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高溫超導體家族 来自维基百科,自由的百科全书
铋锶钙铜氧或铋锶钙铜氧化物(英語:Bismuth strontium calcium copper oxide,BSCCO)是一种铜氧超导体材料,化学式为Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x,其中最常见的为n=2,n=1和3也研究得较多。BSCCO于1988年发现[1],是发现的第一种无稀土元素的高温超导体。
BSCCO作为一种铜氧超导体,其具有二维层状结构(钙钛矿结构),其超导性质发生在Cu-O平面。BSCCO连同钇钡铜氧(YBCO)是研究最多的两种铜氧超导体。
BSCCO的命名常用Bi加上代表化学式中金属原子个数的序列表示。如Bi-2201代表Bi2Sr2CuO6+x(n=1);Bi-2212代表Bi2Sr2CaCu2O8+x(n=2);Bi-2223代表Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x(n=3)。
BSCCO与铊钡钙铜氧族(TBCCO,Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x)和汞钡钙铜氧族(HBCCO,HgBa2Can−1CunO2n+2+x)超温超导体相似。而且其超导临界温度Tc随n先增加后下降。如Bi-2201 Tc ≈ 33 K;Bi-2212 Tc ≈ 96 K;Bi-2223 Tc ≈ 108 K; Bi-2234 Tc ≈ 104 K。但最后一种很难合成。
BSCCO是一种实际运用的超导电线的高温超导体材料。和其他高温超导体一样,具有十分短的相干长度,其约为1.6 nm。这意味着导线中的晶粒必须极限地良好接触,也就是达到原子级光滑度。此外,由于超导性基本仅存在于Cu-O平面,因此晶粒必须具有晶体学排列。因此BSCCO是一种很好的候选材料,因为其晶粒排列可以通过熔融加工或机械变形来实现。BSCCO晶体中双层Bi-O平面之间通过范德华力这种弱键连接,因此其像石墨和云母一样,受到形变使得Bi-O平面之间发生滑移,晶粒间受到形变并倾向于形成有序排列。因此BSCCO作为第一代高温超导线材(1G HTS wire)已被诸如美国超导公司(AMSC)和日本住友集团(Sumitomo)等企业生产多年,即使美国超导公司现在已经不再生产BSCCO导线,取而代之的是第二代YBCO材料[來源請求]。
BSCCO超导带状材料通常采用粉末套管法制得。将BSCCO前驱体粉末装入一个银管中,通过挤压来减少直径,然后重新装入多个银管中挤压,经过多次重复直径不断减少,最后经过钆制确保形成晶粒有序排列,并可同时得到扁平的带状材料。然后,这些带在高温下发生反应,形成致密的、晶体排列整齐的Bi-2223多丝导电带材,并用于缠绕变压器、磁铁、电动机和发电机的电缆或线圈中[2][3]。
典型的超导带为4 mm宽,0.2 mm厚,在77 K下可承受200 A的电流,使得Bi-2233得到5000 A/mm2的临界电流密度。该值随着温度的降低而显著上升,因此许多应用是在30-35 K下实现的,尽管Tc高达108 K。
BSCCO由日本国家金属研究中心的前田弘(日语:まえだ ひろし Maeda Hiroshi)研究组于1988年发现[1],但无法确定确定其精确组成和结构。几乎同一时期,杜邦的Mas Subramanian研究组[4]和贝尔实验室的Cava研究组[5]等几个研究组确定了Bi-2212的组成和结构。而Bi-2223由于非常难以捉摸,直到一个月后由新西兰政府研究实验室的Tallon研究组得以确认[6]。此后BSCCO材料的开发没有得到较大的改进。早期一项关键的改进是用Pb取代约15%的Bi,使得Bi-2223的形成加快和质量提高。
BSCCO需要过量的氧原子(也就是化学式中的x)来形成空穴掺杂,才能得到超导性质。其超导临界转变温度Tc对掺杂浓度非常敏感。对于Bi-2212,每个Cu原子上过量约0.16个空穴时达到最高Tc[7][8],也就是最佳掺杂浓度。此外,掺杂程度过低的样品被称为欠掺杂,而掺杂程度过高的样品则是过掺杂,偏离最佳掺杂浓度都会使得Tc下降。因此可以通过改变氧含量来调控Tc
施加外部压力通常会使欠掺杂样品的Tc升高到远超过环境压力下的最大值,但这一现象尚不完全清楚,可能是压力增加了掺杂浓度这一副作用导致。Bi-2223结构很复杂,有三个不同的Cu-O平面,两个外部Cu-O层通常接近最佳掺杂浓度,而中间Cu-O层则明显掺杂不足。因此,对Bi-2223 施加压力会导致Tc先升高到约123 K的最大值,此时外层的两个Cu-O达到最佳掺杂浓度。随着压力增加,Tc先下降,然后再增加又达到140 K的新最大值,此时内层的Cu-O达到最佳掺杂浓度。因此,如何同时优化所有Cu-O层是一个具有挑战性的难题。
BSCCO是第二类超导体,Bi-2212多晶的在4.2 K下测得的上临界磁场Hc2为200 ± 25 T,高于YBCO多晶的168 ± 6 T[9]。在实际运用中,高温超导体受限于可逆磁场H*的限制。也就是超过该磁场强度,磁涡旋会融化或解耦。尽管BSCCO的上临界磁场比YBCO高,但其H*却低得多,通常小100倍[10]。因此限制了其在制造高场磁体中的应用。正是由于这个原因,尽管YBCO的制造难度要大得多,但人们仍然更倾向于使用YBCO。
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