晶体学视角探索铌锡超导合金Nb3Sn超导电性的产生

晶体学视角探索铌锡超导合金Nb3Sn超导电性的产生

化学式为A3B型化合物超导体被定义为A15型晶体结构。这种类型晶体包含一大类化合物超导体,Nb3Sn、V3Ga、V3Si、Nb3Al、Nb3Ga和Nb3Ge等多种同型结构,即有相同空间群,相同晶格,同型分子式,原子占位 分别在同一空间群Pm3n中相同特殊等效位置(坐标无可变参数)。

自1911年发现单质Hg在4.15K呈现超导电性后,逐渐发现新的超导体,提高超导转变温度,直到发现高温超导体。本文作者探索的路径正好相反,不是从一种理论起步,而是来自大量的实验和观察。首先接触的是高温超导体结构和性能关系的探索。研究晶体结构和超导电性关系,在高温超导体中,晶格错配和超晶格是这类超导体重要结构持征,从而走上了由高向低,探索不同结构超导体的超导机理之路。前不久伟大的石墨烯实验又证实了晶格错配和超晶格产生超导电性。使作者更加相信,用晶体学视角探索超导体的超导机理可以继续前进。本文走进以Nb3Sn为代表探索A3B型低温超导体的超导机理。

Nb3Sn是发现应用较早的低温超导体。临界转变温度Tc 18.1K,临界磁场Hc 22.5T(4.2K)实用主要用于超导磁体。

该晶体结构为Pm3n(223)空间群,立方晶系,简单晶格,一个简单晶胞中含两个分子(式)Nb3Sn,即Z 2。晶格常数a 0.5290nm。参考数据来源于PDF,序号为19一875。晶体结构见图1.(a)。该图是依据网上查到的同型结构Nb3Ge结构图1.(b)作参考,依据空间群表用手工另画的。因为网上图只能参考不能用,似是“两个晶胞”,又不像立方,每个晶胞原子位置表达模糊,而且不全。但参考意义还是很大的。因为Pm3n(223)空间群,特殊等效位置a是两个等效点,正好Sn原子占据。而6个Nb原子占据的等效位置有b、c、d三种可能等效位置。如果没有图1.(b)作参考就不敢确定Nb的占位是哪一组。参考图1.(b)后,才可以确定Nb3Sn晶体结构中Nb原子占6d位。这才可以依据空间群表写出原子坐标,画出结构图。如图1.(a)所示的原子分数坐标:

2Sn:0,0,0;

1/2,1/2,1/2。

6Nb:1/4,1/2,0;

3/4,1/2,0;

(前后一对原子)

0,1/4,1/2;

0,3/4,1/2;

(左右一对原子)

1/2,0,1/4

1/2,0,3/4l

(上下一对原子)

请注意周期性概念。两对面画出的两个原子那是同一个原子。顶角画出的8个原子是同一个原子。只有体心上原子,才一个是一个。

图1.(a)手工绘制的Nb3Sn晶体结构图。小黑球为Sn原子,大红球为Nb原子

图1.(b)网上搬来Nb3Ge晶体结构图。小兰色球为Ge原子,大红球为Nb原子

有了具有原子分数坐标的晶体结构模型,就可以从不同视角仔细观察Nb3Sn结构特征。图1.(a)可以发现,分别在等价的a,b,c方向原子层都是2层一重复,4层一个周期(晶格),Nb2Sn层,Nb层,Nb2Sn层,Nb层,Nb2Sn层,……。最后一层相当于第一层,完成晶体结构一个周期。在Nb2Sn原子层中,由于2Nb平行排在Sn成正四方排布结构间隙。借用图2.说明这层原子排布与对称性特征。实际上Nb3Sn晶体结构原子大小也不是这样,原子间距也不是这样。见下面分析。

