1.材料研究与发展的历史和现状

自从1986年在La-Ba-Cu-氧化物中发现高仏超导电性以来，有许多文章报道发现了新的超导氧化物，其中有些材料呈现高临界温度（见表1）。迄今为止，最高临界温度为125 K，是1988年初在铊化合物中得到的，还没有得到Tc>125 K的材料。但是，近一年半以来，又发现了几种新材料（见表2），但是其临界温度均低于100 K。

这些材料都具有以下共同的物理性质：

（1）低载流子浓度；

（2）载流子浓度的可控制性；

（3）存在半导体相；

（4）在半导体相中呈现反铁磁性；

（5）二维数；

（6）难以进行能带计算。

必须说明的是，这些材料的载流子都是空穴，唯一例外是(Nd，Ce)₂CuO₄，在这种材料中霍尔系数的符号为负。所有这些材料在晶体结构中都有维Cu-O平面，这说明主要导电通路必定是在Cu-O平面中，并且预计高Tc超导电性也出现在Cu-O平面中。因此我们遇到了很严肃的问题：我们能不能预计高Tc超导电性只出现于具有Cu-O平面的材料中？我们从未见到关于不含铜的高Tc材料的报道，因此我认为，我们尚未找到上述问题的答案，高Tc超导电性理论将来会给我们一个正确答案。

还应当指出，高Tc超导电性对于材料中的缺陷颇为敏感。例如，氧的少量不足就会大大影响临界温度，晶体结构的某种不规则性也会影响临界温度。这可能是因为，高Tc超导电性出现在比金属超导材料的载流子浓度更低的区域。

2.研究与发展趋势

（1）材料

直到两年前，材料晶体结构与临界温度之间的关系还是相当简单的，如表1所示。临界温度随晶胞中Cu-O平面的数目的增多而升高，而且还随晶体结构的复杂程度而增加。Tc为125 K的Tl化合物由5种元素组成，并且，在晶胞中包括三个Cu-O平面。但是这种趋向是否就是寻找更高Tc超导材料的适当指导原则并不很清楚。据报道，晶胞中包括4个Cu-O平面的Tl化合物就不呈现高临界温度。最近研制的(Pb_0.5Cu_0.5)(Sr_0.5Ba_0.5)₂(Y_0.6Ca_0.4)Cu₂O_x化合物由8种元素组成，一个晶胞包括两个Cu-O平面。而这种材料的临界温度却只有83 K。

迄今为止，我们尚未能找到获得更高临界温度材料的指导原则。但是，寻找更高临界温度材料又是最重要的任务，因为这肯定将支持高Tc超导理论的发展和新应用的开发。

因此，必须摆脱依赖于各种粉末的高温固态化学反应的常规方法，而采用氧化物材料的新的合成方法。例如，低温化学方法（溶胶－凝胶过程）以及高氧分压方法，就提供了将来寻找高Tc材料的可能性。

（2）薄膜

高Tc氧化物超导材料具有很大而又很复杂的晶胞，因此晶体生长过程与晶胞相当简单的普通半导体有很大不同。薄膜制备为我们提供了关于这种超导材料的晶体生长过程的重要信息。例如，蒸发法是很有用的晶体生长方法。薄膜制备也给了我们寻找材料新结构的另一种可能性。例如，在YBa₂Cu₃O₇中已首次观察到YBa₂Cu₄O₈的存在。这说明在某种淀积条件下在衬底上会出现准稳相。

关于薄膜制备已有许多报道，其主要目的是应用于电子器材。虽然尚未出现关于工作在77 K的新型超导有源器件的任何新设想，但是可以预料，将来的应用需要单晶薄膜的外延生长。此外，由于这些材料的相干长度很短（在10A量级），因此，必须很精确地控制晶体生长才能得到层与层之间的锐界面。

图1概要说明了各种薄膜制备方法和广为接受的一些特性，这些方法目前尚在不断发展中，还很难说哪种方法最好。这很可能要视材料类型和薄膜应用的目的而定。

（3）高临界电流材料

为了实现新型高Tc材料在液氮温度下的应用，最重要的任务是提高在YBa₂Cu₃O₇、(Y_，Ca)BaCu₄O₄、Bi化合物和Tl化合物等已发现材料中的临界电流。这些材料中的临界电流由沿晶粒间界的弱连接的密度和有效钉扎中心的密度所决定。对于弱连接和钉扎中心的主要物理特性目前还没弄得十分清楚，但是经验数据表明，这些材料中的临界电流是能够提高的。特别是，最近我们利用所谓“熔化－粉末－熔化－生长”（MPMG）方法，在YBa₂Cu₃O₇块材中达到高临界电流方面取得了很大成功。

