超导材料的发展

超导材料的发展

摘要：超导材料的发现为人类诸多梦想的实现提供了可能，新型超导材料一直是人类追求的目标。该文主要从超导材料的探索与发现、制备技术、研究面临的挑战等几个方面来探讨超导材料的发展与研究现状。

关键词：超导材料高温超导

引言：超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。正如半导体带来了资讯时代、光纤带来了传讯时代，高温超导材料将从根本上改变人类的用电方式，给电力、能源、交通以及其它与电磁有关的科技业带来革命性的发展。

1.超导材料的探索与发展

探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投人的研究工作。自191 1年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4．2K 附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体，如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge，其中Nb3Ge超导体的临界转变温度(T c)值达到23．2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。

1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La—BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。l987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBaCuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BiSrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到BiSrCaCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。

1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T1系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破，朱经武等人用加压的方法在这类超导体的Hg1223相中观察到T c>150K的超导电性。甚至还有人报道了具有更高临界温度的超导体，显示这类氧化物超导体的临界温度尚处在不断提高之中。

铜酸盐高温超导体的发现促进了一系列新型奇异超导体的发现。具有双能带超导性的二硼化镁(MgB2)，其T c=40 K。掺杂C60化合物超导体的发现是超导领域的又一重大成果，人们发现C60与碱金属作用能形成A x C60(A代表钾、铷、铯等)，大多数A x C60超导体的转变温度比金属合金超导体高。金属氧化物超导体是无机超导体，具有层状结构，属二维超导；而A x C60则为有机超导体，具有球状结构，属三维超导。因此A x C60印这类超导体是很有发展前途的超导材料。

另外还有一些非常奇特的超导体，如重费密子超导体CeMIn5(M=Co，Rh，Ir)、CePt3Si和PuCoGa5，其中PuCoGa5的T c=18 K。具有超导性质的硼掺杂金刚石是电子学领域一个令人感兴趣的研究课题。人们还发现在高压的情况下许多元素具有较高的T c超导性。一些元素在百万巴的压力下T c超过10 K，例如Li和S的T c=17K，Ca的T c=15 K，B的T c=11 K。最近发现的CaC6超导体的T c=11.5 K，超过石墨电极化合物临界温度的2倍。此外，纳米结构超导体的制备与表征方面也取得了相当大的进步，包括纳米粒子、量子点、纳米管、超薄膜和纳米超晶格材料等超导体。

总之，超导材料的发展经历了一个从简单到复杂，即由一元系到二元系、三元系以至多元系的过程。铜酸盐高温超导体的发现在科技领域有着巨大的影响。CeColn5单晶系列促进了对高温、重费密子超导性的大量研究。由于单晶样品的合成还面临着相当多的挑战，用高品质的多晶样品来表征超导性能也是非常有价值的，因此高品质多晶样品是人们探索新发现超导体性能的首选目标。

2.超导材料主要制备技术

有序、高质量晶体的超导转变温度较高，晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。通常，人们最感兴趣的新型超导体是很难制备的，这要归咎于材料化学或结构的复杂性以及其它材料问题。实验研究和理论进展一直受到材料问题的阻碍。

2.1单晶生长技术

新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。过去10年来这些技术在不断发展，溶剂、输运剂、可控温度的范围在不断扩大。各类超导体的最新样品可通过这些方法制备。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度，可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是，它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品，但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的主要技术。这种技术使La2-x Sr

CuO4晶体生长得到改善，允许对从未掺杂到高度掺杂各种情况下的细微结构和x

磁性性能进行细致研究。在TlBa2Ca2Cu3O9+d和Bi2Sr2CaCu2O8中，有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合物在晶体生长尺寸上取得的进展，使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高的化合物，利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。

2.2高质量薄膜技术

目前，薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE)、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE尤其能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。目前正在研制平衡方法可使多层膜原子层工程具有新功能。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜，已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势，如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征；具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。在过去的20年里，多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体(例如MgB2和RNi2B2C)的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀(脉冲激光沉积)。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原子用来实现超高真空条件下的充分氧化。这使得生长的单晶薄膜的性能已接近乃至超过块状晶体。如LSCO单晶薄膜的T c=51.5 K，比块状晶体(T c<40 K)要高，外延应力是产生这种强化现象的部分原因。

3.新型超导材料

3.1铜氧化合物高温超导

现在已发现的高温超导体有很多，其中有5种典型复杂铜氧化物高温超导体