2Cu3O7-δ系列超导体的研究概况'> 烧结法制备YBa2Cu3O7-δ系列超导体的研究概况

摘要 YBa2cu3o7-δ系列超导体是高温超导材料中研究最多和应用最为广泛的超导体之一。本文概括介绍了国内外有关烧结法制备YBa2Cu3O7-δ系列超导体的弱连接问题、输运性质、电磁性质及烧结工艺等方面的研究概况，对高临界电流密度YBa2Cu3O7-δ超导体的制备及理论分析具有重要的参考价值。

关键词 YBa2Cu3O7-δ超导体，烧结法，晶粒间界

1引 言

烧结法是传统制备yba2cu3o7-δ超导体的传统方法，由于所制取样品的临界电流密度很低，因此没有多大的实用价值，然而作为其它工艺的初级阶段或研究基础[1]，仍具有很大的研究价值。以下是国内外有关烧结法制备YBa2Cu3O7-δ系列超导体的弱连接问题、输运性质、电磁性质及烧结工艺等方面的研究概况。

2与超导体晶粒间界的弱连接相关的概念

概括各种研究结果[2～5]可知，晶界弱连接产生的原因主要有以下几点：

（1） 超导晶粒取向的各向异性导致大角度晶界处的弱连接。弱连接引起了超导电流的重新分布，同时穿过大角度晶界电流的流量也会受到严重限制[6]，因此超导体的临界电流密度大大降低。

（2） 晶界处化学成分（如阳离子或氧的化学配比）的偏差、第二相的存在以及不佳的晶体结构等都会导致晶界处的弱连接。晶界处的第二相粒子一般都是非超导相粒子。

（3） 超导体热膨胀的各向异性导致了晶界处的微裂纹p位错及孔隙等缺陷的存在，晶界处的缺陷严重影响着电子结构，因此降低了超导体的临界电流密度。

大量文章表明[7～9]，晶界区的临界电流密度与温度满足以下关系:JC～(1-T/TC)n。n值不同,表明晶界弱连接的类型不同。n=1、1.5、2时,结的类型分别为SIS(Superconductor Insulator Superconductor)、SINS(Superconductor Insulator Metal Superconductor)和SNS(Superconductor Metal Superconductor)。影响超导结类型的因素有：烧结气氛、退氧情况等。烧结气氛中氧偏压不同，将产生不同的结。烧结气氛分别为氩气、空气和氧气时，结的类型分别对应为SIS、SINS和SNS[8]。烧结气氛中的氧偏压降低，TC和JC会相应增加。这是因为氧偏压的降低会促使烧结样品晶粒的长大和样品密度的增加，由此改善了超导晶粒间的连接。退氧时氧含量的减少使晶界处的能量有所降低，由此导致晶界弱连接结由SNS型转变为SINS型[9]。

3 烧结法制备YBCO系列超导体的输运性质及电磁性质

临界态模型在研究烧结超导体的输运性质尤其是在临界电流密度的估算方面具有重要意义[4,10]。J.W.Ekin等人指出临界态模型仅适用于均匀超导体，对非均匀超导体，传导电流与磁化电流明显不同，临界态模型失效[5]。

J.L.Gonzalez等人指出，在低场下，烧结超导体晶界区的平均临界电流密度与磁场的关系为JC(B)～B-1，而在高场情况下，则为JC(B)～B-0.5。Fraunhofer或Airy型较为复杂的单一晶界区的Jc(B)关系如下：JC(B)∝sin(wπ/a0)/(wπ/a0), 其中a0=1.02 是晶粒内部Abrikosov涡旋线之间的距离，w是弱连接宽度[11]。 C.A.M.dos Santos等人研究了弱连接超导体的电阻行为与4种磁场区域的关系[12]。4种磁场区域的分布及对应的电阻行为如下：

0≤H≤HC1J(HCIJ为晶界区下临界场), R=0，此时磁通线未进入样品；

HC1J

HC2J

HC1AHC2A时，R增大为正常电阻。

Ch.Jooss等人研究了晶界处的静电势。对于纯的YBCO超导体，位错处静电势为负表明位错中心区域价态不平衡，由此会导致载流子的重新分布。而掺杂Ca在降低这种静电势的同时会提高晶粒间界处的临界电流密度。这表明载流子的重新分布是高温超导块体中晶粒间界处电流受抑制的主要机理[6]。

K.C.Hung等人的研究表明，晶界处的有效钉扎势U(T,H,J)与电流密度J的关系为：U(T,H,J)∝J-u(其中u=0.66)。此关系式进一步表明，晶界弱连接表现为一种集体钉扎行为。同时他们指出交流磁化率测量结果中交流磁化率的虚部有两种峰：晶界处的峰和晶粒内部的峰。随着直流场的增加（0～0.022mT），晶界处的峰迅速向低温区移动而晶粒内部峰几乎不移动。此结果表明弱连接对外场的变化极为敏感[13]。

4烧结工艺简介

烧结工艺方面的研究包括纯Y123粉的制备[14]、初始粉体颗粒大小对成形样品的密度及临界电流密度的影响[15]、化学反应合成条件等对YBCO超导体形貌及均匀度的影响[16]、元素掺杂及替代[17,18]、具有不同离子半径的ReBCO(Re=Nd,Eu,Gd,Dy,Y,Ho,Er等)超导体烧结温度及烧结时间的择优选取等[19,20]。

实验表明，多次研磨多次烧结有利于提高Y123粉体的纯度，而初始粉体粒度最好在1μm以下[14]。若初始粉体粒度在10μm左右，这样获得的Y123粉体较粗，且由于烧结作用容易凝聚成块。Prakhya Ram等人指出，Y123初始粉体颗粒尺寸越小，成形样品密度越大，临界电流密度也越高。当粉体尺寸小于1μm时，密度随颗粒大小的变化趋于平缓[21]。Rajiv等人指出Ca掺杂的超导块正交性和临界温度TC随掺杂量X（0≤X≤0.2）的增加而降低的主要原因是过掺杂和由Ca掺杂引起的Cu2O面的无序。与此相反，孪晶密度随X的增加使孪晶界称为有效的钉扎中心[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半径越小，ReBaCuO-123相形成的速率和分解温度越低，形成的粉体也越不稳定。因此对于Re-ion半径较小的ReBaCuO系列，烧结温度应降低，同时要延长烧结时间。由此可见，烧结温度可随Re-ion半径的增加而适当提高。

5总 结

本文主要介绍了国内外有关烧结法制备 系列超导体的弱连接问题、输运性质、电磁性质及烧结工艺等方面的研究概况。烧结法制备 系列超导体的理论研究及制备工艺对高临界电流密度 超导体的制备及理论分析具有重要的参考价值。

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