釔鋇銅氧超導(dǎo)性能的研究.doc

海 南 師 范 大 學(xué)本 科 生 畢 業(yè) 論 文題目：釔鋇銅氧超導(dǎo)性能的研究姓 名： 蒙志富學(xué) 號： 200906101134專 業(yè)： 物理學(xué)年 級： 2009級系 別： 物理系完成日期： 2013年5月指導(dǎo)教師： 沈振江(副教授)本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，本論文中沒有抄襲他人研究成果和偽造數(shù)據(jù)等行為 。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）使用授權(quán)聲明海南師范大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交畢業(yè)論文（設(shè)計）的復(fù)印件和磁盤，允許畢業(yè)論文（設(shè)計）被查閱和借閱。本人授權(quán)海南師范大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)印手段保存、匯編畢業(yè)論文（設(shè)計）。論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 目 錄第1章 釔鋇銅氧簡介、晶體結(jié)構(gòu)- 4 -11 YBCO簡介- 4 -12 釔鋇銅氧晶體結(jié)構(gòu)- 5 -第2章 高溫超導(dǎo)的發(fā)展- 6 -第3章 釔鋇銅氧超導(dǎo)性能的機(jī)理，與其他高溫超導(dǎo)機(jī)理的對比- 8 -3.1超導(dǎo)體的三個臨界參量- 8 -3.2超導(dǎo)體的基本性質(zhì)- 9 -3.3 釔鋇銅氧超導(dǎo)機(jī)理探討- 10 -3.3.1 傳統(tǒng)超導(dǎo)理論（BCS理論）- 10 -3.3.2 釔鋇銅氧超導(dǎo)機(jī)理的探討- 10 -第4章 釔鋇銅氧超導(dǎo)性能的主要研究方向、研究成果、應(yīng)用前景- 12 -4.1 YBCO研究現(xiàn)狀- 12 -4.2 YBCO研究成果- 13 -4.2.1 YBCO高溫超導(dǎo)塊材- 13 -4.2.2 YBCO超導(dǎo)帶材- 13 -4.3 YBCO的應(yīng)用- 14 -4.3.1 YBCO超導(dǎo)材料的商業(yè)優(yōu)勢- 14 -4.3.2 YBCO超導(dǎo)帶材的制備與應(yīng)用- 15 -4.3.3 YBCO超導(dǎo)儲能的研究- 15 -4.3.4 YBCO高溫超導(dǎo)體的應(yīng)用前景- 16 -第5章 總結(jié)展望- 16 -參考文獻(xiàn)：- 18 -釔鋇銅氧超導(dǎo)性能的研究作者：蒙志富 指導(dǎo)教師：沈振江 副教授（海南師范大學(xué)物理系，?？?，571158）摘 要 釔鋇銅氧，作為第二代高溫超導(dǎo)材料，有著很高的商業(yè)價值，自發(fā)現(xiàn)以來便受到各國科學(xué)家的熱衷研究。YBCO自發(fā)現(xiàn)至今已20多年，其超導(dǎo)性能的研究應(yīng)用也取得了不錯的成果，但其超導(dǎo)機(jī)制同其他高溫超導(dǎo)機(jī)理一樣至今仍不能得到一個令人信服的結(jié)果。本文從超導(dǎo)的發(fā)展歷史出發(fā)，闡述了YBCO的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討其超導(dǎo)機(jī)理并對其研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用前景做了綜述。關(guān)鍵詞：釔鋇銅氧，YBCO，高溫超導(dǎo)YBCO superconducting propertiesAuthor: Meng Zhi Fu Instructor: Associate Professor Chen Zhenjiang(Hainan Normal University, Haikou, 571158)Abstract：YBCO, as second-generation high-temperature superconducting materials, has a high commercial value, since the discovery will be keen to research by scientists from various countries. YBCO self-discovery has been more than 20 