漫谈新超导体的探索、方向、途径及方法

资源类型:pdf 资源大小:307.00KB 文档分类:数理科学和化学 上传者:周露平

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【作者】 车广灿  董爱锋  赵忠贤 

【关键词】合金 氧化物超导体 新超导材料探索 

【出版日期】2005-06-28

【摘要】本文通过对已发现的合金和氧化物超导材料的归纳总结,对新超导体的探索方向、途径及方法给出一个简单评论.

【刊名】低温物理学报

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1引  言超导材料是超导物理的研究基础 ,新超导材料探索的重要性 ,不言而喻 .一种新超导体的发现并无一定规律 ,但不可否认 ,这种发现是人们长期探索和智慧的结晶 .本文通过对已发现超导材料的归纳总结 ,漫谈新超导体探索方向、途径及方法 ,供参考 ,更盼指正 .2探索方向2 .1 更高Tc 的超导体1 986年铜氧化物超导体发现之前 ,人们获得了Tc=9.2K金属Nb超导体和在Nb3 Ge薄膜中实现了Tc=2 3K的超导电性 .2 0 0 1年获得了Tc=39K的MgB2 超导体 ,使得合金超导体的Tc 有了一个重大突破 .氧化物超导体的Tc 由 35K经近大约 1 0年的努力 ,1 993年在Hg 系超导体中把Tc 提高到了 1 35K ,1 994年在高压下实现了Hg 系超导体 1 6 4K的超导电性 .更高Tc 超导体的探索 ,一直是人们追求的目标 ,它对超导材料的广泛应用和超导机制的研究都具有重要意义 .( 1 )合金超导体在铜氧化物超导体研究的热潮中 ,合金超导体的研究工作一度减少 .但是人们从未忘记更高Tc 合金超导体的探索 ,是新超导材料探索和研究的一个重要方面 .表 1归纳了 1 990年后新发现的合金超导体 .表 1  1990年后发现的合金超导体年份 超导体及其Tc1994 RNi2 B2 C ,Tc=15K2 0 0 1MgB2 ,Tc=39K ;MoRuP ,Tc=15 .5K ;ZrRu1 -xRhxP ,Tc=12K ;MgCNi3,Tc=7K2 0 0 2 Ca(Al0 .5Si0 .5) 2 ,Tc=7.7K ;Nb1 -xB2 ,Tc=9.2K ;PuCoGa5,Tc=18K2 0 0 3YFe4P1 2 ,Tc=7K (H .P) ;Re3B ,Tc=5K2 0 0 4 La3Pd5Si,Tc=1.4K ;Li2 Pt3B ,Tc=8K ;MxTa2 S2 C (M =Fe ,Co ,Ni,Cu) ,Tc=4K ;Y2 C3,Tc=18K ;Diamond (H .P) ,Tc=4K  RNi2 B2 C ,MgB2 ,PuCoGa5,MgCNi3,Diamond超导体在刊物Nature上发表根据BCS理论和目前已发现的较高Tc 的合金超导体可知 ,更高Tc 合金超导体的探索集中在含有轻元素的、德拜温度高的、组元数小于或等于 3的简单体系之中 .( 2 )氧化物超导体表 2列出Tc>90K的已发现的氧化物超导体系 .当然 ,Tc>90K的超导体除了表 2列出的以外 ,还有Bi ,Tl ,Hg 系掺杂的超导体 ,这里没有列出 .从表 2可见 ,目前已发现的Tc>90K的氧化物超导体都是在组元大于或等于 4的多元复杂体系中找到的 .高温铜氧化物超导体的Tc 与CuO2 平面层和载流子库层的耦合 ,CuO2 平面上的载流子浓度相关 ,与掺杂元素、掺杂量及其与基体结构的匹配相关 .因此更高Tc 氧化物超导体的探索集中在多元的复杂的氧化物体系之中 .