燒結法制備ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７－δ系列超導體的研究概況

摘要 YBa2Cu3O7-δ系列超導體是高溫超導材料中研究最多和應用最為廣泛的超導體之一。本文概括介紹了國內外有關燒結法制備YBa2Cu3O7-δ系列超導體的弱連接問題、輸運性質、電磁性質及燒結工藝等方面的研究概況，對高臨界電流密度YBa2Cu3O7-δ超導體的制備及理論分析具有重要的參考價值。

關鍵詞 YBa2Cu3O7-δ超導體，燒結法，晶粒間界

1引 言

燒結法是傳統制備YBa2Cu3O7-δ超導體的傳統方法，由于所制取樣品的臨界電流密度很低，因此沒有多大的實用價值，然而作為其它工藝的初級階段或研究基礎[1]，仍具有很大的研究價值。以下是國內外有關燒結法制備YBa2Cu3O7-δ系列超導體的弱連接問題、輸運性質、電磁性質及燒結工藝等方面的研究概況。

2與超導體晶粒間界的弱連接相關的概念

概括各種研究結果[2～5]可知，晶界弱連接產生的原因主要有以下幾點：

（1） 超導晶粒取向的各向異性導致大角度晶界處的弱連接。弱連接引起了超導電流的重新分布，同時穿過大角度晶界電流的流量也會受到嚴重限制[6]，因此超導體的臨界電流密度大大降低。

（2） 晶界處化學成分（如陽離子或氧的化學配比）的偏差、第二相的存在以及不佳的晶體結構等都會導致晶界處的弱連接。晶界處的第二相粒子一般都是非超導相粒子。

（3） 超導體熱膨脹的各向異性導致了晶界處的微裂紋﹑位錯及孔隙等缺陷的存在，晶界處的缺陷嚴重影響著電子結構，因此降低了超導體的臨界電流密度。

大量文章表明[7～9]，晶界區的臨界電流密度與溫度滿足以下關系:JC～(1-T/TC)n。n值不同，表明晶界弱連接的類型不同。n=1、1.5、2時，結的類型分別為SIS(Superconductor Insulator Superconductor)、SINS(Superconductor Insulator Metal Superconductor)和SNS(Superconductor Metal Superconductor)。影響超導結類型的因素有：燒結氣氛、退氧情況等。燒結氣氛中氧偏壓不同，將產生不同的結。燒結氣氛分別為氬氣、空氣和氧氣時，結的類型分別對應為SIS、SINS和SNS[8]。燒結氣氛中的氧偏壓降低，TC和JC會相應增加。這是因為氧偏壓的降低會促使燒結樣品晶粒的長大和樣品密度的增加，由此改善了超導晶粒間的連接。退氧時氧含量的減少使晶界處的能量有所降低，由此導致晶界弱連接結由SNS型轉變為SINS型[9]。

3 燒結法制備YBCO系列超導體的輸運性質及電磁性質

臨界態模型在研究燒結超導體的輸運性質尤其是在臨界電流密度的估算方面具有重要意義[4，10]。J.W.Ekin等人指出臨界態模型僅適用于均勻超導體，對非均勻超導體，傳導電流與磁化電流明顯不同，臨界態模型失效[5]。

J.L.Gonzalez等人指出，在低場下，燒結超導體晶界區的平均臨界電流密度與磁場的關系為JC(B)～B-1，而在高場情況下，則為JC(B)～B-0.5。Fraunhofer或Airy型較為復雜的單一晶界區的Jc(B)關系如下：JC(B)∝sin(wπ/a0)/(wπ/a0)， 其中a0=1.02 是晶粒內部Abrikosov渦旋線之間的距離，w是弱連接寬度[11]。 C.A.M.dos Santos等人研究了弱連接超導體的電阻行為與4種磁場區域的關系[12]。4種磁場區域的分布及對應的電阻行為如下：

0≤H≤HC1J(HCIJ為晶界區下臨界場)， R=0，此時磁通線未進入樣品；

HC1J

HC2J

HC1AHC2A時，R增大為正常電阻。

Ch.Jooss等人研究了晶界處的靜電勢。對于純的YBCO超導體，位錯處靜電勢為負表明位錯中心區域價態不平衡，由此會導致載流子的重新分布。而摻雜Ca在降低這種靜電勢的同時會提高晶粒間界處的臨界電流密度。這表明載流子的重新分布是高溫超導塊體中晶粒間界處電流受抑制的主要機理[6]。

K.C.Hung等人的研究表明，晶界處的有效釘扎勢U(T，H，J)與電流密度J的關系為：U(T，H，J)∝J-u(其中u=0.66)。此關系式進一步表明，晶界弱連接表現為一種集體釘扎行為。同時他們指出交流磁化率測量結果中交流磁化率的虛部有兩種峰：晶界處的峰和晶粒內部的峰。隨著直流場的增加（0～0.022mT），晶界處的峰迅速向低溫區移動而晶粒內部峰幾乎不移動。此結果表明弱連接對外場的變化極為敏感[13]。

4燒結工藝簡介

燒結工藝方面的研究包括純Y123粉的制備[14]、初始粉體顆粒大小對成形樣品的密度及臨界電流密度的影響[15]、化學反應合成條件等對YBCO超導體形貌及均勻度的影響[16]、元素摻雜及替代[17，18]、具有不同離子半徑的ReBCO(Re=Nd，Eu，Gd，Dy，Y，Ho，Er等)超導體燒結溫度及燒結時間的擇優選取等[19，20]。

實驗表明，多次研磨多次燒結有利于提高Y123粉體的純度，而初始粉體粒度最好在1μm以下[14]。若初始粉體粒度在10μm左右，這樣獲得的Y123粉體較粗，且由于燒結作用容易凝聚成塊。Prakhya Ram等人指出，Y123初始粉體顆粒尺寸越小，成形樣品密度越大，臨界電流密度也越高。當粉體尺寸小于1μm時，密度隨顆粒大小的變化趨于平緩[21]。Rajiv等人指出Ca摻雜的超導塊正交性和臨界溫度TC隨摻雜量X（0≤X≤0.2）的增加而降低的主要原因是過摻雜和由Ca摻雜引起的Cu2O面的無序。與此相反，孿晶密度隨X的增加使孿晶界稱為有效的釘扎中心[17]。C.Andreouli等人的研究表明[19，20]，ReBaCuO(Re=Nd，Eu，Gd，Y，Ho，Er等)系列中Re-ion半徑越小，ReBaCuO-123相形成的速率和分解溫度越低，形成的粉體也越不穩定。因此對于Re-ion半徑較小的ReBaCuO系列，燒結溫度應降低，同時要延長燒結時間。由此可見，燒結溫度可隨Re-ion半徑的增加而適當提高。

5總 結

本文主要介紹了國內外有關燒結法制備 系列超導體的弱連接問題、輸運性質、電磁性質及燒結工藝等方面的研究概況。燒結法制備 系列超導體的理論研究及制備工藝對高臨界電流密度 超導體的制備及理論分析具有重要的參考價值。

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