years, the research and application of superconducting properties also achieved good results, but its mechanism of superconductivity with other high-temperature superconducting mechanism still can not get a convincing results. Departure from the history of the development of superconductivity on the structural characteristics of the YBCO, to investigate the mechanism of superconductivity and reviewed its current research and application prospects.Keywords: YBCO, YBCO high-temperature superconducting第1章 釔鋇銅氧簡介、晶體結(jié)構(gòu)11 YBCO簡介釔鋇銅氧，又稱釔鋇銅氧化物、YBCO，它是化學(xué)式Y(jié)Ba2Cu5O7。摩爾質(zhì)量為666.19g/mol,密度4.45.3 g/cm3熔點(diǎn)大于600的黑色固體，是著名的超導(dǎo)體，屬于第二代高溫超導(dǎo)材料，而且是第一個制造臨界溫度在液氮沸點(diǎn)以上的材料。自1911年荷蘭物理學(xué)家Heike Karnerlingh Onnes第一次在汞中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象（臨界轉(zhuǎn)變溫度為4.2K）以來，在隨后的幾十年里，超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度的最高紀(jì)錄只有23.2K,是來自在錫的合金中，進(jìn)展一直相當(dāng)緩慢。到了1986年4月，通過用Ba2+、Sr2+ Ca2+替代La2CuO4中的La3+，Zurich大學(xué)IBM實(shí)驗(yàn)室的J.Georg Bednorz和 K.Alex Muller有了新的發(fā)現(xiàn)，他們找到了臨界溫度超過了30K的銅氧化物超導(dǎo)體。第二年的1987年，超導(dǎo)體的研究又有了另一個突破性的進(jìn)展。美國休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以及中科院物理所的趙忠賢研究小組分別獨(dú)立觀測到臨界轉(zhuǎn)變溫度在90K以上的超導(dǎo)現(xiàn)象，而趙的小組首先公布了這種超導(dǎo)材料是釔、鋇、銅和氧的化合物，其中釔、鋇、銅的原子百分比為1：2：3，這便是釔鋇銅氧。這使得以廉價的冷卻方式研究超導(dǎo)成為可能，也因此引發(fā)了全世界對新高溫超導(dǎo)材料的研發(fā)熱潮。12 釔鋇銅氧晶體結(jié)構(gòu)YBCO為鈣鈦礦缺陷型層狀結(jié)構(gòu)，含有CuO-CuO2-CuO2-CuO交替的層，CuO2層可以有變形和皺褶。釔原子存在于CuO2和CuO2層中，BaO層則在CuO與CuO2兩層之間。其結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示：圖1 釔鋇銅氧晶體結(jié)構(gòu)上圖1中（a）、（b）、（c）分別表示的是釔鋇銅氧晶體正交相結(jié)構(gòu)（=0）、正交相向四方相結(jié)構(gòu)相變（=0.5）、四方相結(jié)構(gòu)（=1）的情況。由于釔鋇銅氧晶體中的氧原子含量會隨環(huán)境的溫度和氧分壓的變化而變化，通常將其寫作YBa2Cu3O7-，0 1. =0時為其理想組分，空間群為Pmmm，晶格常數(shù)a=0.3817nm,b=0.3883nm,c=1.1633nm. 0.5時，其結(jié)構(gòu)向四方相轉(zhuǎn)變，將逐漸喪失超導(dǎo)性。大多數(shù)銅氧化物高溫超導(dǎo)材料特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其具有各向異性，其主要原因是由于這些材料的晶體結(jié)構(gòu)都屬于夾層結(jié)構(gòu)，分別由電導(dǎo)層和絕緣層組成，而電導(dǎo)和超導(dǎo)只作用于CuO2層上，這使得點(diǎn)陣常數(shù)a和b，比較接近，c則隨層狀結(jié)構(gòu)變化而變化。