氧化物超導體的結構

2021-01-09 清剛而介

自從發現123結構的YBa2Cu3O7-δ以後，人們製備了許多有較高界溫度的氧化物超導體.多數是銅氧化合物，它們都具有鈣鈦礦結構，所以氧化物超導體的結構或多或少地繼承ABO3鈣鈦礦結構的一些固有特點.圖2-5表示鈣鈦礦的結構模型.

首先在理想配比的ABO3化學式中，A離子是半徑較大的離子，而B離子的半徑較小，多半是過渡族金屬.A、B離子與6個氧離子形成BO6 的八面體，BO6八面體是鈣鈦礦結構的骨架.

其次，鈣鈦礦化合物中都存在氧缺位和A離子缺位，B離子是沒有缺位的.A離子缺位和氧缺位是和合成比合物的條件密切相關的.含有高氧缺位的晶體中會發生結構畸變，導致BO6八面在某方向被拉長，使氧離子容易從結構中逸出，它對非理想配比鈣鈦礦的結構在高溫超導體中起著重要的作用.如鑭系材料，它具有CuO6八面體結構，其超導臨界溫度在30-40K;釔系材料，由於氧的缺位，部分具有CuO5正四方錐結構，其超導臨界溫度在90-100K;若某材料把氧進一步抽出，使其部分具有CuO4平面四邊形結構， 其超導臨界溫度會是多少？還應指出，A晶位上陽離子缺位和元素間的替代，使具有層狀鈣鈦礦結構的氧化物超導體可在一定的組份範圍內變化.

3,不同體系的氧化物超導體

A.鑭系材料：化學式是La2-xMxCuO4-δ,是空穴型導電類型(P型).其晶體結構如圖2-6.

B.釹系材料：化學式是Ln2-xCeO4-δ,Ln是鑭系元素中的Nd,Pr,Sm,Eu等.導電類型是電子型(N型).它的結構和鑭系214結構不同，稱為214-T'結構.

C,釔系材料：化學式是YBa2Cu3O6+δ,Y原子可以用稀土元素所代替，其結構是一種缺氧的鈣鈦礦型結構.稱123結構，導電類型是空穴型(P型).它還有一些變型如YBa2Cu4O8的124結構和Y2Ba4Cu7O15的247結構等.正交YBa2Cu3O6+δ 晶體結構如圖2-7所示.

D,鉛系材料：化學式是Pb2Sr2ACu3O8+δ,A可以是Y,Pr,La等稀有元素，還可再加一些Sr和Ca,它們很類似123結構.稱為2123結構，導電類型也是空穴型(P型).其體結構如圖2-8所示.

E,鉍系材料：化學式是Bi2Sr2Can-1CunO2n+4,n=1稱2201相，n=2稱2212,n=3稱2223相，結構也稱為2201、2212、2223、等.是空穴型導電類型(P型).正交Bi系2223結構如圖2-9所示.

圖2-9, Bi2Sr2Ca2Cu3O8的晶體結構

F,鉈系材料：其化學式有兩種.

其一，Tl2Ba2Can-1CunO2n+4,n=1,2,3.分別稱2201,2212,2223結構

其二，TlBa2Can-1CunO2n+3,n=1,2,3.分別稱1201,1212,1223結構.它的晶體結構如圖2-10所示.鉈系導電類型是空穴型(P型).

圖2-10, TlBa2Can-1CunO2n-3的晶體結構

G,汞系材料：化學式是HgBa2Can-1CunO,n=1,2,3,分別稱1201,1212,1223結構.是空穴型導電類型(P型)其晶體結構如圖2-11所示.

H,BKBO材料： BKBO是非銅氧化物超導體，最高Tc達30.5K.化學式是Ba1-xKxBiO3,屬鈣鈦礦結構.是空穴型導電(P型).

這些氧化物超導體的臨界溫度都是成份和微結構的函數.La系材料的Tc可達30-40K.N型導電釹系材料的最高Tc為25K左右.釔系材料Tc可達95K,它是目前研究工作最多的一種材料.它的變型124結構的Tc可達80K左右.247結構的Tc可達55K.鉛系材料的Tc可達70K以上.Bi系2223結構的Tc可達110K.鉈系2223結構的Tc可達125K.汞系1223結構在加壓的條件下Tc可達150K.

經過多年的研究，發現這些具有較高的臨界溫度的銅氧化合物超導體.有些重的共同特徵與"傳統"的超導材料有些區別，而非銅氧化物超導體BKBO卻更像"傳統"的超導材料.它用BCS理論框架能比較好理解BKBO的性質.

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