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铋锶钙铜氧

高溫超導體家族

铋锶钙铜氧或铋锶钙铜氧化物（英語：Bismuth strontium calcium copper oxide，BSCCO）是一种铜氧超导体材料，化学式为Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x，其中最常见的为n=2，n=1和3也研究得较多。BSCCO于1988年发现[1]，是发现的第一种无稀土元素的高温超导体。

边长约为1 mm的BSCCO立方体样品

BSCCO作为一种铜氧超导体，其具有二维层状结构（钙钛矿结构），其超导性质发生在Cu-O平面。BSCCO连同钇钡铜氧（YBCO）是研究最多的两种铜氧超导体。

BSCCO的命名常用Bi加上代表化学式中金属原子个数的序列表示。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与铊钡钙铜氧族（TBCCO，Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x）和汞钡钙铜氧族（HBCCO，HgBa2Can−1CunO2n+2+x）超温超导体相似。而且其超导临界温度Tc随n先增加后下降。如Bi-2201 Tc ≈ 33 K；Bi-2212 Tc ≈ 96 K；Bi-2223 Tc ≈ 108 K； Bi-2234 Tc ≈ 104 K。但最后一种很难合成。

超导线和超导带

 
在实际运用中, BSCCO常通过粉末套管法（powder-in-tube）与金属银轧制成带状使用

BSCCO是一种实际运用的超导电线的高温超导体材料。和其他高温超导体一样，具有十分短的相干长度，其约为1.6 nm。这意味着导线中的晶粒之间需要极其严苛地良好接触，即达到原子级光滑度。此外，由于超导性基本仅存在于Cu-O平面，因此晶粒必须具有晶体学排列。因此BSCCO是一种很好的候选材料，因为其晶粒排列可以通过熔融加工或机械变形来实现。BSCCO晶体中双层Bi-O平面之间通过范德华力这种弱键连接，因此其像石墨和云母一样，受到形变使得Bi-O平面之间发生滑移，晶粒间受到形变并倾向于形成有序排列。因此BSCCO作为第一代高温超导线材（1G HTS wire）已被诸如美国超导公司（AMSC）和日本住友集团（Sumitomo）等企业生产多年，即使美国超导公司现在已经不再生产BSCCO导线，取而代之的是第二代YBCO材料[來源請求]。

BSCCO超导带状材料通常采用粉末套管法制得。将BSCCO前驱体粉末装入一个银管中，通过挤压来减少直径，然后重新装入多个银管中挤压，经过多次重复直径不断减少，最后经过钆制确保形成晶粒有序排列，并可同时得到扁平的带状材料。然后，这些带在高温下发生反应，形成致密的、晶体排列整齐的Bi-2223多丝导电带材，并用于缠绕变压器、磁铁、电动机和发电机的电缆或线圈中[2][3]。

典型的超导带为4 mm宽，0.2 mm厚，在77 K下可承受200 A的电流，使得Bi-2233得到5000 A/mm2的临界电流密度。该值随着温度的降低而显著上升，因此许多应用是在30-35 K下实现的，尽管Tc高达108 K。

发现过程

BSCCO由日本国家金属研究中心的前田弘（日语：まえだ ひろし Maeda Hiroshi）研究组于1988年发现[1]，但无法确定确定其精确组成和结构。几乎同一时期，杜邦的Mas Subramanian（英语：Mas Subramanian）研究组[4]和贝尔实验室的Cava研究组[5]等几个研究组确定了Bi-2212的组成和结构。而Bi-2223由于非常难以捉摸，直到一个月后由新西兰政府研究实验室的Tallon研究组得以确认[6]。此后BSCCO材料的开发没有得到较大的改进。早期一项关键的改进是用Pb取代约15%的Bi，使得Bi-2223的形成加快和质量提高。

 
Bi-2212的晶胞结构图，从(1/2,0,0)出发出现两个重复单元。其他BSCCO也具有相似的结构：Bi-2201的上半部和下半部少了一个CuO2层，且没有Ca层。Bi-2223则在上下两个半部多了一个CuO2层和Ca层。

性质

BSCCO需要过量的氧原子（也就是化学式中的x）来形成空穴掺杂，才能得到超导性质。其超导临界转变温度Tc对掺杂浓度非常敏感。对于Bi-2212，每个Cu原子上过量约0.16个空穴时达到最高Tc[7][8]，也就是最佳掺杂浓度。此外，掺杂程度过低的样品被称为欠掺杂，而掺杂程度过高的样品则是过掺杂，偏离最佳掺杂浓度都会使得Tc下降。因此可以通过改变氧含量来调控Tc

施加外部压力通常会使欠掺杂样品的Tc升高到远超过环境压力下的最大值，但这一现象尚不完全清楚，可能是压力增加了掺杂浓度这一副作用导致。Bi-2223结构很复杂，有三个不同的Cu-O平面，两个外部Cu-O层通常接近最佳掺杂浓度，而中间Cu-O层则明显掺杂不足。因此，对Bi-2223 施加压力会导致Tc先升高到约123 K的最大值，此时外层的两个Cu-O达到最佳掺杂浓度。随着压力增加，Tc先下降，然后再增加又达到140 K的新最大值，此时内层的Cu-O达到最佳掺杂浓度。因此，如何同时优化所有Cu-O层是一个具有挑战性的难题。

BSCCO是第二类超导体，Bi-2212多晶的在4.2 K下测得的上临界磁场Hc2为200 ± 25 T，高于YBCO多晶的168 ± 6 T[9]。在实际运用中，高温超导体受限于可逆磁场H*的限制。也就是超过该磁场强度，磁涡旋会融化或解耦。尽管BSCCO的上临界磁场比YBCO高，但其H*却低得多，通常小100倍[10]。因此限制了其在制造高场磁体中的应用。正是由于这个原因，尽管YBCO的制造难度要大得多，但人们仍然更倾向于使用YBCO。

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参考文献

  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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