添加Sm和Nd的YBCO陶瓷的改进热分解合成法：相演变、微观结构和超导性能

《Physica B: Condensed Matter》：A modified thermal decomposition synthesis of Sm-and Nd-added YBCO ceramics: Phase evolution, microstructure, and superconducting properties

【字体：大中小】 时间：2026年10月30日 来源：Physica B: Condensed Matter 2.8

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　　•首次通过无溶剂MTD路线对YBCO中Sm和Nd添加进行了比较研究。•所有样品均保留了主导的正交Y-123相，并具有稳定的正交性。•0.5 wt.% Nd获得了最高的Tc-onset（94.69 K）和Jcm（4.19 A/cm2）。•在所有浓度下，Nd均优于Sm，显示出更优异的

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首次通过无溶剂MTD路线对YBCO中Sm和Nd添加进行了比较研究。
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所有样品均保留了主导的正交Y-123相，并具有稳定的正交性。
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0.5 wt.% Nd获得了最高的T_c-onset（94.69 K）和J_cm（4.19 A/cm²）。
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在所有浓度下，Nd均优于Sm，显示出更优异的掺杂剂选择性。
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MTD路线实现了相纯YBCO陶瓷的可规模化合成。

引言

具有优异物理性能的先进功能材料的开发已成为现代材料科学的核心焦点，这是由能源、电子和量子器件技术的新兴需求所驱动的。在此背景下，高温超导体（HTSs）因其在变革性技术应用中的潜力及其在凝聚态物理中的基础重要性而持续吸引研究兴趣 [1]。在高温超导体中，YBa₂Cu₃O_7-δ（YBCO）仍然是研究最广泛的材料之一，这归因于其相对较高的超导转变温度（T_c）、在外加磁场下的强磁通钉扎能力以及相对良好的机械性能。这些特性使其能够广泛应用于从电力设备和磁悬浮系统到陀螺仪、非接触轴承、减振器和空间推进技术等多个领域 [2], [3]。尽管具有这些优势，但进一步提高超导性能，特别是T_c和临界电流密度（J_c），仍然是一个核心挑战。已报道的铜氧化物超导体的最高T_c值在高压下接近164 K，这一结果无法在传统的Bardeen–Cooper–Schrieffer（BCS）框架内完全解释 [4]。这一局限性促使人们持续努力阐明高温超导体的配对机制，并通过化学改性和微观结构工程来优化其宏观超导性能。

稀土（RE）元素的掺入已成为调控YBCO基体系超导性能的有效策略 [5], [6]。RE改性YBCO的超导性能强烈受晶体结构、氧化学计量比、添加剂的类型和浓度以及取代位点的支配。氧化学计量比的变化对电阻率、T_c和微观结构特征具有关键影响。在多晶高温超导体中，晶界经常充当弱连接，从而限制了J_c [7], [8]。RE元素的离子半径和价态决定了其在YBCO晶格中的溶解度和位点占据，这直接影响超导性能 [9], [10]。先前的研究表明，用具有大磁矩的RE元素部分取代Y³⁺通常对T_c影响很小，同时增强了晶粒连接性和磁通钉扎。相比之下，涉及不同价态或离子半径的离子（如Ca²⁺或Pr³⁺）的取代可以显著改变空穴浓度和超导性能，具体取决于取代位点 [10], [11]。例如，用Ca²⁺取代Y³⁺（具有相似的离子半径但价态较低）会增加YBCO体系中的空穴浓度 [12]。类似地，Pr取代表现出位点依赖效应：当Pr占据Ba位点时T_c降低，而Y位点的取代则产生相对较高的T_c值 [13], [14]。在通过三氟乙酸金属有机沉积（TFA-MOD）方法制备的Eu掺入YBCO薄膜以及低浓度Co和Zn添加的薄膜中，也报道了J_c的增强 [15]。此外，RE掺入和引入第二相纳米颗粒（包括Al₂O₃、HfO₂和RE₂O₃化合物）已被广泛证明可通过产生有效的磁通钉扎中心来增强J_c，尽管这种改善有时可能伴随着T_c的轻微降低 [16], [17]。