表 2 Tc>90K的氧化物超导体系年份 超导体及其Tc1987R 12 3,92K ,P .R .L .5 8(1987) ,90 8;科学通报 ,32 (1987) ,4 12 .1988Bi Sr Ca Cu O ,10 8K ,J .Phys:BCondens .Matter,6 8(1987) ,4 2 1;Jpn .J .Appl.Phys.,2 7(1988) ,L2 0 9;Tl Ba Ca Cu O ,12 5K ,Nature ,332 (1988) ,5 5 ;138.1992 (Ca1 -xSrx) 0 .9CuO2 ,110K ,Nature ,35 6 (1992 ) ,775 .1993Hg Ba Ca Cu O ,135K ,Nature ,36 2 (1993) ,2 2 6 ;Nature ,36 3(1993) ,5 6 .1994Hg Ba Ca Cu O ,16 4K ,P .R .B ,5 0 (1994 ) ,4 2 6 0 ;Ba Ca Cu C O ,12 0K ,PhysicaC ,2 2 4 (1994 ) ,6 9;2 2 3(1994 ) ,2 38;2 2 7(1994 ) ,95 .1998Ba Ca Cu O ,PhysicaC ,2 4 4(1998) ,316 ;Philo .Mag .,75 (1999) ,15 .2 0 0 0 Pr0 .5Ca0 .5Ba2 Cu3O7-δ,115K ,PhysicaC ,34(2 0 0 0 ) ,5 83.2 .2 新型变价元素氧化物超导体、特别含过渡族磁性元素的超导体含有变价元素是氧化物超导体的基本组元特征 .已发现了很多含变价元素的氧化物超导体 ,如表 3.每一种新型变价元素超导体的发现都受到高度重视 .近几年含过渡族磁性元素的超导体是超导材料研究和探索的热点 .近几年研究较多的含过渡族磁性元素的超导体如表 4所示 .表 3 已发现的含变价元素的氧化物超导体●NbO Tc=0 .5K (1993,W .Meissner)●SrTiO3 Tc=0 .2 8K (196 4)●Li1 +xTi2 -xO4 Tc=12 .2KD .C .Johnstonetal.,Mat.Res .Bull,8(1973) ,777●Ba(Pb1 -xBix)O3 x =0 .3,Tc=13KA .W .Sleigutetal.,SolidStateCommun .,17(1975 ) ,2 7●Li0 .9Mo6O1 7 Tc=1.9KM .Greeblattetal.,SolidStateCommun .,5 1(1984 ) ,6 71;5 4(1984 ) ,2 82●Ba1 -xKxBiO3 x =0 .3~ 0 .4 ,Tc=30KR .J .Cavaetal.,Nature ,332 (1988) ,814D .G .Hinksetal .,Nature ,333(1988) ,836L .F .Schneemeyeretal.,Nature,335 (1988) ,4 2 1●LixNbO2 x =0 .4 5 ,Tc=5 .5KJ .Margretetal.,Nature ,345 (1990 ) ,32 4● (Sr1 -xLnx)Nb2 O6-y (Ln =La ,Nd ,Pr,Ce)Tc=11.5KJpn .JofAppl.Phys .,30 (1991) ,L115 5●A2 Nb1 +xOy(A =Ca ,Sr)Jan .JofAppl.Phys.,33(1994 ) ,L5 83●Sr2 RuO4 Tc=1~ 3KY .Maenoetal.,Nature ,372 (1994 ) ,5 32●NaxWO3-x Tc=3K ,AlisonAirdandK .H .Salje ,J .Phys:Condens.Matter,10 (1998) ;Tc=91K ,A .Shengelayaetal.,Eur.Phys .JB 12 (1999) ,13~ 15V .N .Bogomolovetal.,Cond mat/ 0 30 4 5 6 1●Li0 .48(THF) yHfNCly =0 .3~ 0 .4 ,Tc=2 5 .5KS .Yamanakaetal.,Nature ,392 (1998) ,5 80●Cd2 Re2 O7 Tc=1KM .Hanawaetal .,Phys .Rev .Lett.,87(2 0 0 1) ,1870 0 1R .Jinetal.,P .R .B ,6 4(2 0 0 1) ,180 5 0 3● β -Na0 .33V2 O5 Tc=8K (P =8GPa)T .Yamanchetal.,Phys .Rev .Lett.,89(2 0 0 2 ) ,5 70 0 2P .R .B 6 9(2 0 0 4 ) ,14 0 5 0 6●NaxCoO2 ·1.3H2 OTc=4 .5KK .Takadaetal.,Nature ,4 2 2 (2 0 0 3) ,5 3●AOS2 O6(A =K ,Rb ,Cs)Tc=3~ 9.5KS .Yonezawaetal.,J .Phys:Condens.Matter .,16 (2 0 0 4 ) ,L9●Cuprates La2 -xBaxCuO4→Hg 12 2 3,Tc=35K→ 135K(16 4K)J .G .BednorandK .A .Muller,J .Phys.,B6 4(1976 ) ,189S .N .Putilinetal.,Nature ,36 2 (1993) ,2 2 6A .Schilingetal.,Nature ,36 3(1993) ,5 6表 4 近几年研究较多含过渡族元素的氧化物和合金超导体●RNi2 B2 C R .J .Cava ,Nature ,376 (1994 ) ,2 5 2●Sr2 RuO4 Y .Maeno ,Nature ,372 (1994 ) ,5 32●RuSr2 GdCu2 O8 RuSr2 Re1 .5Ce0 .5Cu2 O1 0 (R =Sm ,Eu ,Gd) L .Bauernfeind ,PhysicaC ,2 5 4(1995 ) ,15 1●MgCNi3 T .He ,Nature ,4 11(2 0 0 1) ,5 4●NaxCoO2 ·1.3H2 O K .Takada ,Nature ,4 2 2 (2 0 0 3) ,5 3● (Fe1 -xCux) (Ba ,Sr) 2 YCu2 O7-δ J .Shimoyama ,PhysicaC ,341(2 0 0 0 ) ,5 6 3Z .A .Ren ,Phys .Rev .,B6 9(2 0 0 4 ) ,14 5 0 7新型超导体的发现 ,有利于加深和扩展对超导机制和超导物理的认识和理解 .因此 ,不管新发现的超导体的Tc 是高还是低 ,只要它是新型的、在某些方面具有某种特色 ,这种超导体的发现都是具有重要意义的 .2 .3 有机、大分子聚合物、纳米团簇…超导电性众所周知 ,在掺碱金属的C60 中已获得Tc 高达 4 0K的超导电性 .有机超导体的探索已获得惊人的进展 .生物磁性是磁学研究的一个重要分支 .可以推想 ,有机大分子聚合物 ,双螺旋结构的有机材料 ,DNA中的超导电性等将是人们探寻的目标 .世界上一些有名的科学家已经建议并在开展这方面的研究工作 .无疑这方面的研究工作是具有挑战性的 .一旦突破 ,将开辟超导研究的新天地 .一种新物种的发现 ,将掀起对这种物种各种物性研究的热潮 ,非晶态的研究 ,引起了人们对非晶超导电性的兴趣 .目前在对纳米材料、纳米团簇物性和应用研究的热潮中 ,自然也想到对这些材料种超导电性的探索 .这种探索可能成功 ,也可能失败 ,不管怎样它将推动新超导材料探索与生物、有机化学、物理学和材料科学的较叉 .从长远讲 ,对超导科学的发展是有益的 .3途径及方法每一种科学研究都需要有正确的途径、科学的实验方法、正确的思维和所需的必要的仪器设备以及在这一领域内高科学素质的人才 .没有这些知识的、技术的、物质的基础 ,实现目标将变成空谈 .这里所谈的新超导材料的探索途径和方法仅是一孔之见 ,可能以偏盖全 .3.1 通过掺杂使莫特绝缘体转变成超导体P型La2 -xSrxCuO4和n型Nd2 -xCexCuO4超导相图告诉我们 ,通过掺杂使莫特绝缘体变成超导体是新超导体探索成功的有效途径之一 .这方面的例子很多 ,诸如 :阳离子掺杂 :Sr掺杂的La2 -xSrxCuO4,Ca掺杂的Pr0 .5 Ca0 .5 Ba2 Cu3 O7-δ…阴离子掺杂 :氧掺杂的La2 CuO4+δ,YBa2 Cu3 O6+δ,高压增氧的Cu1-xFexBa2 YCu2 O7+δ(x≥0 .5)…阴阳共掺

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