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鉍鍶鈣銅氧

高溫超導體家族

鉍鍶鈣銅氧或鉍鍶鈣銅氧化物（英語：Bismuth strontium calcium copper oxide，BSCCO）是一種銅氧超導體材料，化學式為Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x，其中最常見的為n=2，n=1和3也研究得較多。BSCCO於1988年發現[1]，是發現的第一種無稀土元素的高溫超導體。

邊長約為1 mm的BSCCO立方體樣品

BSCCO作為一種銅氧超導體，其具有二維層狀結構（鈣鈦礦結構），其超導性質發生在Cu-O平面。BSCCO連同釔鋇銅氧（YBCO）是研究最多的兩種銅氧超導體。

BSCCO的命名常用Bi加上代表化學式中金屬原子個數的序列表示。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與鉈鋇鈣銅氧族（TBCCO，Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x）和汞鋇鈣銅氧族（HBCCO，HgBa2Can−1CunO2n+2+x）超溫超導體相似。而且其超導臨界溫度Tc隨n先增加後下降。如Bi-2201 Tc ≈ 33 K；Bi-2212 Tc ≈ 96 K；Bi-2223 Tc ≈ 108 K； Bi-2234 Tc ≈ 104 K。但最後一種很難合成。

超導線和超導帶

 
在實際運用中, BSCCO常通過粉末套管法（powder-in-tube）與金屬銀軋製成帶狀使用

BSCCO是一種實際運用的超導電線的高溫超導體材料。和其他高溫超導體一樣，具有十分短的相干長度，其約為1.6 nm。這意味着導線中的晶粒之間需要極其嚴苛地良好接觸，即達到原子級光滑度。此外，由於超導性基本僅存在於Cu-O平面，因此晶粒必須具有晶體學排列。因此BSCCO是一種很好的候選材料，因為其晶粒排列可以通過熔融加工或機械變形來實現。BSCCO晶體中雙層Bi-O平面之間通過范德華力這種弱鍵連接，因此其像石墨和雲母一樣，受到形變使得Bi-O平面之間發生滑移，晶粒間受到形變並傾向於形成有序排列。因此BSCCO作為第一代高溫超導線材（1G HTS wire）已被諸如美國超導公司（AMSC）和日本住友集團（Sumitomo）等企業生產多年，即使美國超導公司現在已經不再生產BSCCO導線，取而代之的是第二代YBCO材料[來源請求]。

BSCCO超導帶狀材料通常採用粉末套管法製得。將BSCCO前驅體粉末裝入一個銀管中，通過擠壓來減少直徑，然後重新裝入多個銀管中擠壓，經過多次重複直徑不斷減少，最後經過釓制確保形成晶粒有序排列，並可同時得到扁平的帶狀材料。然後，這些帶在高溫下發生反應，形成緻密的、晶體排列整齊的Bi-2223多絲導電帶材，並用於纏繞變壓器、磁鐵、電動機和發電機的電纜或線圈中[2][3]。

典型的超導帶為4 mm寬，0.2 mm厚，在77 K下可承受200 A的電流，使得Bi-2233得到5000 A/mm2的臨界電流密度。該值隨着溫度的降低而顯著上升，因此許多應用是在30-35 K下實現的，儘管Tc高達108 K。

發現過程

BSCCO由日本國家金屬研究中心的前田弘（日語：まえだ ひろし Maeda Hiroshi）研究組於1988年發現[1]，但無法確定確定其精確組成和結構。幾乎同一時期，杜邦的Mas Subramanian（英語：Mas Subramanian）研究組[4]和貝爾實驗室的Cava研究組[5]等幾個研究組確定了Bi-2212的組成和結構。而Bi-2223由於非常難以捉摸，直到一個月後由新西蘭政府研究實驗室的Tallon研究組得以確認[6]。此後BSCCO材料的開發沒有得到較大的改進。早期一項關鍵的改進是用Pb取代約15%的Bi，使得Bi-2223的形成加快和質量提高。

 
Bi-2212的晶胞結構圖，從(1/2,0,0)出發出現兩個重複單元。其他BSCCO也具有相似的結構：Bi-2201的上半部和下半部少了一個CuO2層，且沒有Ca層。Bi-2223則在上下兩個半部多了一個CuO2層和Ca層。

性質

BSCCO需要過量的氧原子（也就是化學式中的x）來形成空穴摻雜，才能得到超導性質。其超導臨界轉變溫度Tc對摻雜濃度非常敏感。對於Bi-2212，每個Cu原子上過量約0.16個空穴時達到最高Tc[7][8]，也就是最佳摻雜濃度。此外，摻雜程度過低的樣品被稱為欠摻雜，而摻雜程度過高的樣品則是過摻雜，偏離最佳摻雜濃度都會使得Tc下降。因此可以通過改變氧含量來調控Tc

