环境中可保持性能长期稳定.     

超导理论处于百家争鸣状态

6年前瑞士苏黎世IBM实验室的贝特诺兹和缪勒发现陶瓷材料在约30K时具有超导性。但当时无人能解释引起这种现象的原因。此后又发现大约有40种由Cu—O和钇、钡、镧一类元素混合后组成的超导陶瓷,且都具有不同的超导转变温度。现在,已知铊基铜氧化物的超导转变温度最高,在130K(—143℃)时就开始出现超导。为什么电子在Cu—O层不会受到阻力,至今仍是一个谜,因为传统的BCS理论所预言的最高临界温度已被远远突破。BCS理论已不能解释铜氧化物陶瓷材料的超导机制。     

超导研究中的新技术和新材料专题·编者按

自金属汞中发现超导材料的第一个基本属性——(直流)零电阻至今恰好110年,迄今在数据库Super Con中可以找到12000多个超导体.超导研究中的新技术和新材料不断为这个领域注入活力,使其历久弥新. 1908年,在液氢预冷和节流膨胀过程下, Kamerlingh Onnes成功将氦液化, 3年后在测量汞的低温电阻时发现超导.钇钡铜氧高温超导体发现当年, Dijkkamp和Venkatesan等人用准分子脉冲激光镀膜技术成功制备了该体系的超导薄膜.     

应对稀土资源进行立法保护严格控制超导稀土资源的出口

1986～1987年,超导研究在钇钡铜氧系和镧铜氧系等材料上取得了重大突破,超导器件在液氮温度区工作的目标已经实现。这一重大研究成果一旦实现实用化和商品化,必然导致一场新的工业革命。这一趋势已引起世界各国,尤其是先进工业国的极大关注。因此,作为超导材料的关键原料的稀土资源立即成了许多国家垂涎的目标。种种迹象表明,日本为争夺全球经济和技术的霸主地位,已把争夺超导技术产业市场作为一个重要的战略目标,并已制订出一个从资源到市场的超导产业的长远战略计划,他们瞄准的第一个目标就是中国。日本共同社1月5日的电讯报道,日本“为了在获得稀土资源的竞争中不落后,通产省将与中国协商共同开发超导材料问题”。日     

二代高温超导材料的应用技术与发展综述

以钇钡铜氧化合物为代表的第二代高温超导材料具有高临界磁场、高临界温度、高电流密度等本征物理优势.第二代高温超导材料的超导电性自被发现以来,便受到了世界范围内的广泛关注.近年来,随着超导带材制备工艺的逐步成熟和应用技术的不断探索,二代高温超导材料在各行业中的应用正由实验室走向实际应用.结合国内外二代高温超导技术的主要发展趋势,重点介绍了上海交通大学在二代高温超导材料制备以及超导应用领域取得的主要进展.     

高于90K的钇钡铜氧系化合物的超导电性

1973年以来,对高温超导电性的研究几乎停顿不前.Bednorz和Mulle在La—Ba—Cu—O系中高于30K超导电性的发现迅速改变了这种局面。以后的发展近乎日新月异。赵忠贤等首先报道了在Y—Ba—Cu—O体系中发现高于液氮温度(77K)的超导电性并公布了材料组分。接着C.W.Chu等在Y—Ba—Cu—O多相氧化物超导体中得到了高于90K的的超导电性。最近,更多的研究组在单相YBa_2Cu_3O_(9~-y)氧化物超导体中发现了高于90K超导电性。我们在研制单相YBa_2Cu_2O_(9~-y)超导材料过程中发现,制备条件对超导性质的影响很大。我们选用分析纯钇钡铜的氧化物或碳酸盐。阳离子配比为Y∶B∶Cu=1∶2∶3。在玛瑙研钵里充分研磨以后,在管式炉内900—1100℃通氧烧结12—24小时。冷却速率对超导性质的影响是显著的。缓慢(超过6小时)冷却到室温可得到零电阻温度高于90K的超导电性,如图1所示。快速冷却的零电阻温度低于77K,如图2所     

长盛不衰的超导研究

 新年刚刚开始,中国超导界就迎来了喜讯。中国科学院物理研究所研究员、中国科学院院士赵忠贤以其在钇钡铜氧的发现和铁基超导体等方面的突出贡献获得了国家科技成就奖。赵忠贤院士获奖是对他几十年来在高温超导体研究中孜孜以求、不断求索的认可,是实至名归。     

激光作用Y—M—Cu—O（M=Ba,Sr,Ca,Mg）金属复氧…

在自制的仪器上，以脉冲激光束在高真空中直接溅射钇钡铜氧高温超导材料，可以产生３个系列的氧化物簇离子，将该复氧化物中的钡以其他碱土金属元素锶、钙、镁等替换，由此产生的簇离子的种类与组分也随之不同。本文通过分析这些氧化物簇离子的组成，离子相对信号强度及其与样品组分的关联，探讨了这些金属复氧化物中各组分元素间的相互作用及其对超导性能的影响。     

超导理论新解

自从10年前发现高温超导材料以来,科学家们一直弄不明白的是,这些材料是如何畅通无阻的让电流通过的?近来,科研人员在试验过程中发现了重要线索,使对超导的解释超脱了常规。这些科研人员是IBM托马斯·J·华生研究中心的科特利和苏伊等人,他们近日在《自然》杂志上撰文介绍了铊钡铜氧化物超导性能的试验情况。     

德研制出临界电流强度高的超导体

德国科学家在英国《自然》杂志上报告说，他们研制出了临界电流强度高的钇钡铜氧化物超导体，可望大大降低用超导线路传输电力的成本。     

赵忠贤:做科研从未想过拿奖

正2017年1月9日,低温物理学家赵忠贤院士获得了2016年度国家最高科学技术奖。在百余年超导研究史中,赵忠贤在高温超导研究的两次重大突破中均做出了重要贡献:独立发现液氮温区铜氧化物高温超导体和发现系列转变温度50K以上铁基高温超导体并创造55K纪录。     

