高温超导材料

高温超导材料

摘要：简要介绍了高温超导材料及其发展历史，对超导材料的发展现状和用途进行说明，对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。

关键词：超导材料研究进展高温应用

一、高温超导材料的发展背景及其发展历史

高温超导体通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候（1911年），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和量子隧道效应）所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度（23 K)下才显示超导，因此它们的应用受到了极大的限制。

高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料，通常可以在廉价的液氮（77K）制冷环境中使用，主要分为两种：钇钡铜氧（YBCO）和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜，应用在电子、通信等领域；铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态，他也因此获得了1913年诺贝尔奖。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

自卡麦林·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A

15型超导体和三元系超导体，如Nb

3

Sn、V

3

Ga、Nb

3

Ge，其

中Nb

3

Ge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年柏诺兹和缪勒发现了35K 超导的鑭钡铜氧体系。这一突破性发现导致了更高温度的一系列稀土

钡铜氧化物超导体的发现。通过元素替换，1987年初美国吴茂昆（朱经武）等和我国物理所赵忠贤等宣布了90K钇钡铜氧超导体的发现，第一次实现了液氮温度（77 K）这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。

这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此通常被称为高温超导体。液氮温度以上钇钡铜氧超导体的发现，使得普通的物理实验室具备了进行超导实验的条件，因此全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1987年底，我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧高温超导体。1988 年初日本研制成临界温度达110K的铋锶钙铜氧超导体。1988年2月盛正直等又进一步发现了125K 铊钡钙铜氧超导体。几年以后（1993年）法国科学家发现了 135K 的汞钡钙铜氧超导体

高温超导体的发展现状

目前，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO)和二硼化镁(MgB

)。氧化物高温超导材料是以铜氧化物

2

为组分的具有钙钛矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体。且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料。特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。

高温超导材料已进入实用化的研究开发阶段，氧化物复合超导材料的耐用(robustness) 和稳定性已引起材料科学家的广泛重视。由于高温超导薄膜材料较早进入电子学器件的应用领域，很多学者做了薄膜材料与环境相关的稳定性和寿命研究工作。浸泡实验是一种常用的方法：在不同试剂 (水、酒精和丙酮等)、不同气氛(干氮、湿氮和流动氧等)中做周期循环和热时效疲劳试验。研究表明，超导电性的退化主要来自于杂相 (第二相) 及时效过程中的析出相。美国西北大学的Mirkin建议把在其它材料中应用已十分广泛的分子单层表面化学改性(又称“自装配，Self assembly”) 引入到高温超导铜氧化合物中来。例如用有机物对YBCO表面进行分子单层表面改性，以此改善薄膜对环境的敏感性。

高温超导带材以铋锶钙铜氧(BSCCO/2223)系为第一代带材，它以优良的可加工性而得到了广泛的开发，并在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。相反，YBCO材料在77 K 的超导电性远优于BSCCO材料；然而它的可加工性却极差，传统的压力加工和热处理工艺难以做出超导性好的带材。

近年来随着材料科学工艺技术的发展，一种在轧制 (rolling) 金属基带上

制造YBCO超导带材的工艺

受到极大重视，并被冠以

“下一代”高温超导带材或

“第二代”带材。有两种基

本技术方案：(1) 以美国橡

树岭国家实验室 (ORNL)

为代表的一个方案，称作

轧制双取向金属基带法

(RABiTS)。会上Specht报告

了基带的退火织构稳定性

分析，并在1m长的取向金属

基带上用激光沉积YBCO外

延膜。

欧洲以德国、丹麦等为

代表，努力开展高温超导材

料工艺及应用研究。丹麦的

NKT已批量制造铋系超导带

材。长10m、2000 A的超导

电力电缆正在研制中，下一步开发三相、50～100 m输电电缆。西门子公司计划到2003年制成20 MVA的超导变压器。用于电子学方面探伤的RF-SQUID及卫星通讯用高温超导滤波器也在试制之中。

二、高温超导材料的制备工艺

为适应各种应用的要求，高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。

1、薄膜

高温超导体薄膜是构成高温超导电子器件的基础，制备出优质的高温超导薄膜是走向器件应用的关键。高温超导薄膜的制备几乎都是在单晶衬底(如

SrTiO

3、LaAlO

3

或MgO)上进行薄膜的气相沉积或外延生长的。经过十年的研究，

高温超导薄膜的制备技术已趋于成熟，达到了实用化水平(Jc>106

Ac·m2 ,T=77K)。目前，最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射(MS)和脉冲激光沉积 (PLD)。这两种方法各有其独到之处，磁控溅射法是适合于大面积沉积的最优生长法之一。脉冲激光沉积法能简便地使薄膜的化学组成与靶的化学组成达到一致，并且能控制薄膜的厚度。