第2章 高溫超導(dǎo)的發(fā)展高溫超導(dǎo)一般認(rèn)為是臨界溫度在液氮以上銅基氧化物超導(dǎo)體，而此前發(fā)現(xiàn)的臨界溫度在液氮以下的超導(dǎo)體稱為低溫超導(dǎo)體。一般超導(dǎo)合金在接近絕對零度時其電阻逐漸消失，如此低的溫度使其在應(yīng)用上會遇到許多問題。而更加具有實(shí)際商業(yè)價值的高溫超導(dǎo)材料研究便很快成為現(xiàn)代科學(xué)的熱門課題。1986年以前的超導(dǎo)研究為發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)積累了理論和實(shí)驗(yàn)的大量極為重要的知識儲備。盡管在1986年以前的幾十年里超導(dǎo)臨界溫度提高緩慢，連臨界溫度最高的鈮三鍺也只有區(qū)區(qū)2322K，而柏諾茲（Bednorz）和（繆勒）Muller于1986年發(fā)現(xiàn)臨界溫度約為30K的銅氧化物超導(dǎo)體，為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)液氮區(qū)高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)開辟了道路。其實(shí)氧化物超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)可追溯到1973年約翰斯頓等人發(fā)現(xiàn)的Li1-xTi2-xO4其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為13.7K,以及1975年斯萊特等人發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變溫度為13K的BaPb1-xBixO3超導(dǎo)體,雖然該轉(zhuǎn)變溫度還不如當(dāng)時Nb3Ge高，但以當(dāng)時公認(rèn)尺度來看也不算低，因此，在此方向上依然有人研究超導(dǎo)體。柏諾茲（Bednorz）和繆勒（Muller）早在1986年4月就投稿給德國物理雜志宣布他們發(fā)現(xiàn)的BaxLa5-xCu5O(3-y)(其中x=1或0.75)可能在高于30K的溫區(qū)具有超導(dǎo)性，但由于這篇報道只談到零電阻效應(yīng)而未提及邁斯納效應(yīng)，因而并未引起同行的足夠重視，直到同年十月他們在再次投稿中聲明肯定了樣品有邁斯納效應(yīng)并在日本東京大學(xué)內(nèi)田等人于11月和12月投稿宣布在（La,Ba）2CuO4-y中觀察到轉(zhuǎn)變溫度約30K，并肯定有邁斯納效應(yīng)，柏諾茲（Bednorz）和（繆勒）Muller的研究成果才得到公認(rèn)。1987年是超導(dǎo)研究豐收年，1月初，由日本川崎國立分子研究所發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體具有43K的臨界溫度，不久，中國科學(xué)院物理研究所報道制出了高溫超導(dǎo)體小組發(fā)現(xiàn)的鋇鑭銅氧系和鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體其臨界溫度也分別達(dá)到了46.3K和486K。1987年2月6日，美國朱經(jīng)武等人向物理評論簡報投稿宣布（Y1-xBax）2 CuOy(x=0.4,y4) 系統(tǒng)于8093K溫區(qū)獲得穩(wěn)定的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。1987年2月24日，中國科學(xué)院物理所宣布趙忠賢等人獲得超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為92.8K,出現(xiàn)零電阻溫度為78.5K的BaxY5-xCu5O5(3-y) 超導(dǎo)材料，現(xiàn)在公認(rèn)的化學(xué)式為YBa2Cu3O7-x也就是現(xiàn)在所說的釔鋇銅氧,俗稱123系。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為93K的釔鋇銅氧超導(dǎo)的化合物是在1987年由朱經(jīng)武和趙忠賢幾乎同時發(fā)現(xiàn)。1988年初日本Maeda等制成了鉍鍶鈣銅氧化物高溫超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比釔鋇銅氧高出10K以上，幾乎同時美國Arkansas大學(xué)宣布制成鉈鋇鈣銅氧化物新高溫超導(dǎo)材料，其起始超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到了123K。