图2.借用此图呈现原子排布和二维对称性

使二维晶格失去4次对称性,只有2次轴和两个对称面。a、b、c的三维方向排列形成立体网格状。先看面内原子列排列,Sn列,Nb列,Sn列,Nb列……,两列一重复。两原子列之间距离是晶格常数的1/2,等于0.2645nm。两种原子列上的原子各自是等间距,Sn原子的间距是Nb的2倍,即为0.2645nm,Nb原子间为0.13225nm。查表得Sn的共价半径数值,计算得到直径为0.268nm,查得金属键Sn原子直径为0.280nm。表明Sn原子列原子间以共价键为主。查得6配位4价Nb离子半径为0.068nm,两离子“球”碰“球”,即直径为0.136nm。与Nb3Sn晶体结构中Nb列的列内原子之间的间距0.132nm十分相近。表明Nb原子列中的原子接近4价6配位离子键。

再看Sn原子,原点位置(0,0,0)的Sn和体心位置(1/2,1/2,1/2)的Sn之间的间距为晶胞的体对角线的1/2,即0.485nm。查阅Sn的原子半径,共价半径,金属半径,离子半径,其直径都没有这么大。由此得出结论,Nb3Sn的晶体结构不是模型所示那样,认为Sn原子排在成体心立结构,Nb原子在三个轴方向分别插入其结构间隙中。而正好相反,是Nb原子在三个轴方向排列成原子列,间隔一定距离,没有公用结点,形成三维立体“框架”状。Sn原子以体心立方排布状态插入框架形成的Nb多面体间隙中。坐标原点的Sn和体心位置的Sn有不同Nb原子配位。原点的Sn与6个近临Nb配位,体心的Sn与12个Nb原子配位。两种位置配位不同,但Sn一Nb间最小间隙是相同的,都是矢量(1/2)a (1/4)b,即 {(0.5a)^2+(0.25a)^2} 0.2957nm。从原子半径,共价半径,金属半径和离子半径表查得结果,介于原子半径和金属半径之间。如果二者是原子半径“球”碰“球”,两原子间距为0.308nm,大了。如果是金属半径球碰球,两原子间距为0.283nm,小了。从而判断Nb一Sn之间应该介于原子键和金属之间。

通过上述分析,可以概括表述Nb3Sn型晶体结构特征。Nb原子分别成等间距排成一维原子列。原子列分别在互为垂直的方向成二维平面排列,並巧妙的实现原子列没有共同结点(不相交)的三维立体“网格”结构,形成结构的“骨架”。Sn原子占位在这种骨架结构的两种多面体间隙中。立方晶胞的体心位置,Sn原子与Nb原子形成12配位;顶角位置(原点)的Sn原子与Nb原子成6配位。

现在可以探索Nb3Sn超导机理了。在降低温度或加压作用下晶体结构内部因不同部分动作並不协同,能量升高,达到一定程度产生结构调整。对现在探索的Nb3Sn型晶体结构来说,总体上说就是Nb所形成的结构“框架”,与成体心立方排布Sn动作不协同,可以分两种视角说明同一机制。第一种,结构中三个方向的二维晶格,均存在一个Nb和Sn间隔排列的原子列,由于两种原子列状态和物理化学性质不同,在降温或升压时,动作不协同,升高结构能量。第二种视角,Sn原子在Nb原子框架结构中,占据不同配位的两种多面体间隙中。在降温或升压过程中,二者动作不协同,升高结构能量。无论那种视角,当能量升高到一定程度,产生结构调整,释放能量,形成晶畴(分晶格)或超晶格。产生不同区域晶格振动,对抗干扰或钉扎,在高于绝对零度以上18.1K呈现零晶格振动,产生超导电性。

总括以前探索的超导体和本文探索的Nb3Sn的超导机理,一个结论,一个观点:超导电性产生于晶体结构,形成分晶格或超晶格,促使晶格振动在稍高于(单质金属),高于(低温超导体)或远高于(高温超导体)绝对零度,呈现晶格振动为零,产生超导电性。

在题外作者想说几句话

该文在起步时从网上得到的结构模型只能看不能用,需要依据空间群重新给出原子坐标和结构图。因为作者手头没有空间群表,是中国科学技术大学微结构实验室(理化分析中心)高关胤老师提供空间群表和空间群Pm3n(223)页面。起了重要作用。他以前也曾给作者提供过当前材料科学研究进展信息。在这里一并表示感谢!

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