施加外部壓力通常會使欠摻雜樣品的Tc升高到遠超過環境壓力下的最大值，但這一現象尚不完全清楚，可能是壓力增加了摻雜濃度這一副作用導致。Bi-2223結構很複雜，有三個不同的Cu-O平面，兩個外部Cu-O層通常接近最佳摻雜濃度，而中間Cu-O層則明顯摻雜不足。因此，對Bi-2223 施加壓力會導致Tc先升高到約123 K的最大值，此時外層的兩個Cu-O達到最佳摻雜濃度。隨着壓力增加，Tc先下降，然後再增加又達到140 K的新最大值，此時內層的Cu-O達到最佳摻雜濃度。因此，如何同時優化所有Cu-O層是一個具有挑戰性的難題。

BSCCO是第二類超導體，Bi-2212多晶的在4.2 K下測得的上臨界磁場Hc2為200 ± 25 T，高於YBCO多晶的168 ± 6 T[9]。在實際運用中，高溫超導體受限於可逆磁場H*的限制。也就是超過該磁場強度，磁渦旋會融化或解耦。儘管BSCCO的上臨界磁場比YBCO高，但其H*卻低得多，通常小100倍[10]。因此限制了其在製造高場磁體中的應用。正是由於這個原因，儘管YBCO的製造難度要大得多，但人們仍然更傾向於使用YBCO。

相關條目

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 H. Maeda; Y. Tanaka; M. Fukutumi & T. Asano. A New High-Tc Oxide Superconductor without a Rare Earth Element. Jpn. J. Appl. Phys. 1988, 27 (2): L209–L210. Bibcode:1988JaJAP..27L.209M. doi:10.1143/JJAP.27.L209  . 
  2. ^ C. L. Briant; E. L. Hall; K. W. Lay; I. E. Tkaczyk. Microstructural evolution of the BSCCO-2223 during powder-in-tube processing. J. Mater. Res. 1994, 9 (11): 2789–2808. Bibcode:1994JMatR...9.2789B. S2CID 135525314. doi:10.1557/JMR.1994.2789. 
  3. ^ Timothy P. Beales; Jo Jutson; Luc Le Lay & Michelé Mölgg. Comparison of the powder-in-tube processing properties of two (Bi2−xPbx)Sr2Ca2Cu3O10+δpowders. J. Mater. Chem. 1997, 7 (4): 653–659. doi:10.1039/a606896k. 
  4. ^ M. A. Subramanian; et al. A new high-temperature superconductor: Bi2Sr3−xCaxCu2O8+y. Science. 1988, 239 (4843): 1015–1017. Bibcode:1988Sci...239.1015S. PMID 17815702. S2CID 35551648. doi:10.1126/science.239.4843.1015. 
  5. ^ R. J. Cava; et al. Structure and physical properties of single crystals of the 84-K superconductor Bi2.2Sr2Ca0.8Cu2O8+δ. Physical Review B. 1988, 38 (1): 893–896. Bibcode:1988PhRvB..38..893S. PMID 9945287. doi:10.1103/PhysRevB.38.893. 
  6. ^ J. L. Tallon; et al. High-Tc superconducting phases in the series Bi2.1(Ca,Sr)n+1CunO2n+4+δ. Nature. 1988, 333 (6169): 153–156. Bibcode:1988Natur.333..153T. S2CID 4348096. doi:10.1038/333153a0. 
  7. ^ M. R. Presland; et al. General trends in oxygen stoichiometry effects in Bi and Tl superconductors. Physica C. 1991, 176 (1–3): 95. Bibcode:1991PhyC..176...95P. doi:10.1016/0921-4534(91)90700-9. 
  8. ^ J. L. Tallon; et al. Generic Superconducting Phase Behaviour in High-Tc Cuprates: Tc variation with hole concentration in YBa2Cu3O7−δ. Physical Review B. 1995, 51 (18): (R)12911–4. Bibcode:1995PhRvB..5112911T. PMID 9978087. doi:10.1103/PhysRevB.51.12911. 
  9. ^ A. I. Golovashkin; et al. Low temperature direct measurements of Hc2 in HTSC using megagauss magnetic fields. Physica C: Superconductivity. 1991,. 185–189: 1859–1860. Bibcode:1991PhyC..185.1859G. doi:10.1016/0921-4534(91)91055-9. 
  10. ^ K. Togano; et al. Properties of Pb-doped Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductors. Applied Physics Letters. 1988, 53 (14): 1329–1331. Bibcode:1988ApPhL..53.1329T. doi:10.1063/1.100452. 
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