1989年發(fā)現(xiàn)了電子型（n型）高溫銅氧化物超導(dǎo)體，日本的Tokura等人宣布Nd2-xCexCuO4-y當(dāng)0.14x0.18時有超導(dǎo)電性，在x=0.15時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為24K，以后隨x的增加超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度下降，當(dāng)x約為0.18時，超導(dǎo)電性消失。自1988年開始，高溫銅氧化物材料開始進(jìn)入應(yīng)用研究階段并已取得理想的效果。1988年首次制出高溫超導(dǎo)薄膜，1989年首次制出超導(dǎo)線，到了1990年則首次繞制成高溫超導(dǎo)線圈。1993年用高溫超導(dǎo)線圈制出交流同步馬達(dá)，隨后的幾年內(nèi)，前面開始研發(fā)應(yīng)用的材料繼續(xù)取得突破性數(shù)據(jù)，性能不斷提高。1995年，可彎曲釔鋇銅氧涂層超導(dǎo)帶問世，兩年后，米級長度的YBCO帶也相繼制成。1998年，用RABiTS-PLD法制出的YBCO涂層超導(dǎo)帶臨界電流密度已達(dá)到1.8MA/cm2,3.0MA/cm2。【1】Akimitsu等人2001年新發(fā)現(xiàn)的MgB2為中等超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)體約為40K 。2003年，Souma等人報道：硼化鎂為雙能隙超導(dǎo)體。2008年2月，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)首先發(fā)現(xiàn)氟摻雜鑭氧鐵砷化合物在臨界溫度為26K時具有超導(dǎo)特性，同年3月25日，中國科技大學(xué)陳先輝領(lǐng)導(dǎo)的科研小組有報告氟摻雜釤氧鐵砷化合物在43K時也變成超導(dǎo)體。近年來，高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展一直沒停止過，并由單一的銅氧化物向簡單化物發(fā)展，形成多種方向共同發(fā)展的局面。表1 部分高溫超導(dǎo)體及發(fā)現(xiàn)年代第3章 釔鋇銅氧超導(dǎo)性能的機(jī)理，與其他高溫超導(dǎo)機(jī)理的對比作為超導(dǎo)體，除了自身的特點(diǎn)外還有著一些共同特性：3.1超導(dǎo)體的三個臨界參量1、超導(dǎo)體的臨界溫度Tc在一定值的溫度下突然進(jìn)入一個新的物態(tài)，其電阻實(shí)際變?yōu)榱悖蛘哒f電阻突然下降到難以測量的程度，這種具有特殊電性質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，這種物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體剛進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的溫度叫作超導(dǎo)臨界溫度，用Tc表示。2、 超導(dǎo)體的臨界電流密度Jc實(shí)驗(yàn)表明，如果在不加磁場的情況下，當(dāng)通過超導(dǎo)體的電流大到一定程度時，也將會破壞超導(dǎo)態(tài)這個電流值叫作臨界電流密度，用Ic表示。Ic的大小隨溫度T的高低而變化，在Tc在下Ic為零。3、 超導(dǎo)體的臨界磁場Hc正常情況下，處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體具有邁斯納效應(yīng)，即完全抗磁性，但如果給處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)材料持續(xù)增強(qiáng)磁場，當(dāng)強(qiáng)度大于某一Hc值時，該超導(dǎo)體將從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)， Hc則稱為臨界磁場。