探索YBCO晶体结构与超导电性机理

　　再观察YBa2Cu3O7-x晶体结构，目的还是为了研究超导机理。
　　在进入主题之前，先重复一下晶体学根本概念，周期性。必须指出，它不是具体的晶体结构，是结构具有的周期性，从结构中抽象出来，用几何表达，就是晶格。三维晶体结构周期性有14种，即14种晶格。周期性就是平移性，对应着14种平移群。这是经过数学家严格论证的。
　　晶胞是从晶格中取出的基本单元，通常选取符合晶体对称性的最小单元，用这个单元在三维空间平移，可以得到整个晶体结构。 它表示的是晶格重复单元，也可以把原子种类按位置＂ 装进＂里面，统称晶胞。得一个小结论：晶胞知道了，就代表知道了整个晶体结构。这个晶体结构是唯一的，无论晶胞怎么选取都是不变的。
　　立方晶系有三种晶格，简单立方，用P代表；体心立方，用I代表；面心立方，用F代表。正交晶系有四种晶格，简单正交（P),底心正交（C），面心正交（F）和体心正交（I）。其他晶系我们暂不用，这里不说。
　　首先把钙钛矿型结构分为典型钙钛矿型（在下文中有时称原晶胞），
　　变形钙钛矿和类钙钛矿型结构，高温超导体的YBa2Cu3O7-x就是这种类钙钛矿结构。
　　为了便于记忆和理解结构需要，暂时把分子式中O的7一x中的x去掉，再加上两个O，形成YBa2Cu3O9。把它分解为三个原钙钛矿型晶胞，一个YCuO3和两个BaCuO3。‘这两种原钙钛矿型结构都选Cu为坐标原点，即Cu在立方体顶点，Y和Ba分别在各自晶胞的体心，O在立方体晶胞棱的中点。为了上下对称，将三个钙钛矿型原晶胞按Ba，Y，Ba顺序由上到下堆垛，共格面的Cu一O原子公用。＂新晶胞＂的a，b轴不变，c方向周期变了，为原晶胞三倍，立方特征对称性4个3次对称轴消失。现在特征对称轴为一个4次对称轴，形成四方晶系，P4／mmm（123）空间群。 再把丫Ba2Cu3O9去掉两个O，形成高温超导体实际结构，即YCuO2•BaCuO2.5•BaCuO2.5。去掉这两个O的位置，一个在YCuO3的c方向棱的中点，即新晶胞的【0，0，1／2】处。另外去掉一个O在新晶胞【0，1／2，0】位置。原晶胞a轴和b轴是等价的，也可以是去掉【1／2，0，0】处O，b轴上O保留。无论在那个方向去O，都降低了对称性，使晶体结构失去4次对称轴，形成a，b和c方向各自有特征对称性为对称面，正交晶系，Pmmm（47）空间群。观察这时晶体结构，在c 1／2位置形成以Y为二维晶格的无O层。在c 0位置形成一个无O空位列，Cu原子中间无O原子分隔。无O列与Y形成的二维晶格面平行。从已有报导得知，这时正交相类钙钛矿结构材料YBa2Cu3O7-x，x 0的超导转变温度Tc为90度K。随着x从0增加到小于0.5仍是正交相高温超导体。当x等于0.5或大于0.5以后，正交相开始向四方相转变，【0，1／2，0】和【1／2，0，0】位的两个O逐渐都失去，形成Cu的无O二维晶格，晶体结构又转变回四方晶系，P4／mmm（123）空间群。这时的晶体结构有无O层的丫二维晶格和无O层的Cu二维晶格。应该说这时的原三维晶体结构充分显示二维特征。实验报导这种结构不超导。按理说如果当前正在研究的（Sr0.8Nd0.2）NiO2块材能在Tc不高情况下超导，该四方相的YBa2Cu3O6在Tc不高时也应该超导。不过Ni系块材也没报导超导。膜的超导是不是和基底发生了结构关系？就不知道了。
　　现在看来结构本身导致高温超导电性已证实不可能，那就研究一下该正交相共格生长的畴结构吧！从已有资料中取相近报导重复较多者，选取正交晶系超导相晶格常数，a 0.3817nm，b 0.3884nm，c 1.166nm。以b为基准，a轴比b轴小1.7%，c 1.166／3 0.3887nm，几乎与b轴相等。c轴正好是b轴三倍。在该晶体结晶中，三个方向完全可以共格生长，形成畴区，即主晶格中存在分晶格区。这不是一般畴区。结构中处处存在，已是晶体结构的一部分。称分晶格比称畴更合适。因为畴是显微组织，而现在的共格生长已是晶体结构的内容。称畴太见外了。这种结构状态的存在很可能是这个体系高温超导电性起因。a轴，b轴和c轴之间匹配度肯定是大了不行，小了也不行，有一个合适范围。影响超导转变温度。
　　这种正交相晶体结构和分晶格形成，关键是三重原钙钛矿失去两个O到失去2.5个O形成的物相，失O位置状态决定a轴，b轴和c轴。共格生长又可以换一种说法，统一晶格中由失O状态决定了a轴b轴和c轴方向，最终形成分晶格的交界网格，应具有三维性。分晶格存在是YBa2Cu3O7-x类钙钛矿结构显著特征。它不能归类为晶体缺陷。物性实验又证明这种类钙钛矿型结构具有高温超导电性。又知道不失O的钙钛矿型结构不超导。失去2.5个O到3个O的四方相，尽管已有无O层的金属二维晶格但也不超导，失去小于2.5个O的正交相才具有超导电性。从结构特征分析，把人们已逼到墙角，高温超导电性可能来源于分晶格共格。这一结构特征出现将推动人们对晶体结构再认识。这种分晶格存在，改变了整个晶体晶格振动（声子）状态，分晶格振动互相制约，使在高Tc温度实现零晶格振动网络形成，超导电性产生。一旦这个判断得到证实，Bi系超导体不用论证，该体系是氧化铋和钙钛矿型结构超晶格。这类结构比钇系相应的结构特征更直观
　　综合上述分析，YBCO高温超导体结晶相的晶格中存在分晶格。这种分晶格形成是因为a，b和c轴可以共格生长，形成的本质是由于氧原子佔位在不同分晶格区不同。晶格振动由原子种类佔位对称性决定，形成各自独立晶格振动区。互相对抗干扰，使零晶格振动在较高温度实现，产生较高Tc超导转变。
　　依据YBCO超导体结构特征判断，为这类超导体探索提供一个方向：晶体自身的不同轴和轴间角，晶格常数相同或相近，不同轴向可以共格生长，対称性又不同，形成分晶格区，就会有较高温度的超导转变。当然这种晶体一定要有足够自由电子，在电场作用下产生足够电流，这是必须的。