高温超导材料 (supercon(1uctivematerialwithhighcriticaltemperature)

通常指临界转变温度T_c高于液氮温度(77K)的超导材料。又称高温氧化物超导材料。1911年，H．开默林-昂内斯(Kamerling Onnes)发现超导电性。但直到1973年，超导临界转变温度才由4.2K提高到23.2K(Nb₃Ge)。1986年，J．G．贝德诺尔茨(Bednorz)和K．A．米勒(Muler)发现镧钡铜氧超导体，其T_c为35K。之后，短短几年内，T_c即提高到125K(见图)。

结构与种类     高温氧化物超导材料不但T_c高，而且其晶体结构大多属于畸变的层状钙钛矿结构，其成分多是以铜(Cu)为主要元素的多元金属氧化物，具有陶瓷性质；氧化物中金属元素(如Cu)可能存在多种化合价，且化合物中的大多数金属元素在一定范围内可全部或部分被其他金属元素所代替而不明显改变其超导电性。此外，这类超导体的相干长度极短，上临界磁场很高，其超导性能具有很强的各向异性。

按成分与结构，已发现的众多高温氧化物超导体分为含铜超导体和非含铜超导体。前者有镧钡铜氧(LaBaCuO)体系、钇钡铜氧(YBaCuO)体系、铋锶钙铜氧(BiSrcaCuO)体系、铊钡钙铜氧(TlBaCaCuO)体系以及铅锶钇铜氧(PbSrYCuO)体系(钇可被镧系元素或锕系元素加锶或钙所替代)等。这些超导体的载流子为空穴。1988年，又发现了载流子为电子的钕铈铜氧(NdCeCuO)体系，其中钕(Nd)可以由其他镧系元素所替代。非含铜超导体有钡钾铋氧(BaKBiO)体系。

各向异性特征      高温超导体晶体具有明显的层状二维结构，各个物理量都显示强烈的各向异性特征。据电子结构的理论计算结果，高温超导体的能带结构、费米面、费米面处的价态电荷分布等都具有明显的二维或一维特性。因而超导体具有各向异性的导电特征。实验证明，高温陶瓷氧化物超导体是第Ⅱ类超导体，其相干长度、穿透深度、临界磁场均有强烈的各向异性，单晶样品亦显示很强的各向异性磁通钉扎现象。故临界电流密度在Cu-O面及垂直于Cu-O面的c轴方向显示出很大的差别。

应用前景     高温超导体的上临界磁场非常高，具有在液氦以上温区实现强电应用的巨大潜力。但首先需要解决的问题是提高临界电流。研究证实，造成“弱连接”现象的颗粒性并不是高温超导体的本征特性，它能够通过改进材料的制备工艺加以克服。对单晶材料的研究表明，高温超导体在液氮温区的磁通蠕动比较严重，使载流能力在很大程度上受到限制，所以在克服颗粒性的同时还必须引入有效的磁通钉扎中心。由于高温超导体的相干长度ξ非常小(约为0.3～1.5nm)，所以大的第二相粒子及晶界不能对磁通线起到强的钉扎作用，只有层错及位错等晶体缺陷被证实是有效的强钉扎中心。通过快中子、质子及其他带电离子的辐照，能够在样品中引入有效的磁通钉扎中心，从而使J_c提高一个数量级。

强电应用的稳定性要求把高温超导体制备成金属复合的多芯超导材料。目前最有希望的材料是Bi系Ag复合超导体，其J_c在30K以下的温度随磁场衰减程度很小，性能优于已实用化的常规超导体(如NbTi，Nb₃Sn等)。此外，这种材料还具有较好的弯曲性能。用Bi系／Ag复合线(带)制作在30K温区运行的高场磁体已取得一些成果。用熔融工艺制备的大块材料可在磁悬浮方面应用，如已用该材料制成了超导轴承的模型机。用优化的烧结工艺制备的屏蔽管已用于微弱电磁信号测量时的磁屏蔽，具有良好的稳定性。高温超导薄膜已发展成为实用的薄膜材料，用它制作的一些薄膜器件，如YBCO薄膜量子干涉器(SQUID)，在77K温度的性能已超过商品的SQUID。