根據(jù)超導(dǎo)體的Hc的個數(shù)不同可將超導(dǎo)體分為兩類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體，第一類超導(dǎo)體只有一個Hc,第二類超導(dǎo)體則有兩個Hc,分別記為：Hc1(T)（上臨界磁場）和Hc2(T)（下臨界磁場）圖2 第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體對于第二類超導(dǎo)體當(dāng)HHc1(T),TTc時，樣品處于邁斯納超導(dǎo)態(tài)；當(dāng)Hc1(T)HHc2(T)時，樣品處于正常態(tài)。以下為兩類超導(dǎo)體H和T關(guān)系圖：圖：Tc、Jc、Hc三者關(guān)系3.2超導(dǎo)體的基本性質(zhì)零電阻效應(yīng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時其內(nèi)部電阻實(shí)際變?yōu)榱愕默F(xiàn)象稱為超導(dǎo)的零電阻效應(yīng)。邁斯納（Meissnei）效應(yīng)完全抗磁對于超導(dǎo)體來說，不論是先降溫后加磁場，還是先加磁場而后降溫，只要樣品溫度過渡到了超導(dǎo)態(tài)，在樣品周圍的磁場都發(fā)生了變化，磁力線被完全推到了超導(dǎo)體之外，即無論過渡到超導(dǎo)態(tài)的途徑如何，只要TTc，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總為零，具有完全抗磁性，這后來被稱為邁斯納效應(yīng)。同位素效應(yīng)超導(dǎo)體的臨界溫度與同位素質(zhì)量有關(guān)，同一種元素，同位素質(zhì)量較高的其臨界溫度Tc較低，稱為同位素效應(yīng).MTc=常數(shù) （1）上式中，M為同位素的質(zhì)量，=0.503.3 釔鋇銅氧超導(dǎo)機(jī)理探討3.3.1 傳統(tǒng)超導(dǎo)理論（BCS理論）1957年美國人巴丁、庫柏和施瑞弗在電子和聲子相互作用的基礎(chǔ)上建立了低溫超導(dǎo)的微觀理論（即BCS理論），解釋了超導(dǎo)電性的起源，闡明了超導(dǎo)的本質(zhì)。所謂BCS理論，是解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論。該理論以其發(fā)明者巴?。↗.Bardeen）、庫珀（L.V.Cooper）施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。BCS是典型的弱耦合理論， 把超導(dǎo)現(xiàn)象看做一種宏觀量子效應(yīng)，認(rèn)為電子間如果存在電子與晶格相互作用產(chǎn)生的吸引力大于電子間的庫倫排斥力而使電子間呈現(xiàn)一種凈的吸收作用，那么它們就能夠形成一個束縛態(tài)，這種束縛態(tài)時兩個電子組成電子對偶，稱之為庫珀對，庫柏對對超導(dǎo)電流的形成起決定性作用。在BCS理論提出的同時，尼科萊勃格留波夫（Nikolai Bogoliubov）也獨(dú)立的提出了超導(dǎo)電性的量子力學(xué)解釋，他使用的勃格留波夫變換至今仍為人們所常用。3.3.2 釔鋇銅氧超導(dǎo)機(jī)理的探討現(xiàn)今，人們對高溫超導(dǎo)機(jī)制仍未形成共識，與傳統(tǒng)BCS超導(dǎo)體相比，高溫銅氧化物超導(dǎo)體的性質(zhì)有共性也有特殊性兩面，就高溫超導(dǎo)氧化物而言，其特殊性更顯著，因而高溫超導(dǎo)氧化物超導(dǎo)機(jī)制是否也適用于BCS理論也值得探討。對于高溫超導(dǎo)機(jī)制的特殊性，人們對通過繼續(xù)完善BCS理論抑或是建立全新的理論去解釋高溫超導(dǎo)機(jī)制也存在不同意見，持不同見解的大概分為費(fèi)米液體派和非費(fèi)米液體派，前面所探討過的BCS理論是在費(fèi)米液體正常態(tài)的框架上建立起來的機(jī)制。電聲子機(jī)制：該機(jī)制認(rèn)為，在超導(dǎo)體內(nèi)兩電子間由于交換聲子而產(chǎn)生了吸引作用，當(dāng)這種吸引作用大于電子本身的庫倫排斥作用時，兩電子就形成電子對引起超導(dǎo)電性。同位素效應(yīng)對探索超導(dǎo)機(jī)制有特殊意義。高溫銅氧化物超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)指數(shù)遠(yuǎn)小于0.5，這使得許多人提出了非電聲超導(dǎo)機(jī)制或混合超導(dǎo)機(jī)制。激子機(jī)制：所謂激子，是指由于一直電子系統(tǒng)的極化所導(dǎo)致的能量激發(fā)。勒特耳認(rèn)為超導(dǎo)體內(nèi)的凈吸引力是使兩電子間交換激子而產(chǎn)生吸引作用而不是之前所說的利用交換聲子使兩電子產(chǎn)生吸引。