再觀察YBa2Cu3O7-x晶體結構,目的還是為了研究超導機理。
在進入主題之前,先重複一下晶體學根本概念,週期性。必須指出,它不是具體的晶體結構,是結構具有的週期性,從結構中抽象出來,用幾何表達,就是晶格。三維晶體結構週期性有14種,即14種晶格。週期性就是平移性,對應著14種平移群。這是經過數學家嚴格論證的。
晶胞是從晶格中取出的基本單元,通常選取符合晶體對稱性的最小單元,用這個單元在三維空間平移,可以得到整個晶體結構。 它表示的是晶格重複單元,也可以把原子種類按位置“ 裝進”裡面,統稱晶胞。得一個小結論:晶胞知道了,就代表知道了整個晶體結構。這個晶體結構是唯一的,無論晶胞怎麼選取都是不變的。
立方晶系有三種晶格,簡單立方,用P代表;體心立方,用I代表;面心立方,用F代表。正交晶系有四種晶格,簡單正交(P),底心正交(C),面心正交(F)和體心正交(I)。其他晶系我們暫不用,這裡不說。
首先把鈣鈦礦型結構分為典型鈣鈦礦型(在下文中有時稱原晶胞),
變形鈣鈦礦和類鈣鈦礦型結構,高溫超導體的YBa2Cu3O7-x就是這種類鈣鈦礦結構。
為了便於記憶和理解結構需要,暫時把分子式中O的7一x中的x去掉,再加上兩個O,形成YBa2Cu3O9。把它分解為三個原鈣鈦礦型晶胞,一個YCuO3和兩個BaCuO3。‘這兩種原鈣鈦礦型結構都選Cu為座標原點,即Cu在立方體頂點,Y和Ba分別在各自晶胞的體心,O在立方體晶胞稜的中點。為了上下對稱,將三個鈣鈦礦型原晶胞按Ba,Y,Ba順序由上到下堆垛,共格面的Cu一O原子公用。“新晶胞”的a,b軸不變,c方向週期變了,為原晶胞三倍,立方特徵對稱性4個3次對稱軸消失。現在特徵對稱軸為一個4次對稱軸,形成四方晶系,P4/mmm(123)空間群。 再把丫Ba2Cu3O9去掉兩個O,形成高溫超導體實際結構,即YCuO2•BaCuO2.5•BaCuO2.5。去掉這兩個O的位置,一個在YCuO3的c方向稜的中點,即新晶胞的【0,0,1/2】處。另外去掉一個O在新晶胞【0,1/2,0】位置。原晶胞a軸和b軸是等價的,也可以是去掉【1/2,0,0】處O,b軸上O保留。無論在那個方向去O,都降低了對稱性,使晶體結構失去4次對稱軸,形成a,b和c方向各自有特徵對稱性為對稱面,正交晶系,Pmmm(47)空間群。觀察這時晶體結構,在c=1/2位置形成以Y為二維晶格的無O層。在c=0位置形成一個無O空位列,Cu原子中間無O原子分隔。無O列與Y形成的二維晶格面平行。從已有報導得知,這時正交相類鈣鈦礦結構材料YBa2Cu3O7-x,x=0的超導轉變溫度Tc為90度K。隨著x從0增加到小於0.5仍是正交相高溫超導體。當x等於0.5或大於0.5以後,正交相開始向四方相轉變,【0,1/2,0】和【1/2,0,0】位的兩個O逐漸都失去,形成Cu的無O二維晶格,晶體結構又轉變回四方晶系,P4/mmm(123)空間群。這時的晶體結構有無O層的丫二維晶格和無O層的Cu二維晶格。應該說這時的原三維晶體結構充分顯示二維特徵。實驗報導這種結構不超導。按理說如果當前正在研究的(Sr0.8Nd0.2)NiO2塊材能在Tc不高情況下超導,該四方相的YBa2Cu3O6在Tc不高時也應該超導。不過Ni系塊材也沒報導超導。膜的超導是不是和基底發生了結構關係?就不知道了。
現在看來結構本身導致高溫超導電性已證實不可能,那就研究一下該正交相共格生長的疇結構吧!從已有資料中取相近報導重複較多者,選取正交晶系超導相晶格常數,a=0.3817nm,b=0.3884nm,c=1.166nm。以b為基準,a軸比b軸小1.7%,c=1.166/3=0.3887nm,幾乎與b軸相等。c軸正好是b軸三倍。在該晶體結晶中,三個方向完全可以共格生長,形成疇區,即主晶格中存在分晶格區。這不是一般疇區。結構中處處存在,已是晶體結構的一部分。稱分晶格比稱疇更合適。因為疇是顯微組織,而現在的共格生長已是晶體結構的內容。稱疇太見外了。這種結構狀態的存在很可能是這個體系高溫超導電性起因。a軸,b軸和c軸之間匹配度肯定是大了不行,小了也不行,有一個合適範圍。影響超導轉變溫度。
這種正交相晶體結構和分晶格形成,關鍵是三重原鈣鈦礦失去兩個O到失去2.5個O形成的物相,失O位置狀態決定a軸,b軸和c軸。共格生長又可以換一種說法,統一晶格中由失O狀態決定了a軸b軸和c軸方向,最終形成分晶格的交界網格,應具有三維性。分晶格存在是YBa2Cu3O7-x類鈣鈦礦結構顯著特徵。它不能歸類為晶體缺陷。物性實驗又證明這種類鈣鈦礦型結構具有高溫超導電性。又知道不失O的鈣鈦礦型結構不超導。失去2.5個O到3個O的四方相,儘管已有無O層的金屬二維晶格但也不超導,失去小於2.5個O的正交相才具有超導電性。從結構特徵分析,把人們已逼到牆角,高溫超導電性可能來源於分晶格共格。這一結構特徵出現將推動人們對晶體結構再認識。這種分晶格存在,改變了整個晶體晶格振動(聲子)狀態,分晶格振動互相制約,使在高Tc溫度實現零晶格振動網路形成,超導電性產生。一旦這個判斷得到證實,Bi系超導體不用論證,該體系是氧化鉍和鈣鈦礦型結構超晶格。這類結構比釔系相應的結構特徵更直觀
綜合上述分析,YBCO高溫超導體結晶相的晶格中存在分晶格。這種分晶格形成是因為a,b和c軸可以共格生長,形成的本質是由於氧原子佔位在不同分晶格區不同。晶格振動由原子種類佔位對稱性決定,形成各自獨立晶格振動區。互相對抗干擾,使零晶格振動在較高溫度實現,產生較高Tc超導轉變。
依據YBCO超導體結構特徵判斷,為這類超導體探索提供一個方向:晶體自身的不同軸和軸間角,晶格常數相同或相近,不同軸向可以共格生長,対稱性又不同,形成分晶格區,就會有較高溫度的超導轉變。當然這種晶體一定要有足夠自由電子,在電場作用下產生足夠電流,這是必須的。