在轻稀土元素中，钐（Sm）和钕（Nd）因其有利的离子半径和与YBCO晶格的化学相容性而特别受关注 [18], [19]。Sm添加与改善的磁通钉扎和增强的载流能力相关，但其效果对加工条件更为敏感。此外，Nd以其在YBCO基体中的部分溶解性而著称，能够实现晶格掺入，从而稳定正交相、促进晶粒生长和连接性、减少晶界处的弱连接行为，并在适当条件下增强T_c和J_c [20], [21]。Sm和Nd添加的影响高度依赖于浓度，文献中不一致的结果反映了这些体系对合成路线和微观结构控制的强烈敏感性 [22], [23]。合成技术本身在决定整个块体材料的相纯度、添加剂均匀性、微观结构发展和氧分布方面起着关键作用。传统的固相反应方法常常遭受添加剂分布不均、热处理时间长和超导转变宽的问题 [24], [25]。湿化学路线如溶胶-凝胶法和共沉淀法提供了更好的化学均匀性，但需要复杂的处理步骤、较长的反应时间以及溶剂和添加剂的仔细控制 [7], [26], [27]。相比之下，改性热分解（MTD）方法最近作为一种简单、经济、无溶剂的替代方法出现，利用金属醋酸盐前驱体实现均匀的添加剂分布、可控的微观结构演变和高质量相形成，无需有机溶剂或聚合物试剂 [28], [29], [30]。最近的研究表明，MTD制备的YBCO陶瓷可以实现接近93 K的T_c值，并具有改善的微观结构特征 [8], [27], [29]。

尽管关于稀土添加到YBCO的文献众多，但针对MTD合成的YBCO陶瓷中Sm和Nd添加在宽浓度范围内的综合影响的系统研究仍然很少。特别是，对于该体系，相演变、微观结构发展、电输运和交流磁化率性能之间的全面相关性尚未建立。为了弥补这一空白，本工作系统地研究了0.0、0.5和5.0 wt.%的Sm和Nd添加对通过MTD方法合成的块体YBCO超导陶瓷的结构、微观结构、电输运和交流磁化率性能的影响。主要目标是确定最佳稀土添加量，阐明潜在的结构-性能关系，并澄清Sm和Nd在改性YBCO超导性能中的不同作用。结果表明，将针对性的稀土添加与MTD合成路线相结合，为制备具有受控稀土添加的YBCO陶瓷提供了一种相形成、简单、无溶剂的路线。

章节片段

样品制备

使用改性热分解（MTD）方法合成了多晶块体YBa₂Cu₃O_7-δ（YBCO）样品，该方法已被证明可有效生产具有受控微观结构特征的相形成YBCO陶瓷 [27], [30]。选择高纯度前驱体——乙酸钇（Y(CH₃COO)₃·4H₂O）、乙酸钡（Ba (CH₃COO)₂）和乙酸铜（Cu (CH₃COO)₂）（纯度≥99.9%，Alfa Aesar）作为起始原料，并按化学计量比称量

X射线衍射分析

图1和图2分别展示了Sm添加和Nd添加YBCO超导体作为掺杂剂浓度函数的X射线衍射（XRD）图谱。测量在2θ范围20°–80°内进行，并使用X'Pert HighScore Plus软件结合无机晶体结构数据库（ICSD）通过全图/轮廓拟合分析衍射数据 [7]。对于Sm添加体系（图1），未掺杂YBCO样品显示出明确的

结论

通过改性热分解（MTD）路线制备了含Sm和Nd添加（0.0、0.5和5.0 wt.%）的块体YBCO陶瓷，并通过XRD、SEM、电阻率和交流磁化率进行了表征。主要发现如下：

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所有样品均保留了主导的正交Y-123相（正交性约0.008）。第二相为5.0 wt.%样品中的Y-211和0.5 wt.% Nd样品中少量的BaCuO₂（1.3%），后者接近单相（98.7% Y-123型，包括

CRediT作者贡献声明

Chen Soo Kien：可视化、监督、资源、项目管理。 Lim Kean Pah：可视化、监督、资源、项目管理。 Yap Siew Hong：可视化、正式分析、概念化。 Mohd Mustafa Awang Kechik：写作 – 审阅与编辑、可视化、监督、资源、项目管理、概念化。 RYAD AREBAT：写作 – 初稿、验证、软件、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理。

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