La0.7Sr0.3MnO3掺杂对(Bi, Pb)-2223高温超导体临界电流密度和磁通钉扎性能的影响机制研究

针对Bi基高温超导体(BSCCO)在磁场下磁通钉扎弱、晶间连接差等问题，研究人员通过掺入La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)探究其对(Bi, Pb)-2223超导体临界电流密度(Jc)和钉扎力密度(Fp)的影响。研究发现LSMO会改变高场区表面钉扎行为，并揭示晶粒尺寸与钉扎性能的关联性，为优化BSCCO超导性能提供新思路。

　　

在液氮温区(77 K)下工作的Bi系高温超导体(BSCCO)因其优异的机械性能和超高临界磁场(H_c2)，被广泛应用于超导电缆、磁共振成像等尖端领域。然而这类材料存在致命的"阿喀琉斯之踵"——在外加磁场下，其磁通钉扎能力会急剧衰减，导致临界电流密度(J_c)大幅降低。这主要源于BSCCO材料固有的晶界弱连接、高各向异性等结构特性。就像试图用漏勺盛水，超导电子对在磁场中会因缺乏有效的"锚定点"而轻易逃逸。

为解决这一难题，韩国国立研究基金会(NRF)支持的研究团队独辟蹊径，选择将具有铁磁特性的钙钛矿材料La_0.7Sr_0.3MnO₃(LSMO)引入(Bi, Pb)-2223超导体。这种"磁性掺杂"策略犹如在超导材料中埋设微型磁铁，理论上可通过磁通钉扎效应锁住量子涡旋。研究人员采用经典的固态反应法，制备了LSMO掺杂量达1.5 wt%的系列样品，通过扫描电镜(SEM)、磁化测量等技术系统分析了微观结构与超导性能的关联。

关键技术方法
通过固态反应法制备(Bi, Pb)-2223多晶样品，采用X射线衍射(XRD)分析相纯度，扫描电镜(SEM)观察表面形貌，四探针法测量电阻-温度曲线确定临界温度(T_c)，基于Bean模型计算临界电流密度(J_c)，并建立理论模型分析钉扎力密度(F_p)变化规律。

结果与讨论
微观结构演变
SEM图像清晰显示，随着LSMO掺量增加，(Bi, Pb)-2223特征性的片状晶粒逐渐出现取向紊乱。当掺杂量达1.0 wt%时，样品表面出现针状结构和孔隙，这种"创伤性"形貌变化暗示LSMO可能破坏了超导相的连续性。

超导性能变化
未掺杂样品的T_c为106.65 K，而1.5 wt% LSMO掺杂使T_c降至102.48 K。有趣的是，1.0 wt%掺杂样品(BL10)的T_c出现反常回升至105.01 K，这种"浴盆曲线"现象暗示存在最佳掺杂阈值。

磁通钉扎机制
通过Bean模型计算的J_c呈现单调下降趋势，表明过量LSMO反而削弱了超导性能。但钉扎力密度分析揭示，LSMO在高磁场区域(>1 T)显著改变了表面钉扎行为，这种"磁场选择性"调控为理解钉扎机制提供了新视角。

结论与意义
该研究首次系统阐明了LSMO掺杂对(Bi, Pb)-2223超导体的双重作用：一方面，过量掺杂会通过破坏晶粒取向降低J_c；另一方面，适度掺杂可优化高场区钉扎行为。更重要的科学发现是建立了晶粒尺寸与钉扎性能的定量关系，这为设计"磁通钉扎-超导性能"协同优化的复合材料提供了理论依据。相关成果发表在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》，为发展下一代强场超导材料开辟了新路径。