超導(dǎo)材料具有零電阻特性、完全抗磁性和宏觀量子效應(yīng)等諸多常規(guī)材料所不具備的奇特性質(zhì)。利用超導(dǎo)體的這些特性可以傳輸大電流、獲得強(qiáng)磁場、實(shí)現(xiàn)磁懸浮、檢測微弱磁場信號(hào)等。目前,超導(dǎo)材料廣泛應(yīng)用于電力、電子、軍事、醫(yī)療、交通運(yùn)輸和高能物理等許多領(lǐng)域。[1,2]

　　自從1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來,超導(dǎo)材料的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)由簡單金屬到復(fù)雜化合物,即由一元系到二元系、三元系直至多元系以及高分子體系的過程。[3,4]然而,由于各自不同的本征特性、低溫條件、合成技術(shù)及其環(huán)境污染等因素,各類超導(dǎo)體的實(shí)用化水平和性能相差較大。[1]因此,如何合理、準(zhǔn)確地選擇合適、有效的理化檢測技術(shù)和表征手段對于制備性能各異的超導(dǎo)材料就尤為重要。這對研究超導(dǎo)材料物相、微觀結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能等具有重要意義。

　　本文對XRD、SEM、XAS等理化檢測新技術(shù)與新方法在研究與制備超導(dǎo)材料過程中的檢測與表征應(yīng)用進(jìn)行了簡單綜述。

　　1 X射線衍射(XRD)分析方法

　　X射線衍射技術(shù)自上世紀(jì)50年代出現(xiàn)以來,經(jīng)過不斷改進(jìn),已成為分析物質(zhì)物相和晶體結(jié)構(gòu)不可或缺的技術(shù)方法。利用XRD分析技術(shù),同時(shí)還可精確地測定晶體的取向、確定晶體的晶面間距和晶格常數(shù)等數(shù)據(jù)。因此,XRD分析也常用于超導(dǎo)材料制備過程中的表征。

　　Nb3Al超導(dǎo)材料在高磁場下具有非常高的臨界電流密度Jc和良好的應(yīng)變力,[5]具有很高的上臨界磁場29.5 T(4.2 K)和臨界電流密度800 A/mm2(12 T,4.2 K),[6]與商品化的Nb3Sn線材相比具有更好的抗應(yīng)力特性和輻照敏感性,[7]已被視為一種替代Nb3Sn在高場下大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料。李平原[8]在采用高能球磨法制備Nb3Al低溫成相超導(dǎo)體及其性能研究過程中,利用XRD分析技術(shù)輔助研究了燒結(jié)溫度、燒結(jié)保溫時(shí)間和名義化學(xué)組分對其物相演變、微觀結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)性能的影響,確定了最佳燒結(jié)溫度900℃、最佳燒結(jié)保溫時(shí)間1小時(shí)和最佳Al含量26%。

　　在高溫超導(dǎo)體研究中,YBa2Cu3O7-δ(簡稱YBCO系列)因其在晶體結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)電性、電子結(jié)構(gòu)等方面的獨(dú)特性質(zhì)而成為最受人們關(guān)注的系統(tǒng)之一。黃德馨[9]在采用溶膠凝膠法制備大尺寸YBCO系超導(dǎo)靶材時(shí),采用XRD分析方法確定了YBCO超細(xì)粉的最佳燒結(jié)溫度為850℃,此時(shí)可獲得明顯的Y123相。而采用固相法制備YBCO系超導(dǎo)靶材時(shí),由XRD分析方法確定最佳燒結(jié)溫度為950℃。

　　2 掃描電子顯微鏡(SEM)分析方法

　　掃描電子顯微鏡(SEM)是以聚焦得非常細(xì)的高能電子束為照明源,利用二次電子成像的原理得到一種較高放大倍數(shù)的光學(xué)儀器,可用以樣品表面形貌觀察、顯微斷口分析以及微區(qū)化學(xué)成分分析等,在新型超導(dǎo)材料的制備及表征過程中發(fā)揮著重要作用。

　　Nb3Al超導(dǎo)材料進(jìn)行金屬摻雜,可提供其機(jī)械合金化性能和超導(dǎo)電性。李平原[8]在Ge和Mg摻雜的Nb3(Al1-xGex)和Nb3(Al1-xMgx)的制備工藝研究過程中,利用SEM分析發(fā)現(xiàn),采用高能球磨法制備Ge摻雜量為25%的Nb3(Al1-xGex)在燒結(jié)溫度1200℃下保溫5 h可獲得理想的微觀結(jié)構(gòu)。同理,Mg摻雜量為2.5%～5.0%的Nb3(Al1-xMgx)在燒結(jié)溫度800℃下保溫10h可獲得相對細(xì)化的晶體顆粒。

　　Nb3Sn是一種典型的具有脆性A15晶體結(jié)構(gòu)的II類超導(dǎo)體。由于超導(dǎo)線材經(jīng)熱處理后無法直接繞制磁體的原因,[10]在實(shí)際制備Nb3Sn超導(dǎo)相過程中,常采用先繞制后高溫處理的制備方法。因此,制定合理的熱處理制度對于Nb3Sn超導(dǎo)相的微觀組織結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)性能具有非常重要的意義。劉章洋等利用SEM方法,對分別采用低溫延長、常規(guī)熱處理及高溫延長生成的三類Nb3Sn超導(dǎo)相進(jìn)行了微觀組織的表征,并結(jié)合EDS能譜分析Sn元素的擴(kuò)散。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在三種不同熱處理制度情況下,Nb3Sn超導(dǎo)相的微觀結(jié)構(gòu)具有相似性且亞組元Nb3Sn超導(dǎo)層中分布的Sn元素含量都比較相近,而宏觀上超導(dǎo)性能也具有相似性。即低溫延長或高溫?cái)嚯姮F(xiàn)象對Nb3Sn股線的超導(dǎo)性能影響不大。