如果這種激子機(jī)制能產(chǎn)生兩電子間的凈吸引力，那么將可以預(yù)期出現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。盡管理論上做了很多設(shè)想，但迄今為止還沒有試驗(yàn)事實(shí)能夠肯定激子超導(dǎo)機(jī)制。美國的P.M.Anderson是反對用費(fèi)米液體描寫高溫超導(dǎo)體的代表之一，他提出了共價鍵態(tài)理論來說明高溫超導(dǎo)機(jī)制。共振價鍵理論（RVB態(tài)）這一理論是基于高溫氧化物的低維性、反鐵磁的鄰近性和載流子密度低等特點(diǎn)提出的。該理論認(rèn)為電荷與自旋自由度分離，這與費(fèi)米液體的基本點(diǎn)不同，在相鄰原子上，自旋相反的兩軌道電子形成共價鍵，而這些共價鍵可以在兩個以上的位置之間共振?！肮舱駜r鍵理論”（RVB）是一種由實(shí)空間定域配對轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰靠臻g的非局域配對機(jī)制。共振價鍵理論中，無電子型的準(zhǔn)粒子，而電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)是導(dǎo)致系統(tǒng)電荷和自旋自由度相分離的原因，從而有空穴子和自旋子兩種元激發(fā)。雙成分理論【2】：我國著名物理學(xué)家章立源提出的雙成分理論認(rèn)為，巡游載流子形成的庫珀對與近局域?qū)Ρ舜讼嗷ハ喔勺饔脧亩T導(dǎo)增進(jìn)了超導(dǎo)態(tài)中的有效配對位勢，從而形成高溫超導(dǎo)。其他理論其他超導(dǎo)理論如Nesting模型、反鐵磁費(fèi)米液體模型、自旋口袋（spin bag）模型、任意子模型等等理論也是著名的超導(dǎo)理論但如前所說，這些眾說紛紜的理論都能在一定程度上說明一些超導(dǎo)現(xiàn)象，但也沒能給人足夠的證據(jù)其適用于釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)機(jī)理，可見，目前已存在的理論要么是在傳統(tǒng)的BCS理論的框架上進(jìn)行擴(kuò)展，要么另辟蹊徑發(fā)展一種全新理論。但至今仍未見一種能夠解釋高溫超導(dǎo)如釔鋇銅氧足以令人信服的理論，看來釔鋇銅氧的高溫超導(dǎo)機(jī)理的探索還需要進(jìn)一步發(fā)展。高溫超導(dǎo)微觀機(jī)制的探索與研究還在進(jìn)行中，雖已取得了不少進(jìn)展，但目前業(yè)已存在的超導(dǎo)微觀機(jī)理過于單一的理論都很難得到所有試驗(yàn)結(jié)果的一致認(rèn)可。于是人們提出對于低溫超導(dǎo)起主導(dǎo)作用的是電聲子作用機(jī)制，而在高溫超導(dǎo)有電聲子作用，但起主導(dǎo)作用的不再是電聲子作用機(jī)制，而可能是某種非聲子機(jī)制?？傊?，目前高溫超導(dǎo)機(jī)制還未形成一個令人普遍認(rèn)同的理論。以下是一些材料的超導(dǎo)機(jī)制：第4章 釔鋇銅氧超導(dǎo)性能的主要研究方向、研究成果、應(yīng)用前景4.1 YBCO研究現(xiàn)狀釔鋇銅氧至被發(fā)現(xiàn)以來，以其獨(dú)有的特性吸引了眾多科研人員對其投入研究。根據(jù)釔鋇銅氧超導(dǎo)特點(diǎn)，世界各國主要集中于超導(dǎo)體塊材、超導(dǎo)體帶材或涂層等方面的研究。目前，高溫超導(dǎo)體研究人員仍面臨許多挑戰(zhàn)，如釔鋇銅氧超導(dǎo)體晶粒取向不一致，晶界連接脆弱，以及對實(shí)際應(yīng)用來說，臨界轉(zhuǎn)變溫度仍然較低等，這些問題都需要科技人員的繼續(xù)研究。表2 國際涂層材料發(fā)展現(xiàn)狀4.2 YBCO研究成果4.2.1 YBCO高溫超導(dǎo)塊材經(jīng)過二十幾年的研究，無論YBCO超導(dǎo)機(jī)理還是發(fā)展應(yīng)用都取得了一定的成果，目前YBCO材料應(yīng)用研究已進(jìn)入生產(chǎn)驗(yàn)證階段，不久將實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，而最有可能進(jìn)入應(yīng)用的當(dāng)屬YBCO塊材。4.2.2 YBCO超導(dǎo)帶材經(jīng)過各國科研機(jī)構(gòu)的努力，釔鋇銅氧超導(dǎo)帶材的研究應(yīng)用取得了不少進(jìn)展。20世紀(jì)90年代人們主要選擇了BSCCO及YBCO高溫超導(dǎo)材料來制造帶材或線材，其中后者成為后來的主要發(fā)展對象。