图2示出了MPMG方法的基本过程。利用这种方法，可将精细的非超导Y₂BaCuO₅(211)粒子引入超导YBa₃CuO₇(123)基质中。当初始组分偏向211富区时，精细211粒子就能很好地分散到基质中。结果表明，有211粒子的材料中的临界电流，比没有211粒子的材料几乎高一个数量级，在77 K、0 T时达到1.1×10⁵A/cm²，在77 K、5 T时为1.5×10⁴A/cm²。211粒子的平均尺寸约为1微米，大于磁通线间距的相干长度。这说明211相与123相之间的边界为量子化磁通提供了很强的钉扎中心。这种材料中的钉扎电位很高，在77 K和0.1 T时约为1 eV。

这些结果似乎说明了一个重要结论：为了在块材中得到高临界电流，这些材料必定是含有绝缘第二相的化合物而不是单相材料。

在这种高临界电流材料中掺入银可以大大改进微结构，而且不出现在未掺银材料中所观察到的裂纹。

当把这种高临界电流材料的样品放在磁场中时，磁通被俘获在样品表面附近，如图3所示。利用磁 - 光方法，可以直接观察在这种情况下样品中的磁场分布。可以预计，在这种情况下样品会呈现很强的抗磁性，并且在样品与磁体之间会产强的斥力。从图4可以看出，在零磁场中把样品冷却到77 K以后，斥力随着样品与磁体之间的距离的减小而增大。然而，当样品离磁体很近时，由于在强磁场作用下钉扎效应受到破坏，磁场会进入样品中，其特性从抗磁性变为铁磁性，并出现吸引力，这就是所谓“渔捞效应”（fishing effect）。

经过适当处理的样品对磁体的斥力相当强。例如，当采用直径20 mm的Fe-Nd-B磁体与直径30 mm、厚20 mm的样品时，77 K温度下的斥力在0.1 mm高度上达到80牛顿。因此，我们希望在不太远的将来这种现象能在许多方面得到实际应用。其中，最先付诸应用的可能是磁轴承。

（4）带材和线材

用氧化物超导材料制造的带材进展速度很快，特别是在银铠装Bi基超导线材的情况下，临界电流在77 K和0 T时达到4.7×10⁴A/cm²，在77 K和1 T时达到1.1×10⁴A/cm²。

最引人注目的特性是，这些Bi基超导带材在4.2 K和25 T时临界电流大于10⁶A/cm²这个数值比在同样条件下Nb₃Sn线材高一个数量级。由此可以得出一个很重要的结论：如果利用液氦作为冷却剂，就能产生超过20 T的强磁场。

3.关于高温超导研究与发展工作的进展的预测

如上所述，高Tc超导的研究与发展在近三年半内取得了很大进展，在最近的将来预计还会取得进展。

发展工作的第一阶段是在1989年开始的。因为高温超导的发现非常突然，所发现的材料使许多科学家感到非常惊奇，所以各国许多科学家都急于寻找具有更高临界温度的新材料，并且想弄清这类新材料的物理性质。结果，临界温度已达到125 K，临界电流也急剧增大，就临界电流而言，已逐渐弄清楚途径就在于如何在这些材料中产生钉扎中心。这是第一阶段的一项重大成就。

第二阶段是1990年初开始的。在这一阶段，主要的工作将是发展合成新材料的新方法，发现Tc更高的新材料。在某些种材料和薄膜中的临界电流也将六大增加。预期临界电流至少能达到适合实验室应用的某个实用值。

第三阶段将于1994年开始，在这一阶段中，有些实用化产品将投放市场，尽管规模不会很大，或者只是实验室规模利用Bi化合物在液氮温度下将产生接近20 T的强磁场。磁轴承和磁屏蔽最可能先进入实用。工作于77 K的超导量子干涉仪也可能进入实用。

目前，我们正处于第二阶段的初期，高Tc超导的研究与发展将取得重大进展。

[IEEE Trans on Magnetics，1991年3月]