　　3 其他方法

　　3.1 X射線吸收光譜(XAS)

　　常規(guī)的XRD技術(shù)有利于給出有序的平均晶體結(jié)構(gòu)信息,但難以提供摻雜位點(diǎn)、體系空位或局域扭曲等具體信息。而X射線吸收譜技術(shù)(XAS),結(jié)合同步輻射設(shè)施后具有元素選擇性并可提供精確的結(jié)構(gòu)信息,同時(shí)可結(jié)合第一性原理計(jì)算技術(shù)以進(jìn)一步提供體系電子結(jié)構(gòu)信息。因此,X射線吸收譜技術(shù)是研究摻雜體系的最佳技術(shù)手段。

　　在100K～200K范圍內(nèi),鐵基超導(dǎo)材料的母體化合物會(huì)發(fā)生明結(jié)構(gòu)和磁性轉(zhuǎn)變,即“自旋密度波”轉(zhuǎn)變。該轉(zhuǎn)變會(huì)反映到電子性質(zhì)、熱性質(zhì)和磁性圖上。通過化學(xué)摻雜或加壓,可以抑制其結(jié)構(gòu)和磁性有序轉(zhuǎn)變的同時(shí),使超導(dǎo)性發(fā)生。程杰在研究K元素?fù)诫s對Ba Fe2As2超導(dǎo)材料晶格動(dòng)力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)的影響時(shí),利用XAS方法,發(fā)現(xiàn)K摻雜可調(diào)節(jié)體系的晶格結(jié)構(gòu)。K摻雜濃度的增大,可增加Fe層原子的無序度,且無序度的增加程度和K摻雜后的Fe-Fe鍵軟化密度有關(guān)。同時(shí),K摻雜后,Fe邊邊前峰和As邊肩峰峰強(qiáng)會(huì)升高,從而表明Ba1-xKxFe2As2超體系中的空穴載流子具有Fe-3d/As-4p特性。

　　3.2 穆斯堡爾譜研究研究技術(shù)

　　由于穆斯堡爾效應(yīng)得到的穆斯堡爾譜線寬Γ與核激發(fā)態(tài)平均壽命所決定的自然線寬ΓH在同一量級,具有極高的能量分辨率,因此已成為研究固體中超精細(xì)相互作用的有效手段。穆斯堡爾譜方法具有分辨率高、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、對試樣無破壞和實(shí)驗(yàn)技術(shù)較為簡單等特點(diǎn),在超導(dǎo)材料的磁性及相變研究中的應(yīng)用越來越廣泛。

　　鐵基超導(dǎo)材料的磁性與超導(dǎo)電性有一定關(guān)系。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為,抑制反鐵磁轉(zhuǎn)變后會(huì)出現(xiàn)自旋漲落,而這可能對觀察到的超導(dǎo)電性有關(guān)鍵作用。因此,對鐵基超導(dǎo)體中的磁性及相變的詳細(xì)研究對于理解磁性與超導(dǎo)電性之間的關(guān)系以及對反鐵磁相變的物理根源具有重要意義。李志偉利用穆斯堡爾譜詳細(xì)研究了Sr Fe As F和Ae Fe2As2(Ae=Ca,Sr)母體超導(dǎo)體材料。研究表明,Sr Fe As F的電子結(jié)構(gòu)受其結(jié)構(gòu)相變的影響較小,而費(fèi)米面附近電荷卻因建立反鐵磁序后進(jìn)行了重新分布。在擬合了Ae Fe2As2(Ae=Ca,Sr)樣品的超精細(xì)場與溫度變化間的關(guān)系后,發(fā)現(xiàn)兩者的磁-結(jié)構(gòu)相變相同。作者認(rèn)為該相變可能是由于材料中存在很強(qiáng)的磁晶耦合相互作用,且順磁相與反鐵磁相在高頻模段存在非常相近的晶格動(dòng)力學(xué)行為。

　　4 小結(jié)

　　超導(dǎo)材料越來越成為一種具有經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略意義和巨大發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)新型材料,將會(huì)對國民經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動(dòng)作用。X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線吸收光譜(XAS)等新的理化檢測技術(shù)和表征手段對于超導(dǎo)材料研制具有重要意義。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]蔡傳兵，劉志勇，魯玉明實(shí)用超導(dǎo)材料的發(fā)展演變及其前景展望[J]中國材料進(jìn)展,2011,30(03):1-8.

　　[2]聞�；�.新型高溫超導(dǎo)材料研究進(jìn)展[J]材料研究學(xué)報(bào),2015,29(04).241-254.

　　[3]王岳高溫超導(dǎo)材料及其應(yīng)用前瞻[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2013,28(02):1-7.

　　《檢測新技術(shù)與新方法在超導(dǎo)材料方面的應(yīng)用》來源：《科技風(fēng)》，作者：杜錫勇 余錫孟 舒?zhèn)?/p>

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