制造實(shí)用帶材必須要有足夠達(dá)到電流密度，而阻礙電流密度提高主要有兩大因素：一是材料內(nèi)部存在弱連接，使制作出來的帶材質(zhì)地過于脆弱：二是設(shè)法做出強(qiáng)磁通釘扎以使磁通線能抵抗洛倫茲力的推動來減少能量損耗。美國和日本的一些公司基于用YBCO為材料制作超導(dǎo)帶材的研究正積極展開。人們獲得高電流密度連續(xù)長超導(dǎo)電線的愿望不久將得以實(shí)現(xiàn)。圖3 YBCO超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)圖4.3 YBCO的應(yīng)用4.3.1 YBCO超導(dǎo)材料的商業(yè)優(yōu)勢YBCO高溫超導(dǎo)線帶材在強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)用技術(shù)成為各國研究的重點(diǎn)。就目前的成熟技術(shù)，第一代高溫超導(dǎo)帶材發(fā)展已進(jìn)入一個瓶頸區(qū)。Bi系超導(dǎo)材料物理上的本征特性（低不可逆場，低載流能力）決定了該種材料在液氮區(qū)的應(yīng)用極為有限。由于需要大量的銀作為包套材料生產(chǎn)該材料的成本昂貴也大大地限制了其使用。因此，近年來第一代帶材發(fā)展緩慢，國外已基本放棄對該材料的研究，而美國也已宣布，將在2007年后逐步停止生產(chǎn)。圖4 鉍系和釔系高溫超導(dǎo)體的溫度和不可逆場的關(guān)系YBa2Cu3O7-x（Y系）高溫超導(dǎo)材料具有高Tc，高不可逆場，高載流能力，低交流損耗，制備方法相對簡單，原材料價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，這使其很有可能取代第一代鉍系高溫超導(dǎo)材料而成為未來主宰高溫超導(dǎo)市場的新力軍。目前，世界各國都爭相把超導(dǎo)研究的重點(diǎn)放在該類超導(dǎo)材料的研究上。表3 YBCO涂層導(dǎo)體各層材料及相關(guān)應(yīng)用4.3.2 YBCO超導(dǎo)帶材的制備與應(yīng)用第二代超導(dǎo)帶材(Y系)由金屬基帶、隔離層、貴金屬層、超導(dǎo)層等組成。由于存在小角度晶界及表面粗糙度等缺陷會嚴(yán)重影響帶材的性能，需要在原子級尺度上控制晶格的生長來制備YBCO超導(dǎo)帶材。目前第二代超導(dǎo)釔鋇銅氧超導(dǎo)薄膜已進(jìn)入商業(yè)化階段，主要應(yīng)用于諧振器、濾波器、天線等有源器件。如最近我國由清華大學(xué)研制成功的濾波器系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)移動通信的商業(yè)化運(yùn)行。4.3.3 YBCO超導(dǎo)儲能的研究近年來，隨著超導(dǎo)技術(shù)，尤其是高溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的超導(dǎo)儲能技術(shù)的世界范圍內(nèi)已取得飛速的發(fā)展。各種先進(jìn)的超導(dǎo)儲能裝置都已陸續(xù)研制，并成功應(yīng)用于解決電力系統(tǒng)中的電壓中斷、低頻振蕩等各種電能質(zhì)量問題，從理論和實(shí)驗(yàn)角度都驗(yàn)證了超導(dǎo)儲能技術(shù)的可行性和實(shí)用性。除了在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究外，目前世界上眾多研究結(jié)構(gòu)對超導(dǎo)儲能技術(shù)在電磁彈射、不間斷電源、混合動力汽車等多個技術(shù)領(lǐng)域上的應(yīng)用研究也取得了較好的發(fā)展，開發(fā)了大量的實(shí)驗(yàn)裝置?？偠灾?，超導(dǎo)儲能技術(shù)正逐步從實(shí)驗(yàn)研究階段走向?qū)嵱没⑸虡I(yè)化進(jìn)程。表4 目前正在試驗(yàn)或運(yùn)行的超導(dǎo)電纜系統(tǒng)4.3.4 YBCO高溫超導(dǎo)體的應(yīng)用前景YBCO作為第二代高溫超導(dǎo)材料其應(yīng)用前景必然可觀，現(xiàn)今以釔鋇銅氧涂層為基礎(chǔ)的高溫超導(dǎo)帶材已研發(fā)成功并逐漸實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，而YBCO塊材的研發(fā)也在緊鑼密鼓地展開，相信不久的將來即可實(shí)現(xiàn)商