用双潘宁型离子源进行钇离子注入的实验研究

钇在不锈钢材料及高温超导材料中均起着重要重要,本实验记要研究实现钇离子注入ＺｒＯ２衬底上铜膜中的方法,使用双潘宁型多电荷重离子源,以氧化钇作为溅射材料进行离子注入,研究工作着重于氧化钇插入件的制备及钇离子的出束,注入等,样品经ＸＰＳ,ＥＰＭ及ＡＥＭ测试证实钇的注入深度达１μｍ,钇的最高组分（ｗ）为７３％。     

YBa_2Cu_3O_(7-δ)超导相在水中的分解破坏

钇钡铜氧化物(Y Ba_2 Cu_3 O_(7-δ))是迄今为止临界温度较高、能稳定存在,并可重复制备的陶瓷超导体,目前对它的研究,已经重点转移到超导机理和实用化上来了。材料在各种环境条件下的稳定性,是一个与其应用息息相关的问题,本文是我们对钇钡铜氧化物陶瓷在水溶液中破坏过程研究的一些结果。1.实验将常规方法烧成的钇钡铜氧化物陶瓷(零电阻温度为91K)研成细粉,取2g浸泡在50ml蒸馏水中,观察其作用情况并测量溶液PH的变化。半小时后过滤分离残余固体并水洗至中性,110℃烘干做化学分析和粉末X射线衍射(XRD)物相分析,滤液和洗涤液合并做定性和定氧化学分析。除水外,还做了1:1氨水、1:1氢氧化钠、1:1盐酸、1:1硝酸和5%乙酸溶液的浸泡试     

Gd-Ba-Cu-O,Y-Ba-Cu-O和Bi-Sr-Ca-Cu-O等高温超导材料的研制

自从瑞士的Bednorz和Mller于1986年发现La—Ba—Cu—O陶瓷的超导电性以来,在世界范围内,许多学者先继对高温超导材料进行了研制,这种研制工作目前集中在三个系列上:含稀土氧化物系列、铋锶钙铜氧化物系列和其它氧化物系列.我们已对含稀土氧化物系列和铋锶钙铜氧化物进行了研制.     

电声机制能形成高的超导转变温度Tc

电声子机制能否形成高温超导电性,是超导理论和材料研究的极为重要的课题。本文以Ginzburg原理、Eniashberg方程讨论了在不同的关联态下,电声子形成高的超导转变温度的特征,并以超导材料的本征结构特征讨论了高T_c铜氧化物超导体的结构对高T_c产生的特征。得出:传统电声子理论中对超导材料T_c的值的无特定的限制性,用超导材料的双体结构的物理模型讨论,得出了超导电性机理的电声子机制能形成高的超导转变温度。进一步对高T_c铜氧化物超导体中的电声子的特性给出了一个明确的结论。     

钇钡铜氧化物超导陶瓷的扫描俄歇电子能谱分析

钇钡铜氧化物陶瓷把超导材料的转变温度提高到90K以上,这是一个重大的突破.然而,有试验表明测量电流的大小对这种材料的转变温度有极其明显的影响,测量电流从2mA变到50mA转变温度降低了近20K.因此,如何提高它的电流密度,把它做成具有实用价值的元件,这将是下一个突破.这个突破很自然地要建立在对材料的微观组成充分了解的基础之     

镍氧化物超导体的发现与研究进展

镍氧化物超导材料的发现,激发起研究人员新一轮对近似铜氧化物新型超导材料的探寻以及对高温超导机理中有关晶体结构-电子结构密切关系的研究兴趣.本文重点从具有无限层结构的掺杂镍氧化物(Nd_0.8Sr_0.2NiO₂)超导体的发现、目前的实验研究进展、对其电子结构及物理机制的研究等方面概述这类新型超导材料的基本特性,并在结尾对镍基超导体系的构建、一些亟待解决的物理和材料问题以及今后研究的方向等作开放性讨论.     

稀土与超导

超导——是当今世界科技界最热门的一个话题。近期高临界温度超导材料的重大突破,预示着一场新的世界工业革命的到来。而对稀土,人们却较为陌生。要知道,新涌现的在液氮温区成为超导体的,主要就是用稀土氧化物制得的材料。所谓稀土,就是钪、钇及十五个镧系金属的总称。它们与超导结下不解之缘,还是最近一年的事。 稀土超导材料的崛起     

钇钡铜氧高T_c超导体的实验研究

对(Y+Ba):Cu为1～2的Y-Ba-Cu-O系列超导材料进行了广泛的实验研究.发现在这一实验范围内Y为15%～40%的任一配比经过通氧烧结后都是欠氧、超导的.观察了不同名义成分的超导体结构,发现它们都含有YBa_2Cu_3O_7的简单正交结构超导相(A相),而差异则体现在另一相(B相)的组分中,即后者似乎起了“吸杂中心”的作用.当Y的含量过多时,在B相上还会发现由Y_2O_3小粒子组成的C相.这些结果可用以解释一系列的实验现象.     

超导氧化铜理论

超导现象是1911年首先由Keike Kamer—lingh Onnes在4.2K时在汞中发现的，接着，超导在许多金属单质和化合物中被发现。1957年，Bardeen等人第一次提出超导理论，到了1986年，George Bednorz和Karl Alex对于超导理论的发展做出了巨大的贡献，将一类临界温度为35K的固体物质引入材料科学和物理科学的世界。一种新的超导材料La2CuO4,