超導(dǎo)體是在冷卻到某個(gè)臨界溫度以下時(shí)對電流的流動(dòng)提供零電阻的材料。通常，超導(dǎo)體具有非常低的臨界溫度，接近絕對零。然而，一類被稱為高溫超導(dǎo)體 (HTS) 的超導(dǎo)體的臨界溫度高于 77 開爾文，即液氮的沸點(diǎn)。它們已廣泛用于許多行業(yè)的超導(dǎo)器件的開發(fā)。

鉍鍶鈣銅氧化物，通常稱為 BSCCO，是一類高溫超導(dǎo)材料，已在工程、醫(yī)療設(shè)備、采礦和運(yùn)輸系統(tǒng)中得到廣泛研究和應(yīng)用。其成員之一（Bi1.6Pb0.4）Sr2Ca2Cu3O10或 Bi-2223 擁有最高的超導(dǎo)臨界溫度，并因其潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。然而，臨界電流密度弱、磁通釘扎弱以及合成路線復(fù)雜等限制阻礙了Bi-2223超導(dǎo)體的發(fā)展和進(jìn)步。

為了解決這些缺陷，由芝浦理工學(xué)院超導(dǎo)材料能源與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室的 Muralidhar Miryala 教授和馬來西亞博特拉大學(xué)理學(xué)院物理系的 Awang Kechik Mohd Mustafa 教授領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員，研究了石墨烯納米顆粒的添加對 Bi-2223 的相形成和超導(dǎo)性能的影響。

他們報(bào)告了當(dāng)使用一種新穎的共沉淀方法將石墨烯納米顆粒集成到 Bi-2223 中時(shí)，對 Bi-2223 的臨界溫度、臨界電流密度以及結(jié)構(gòu)和形態(tài)特性的影響。相關(guān)研究成果以“Microstructure and Superconducting Properties of Bi-2223 Synthesized via Co-Precipitation Method: Effects of Graphene Nanoparticle Addition”為題發(fā)表在《Nanomaterials》上。

由于石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械和化學(xué)性能，并且石墨烯和Bi-2223均生長為片狀微結(jié)構(gòu)，因此石墨烯納米粒子作為添加劑非常有吸引力。研究小組使用 X 射線衍射（XRD）檢查了分別含有 0.3 wt.%、0.5wt.%和 1.0wt.%的石墨烯納米粒子的不同 Bi-2223 樣品的相形成和晶體結(jié)構(gòu)，并將它們與純樣品進(jìn)行了比較。他們還使用一種稱為交流電敏感度測定法（ACS）的方法研究了樣品的臨界溫度。

圖1.純 Bi-2223 樣品在燒結(jié)過程之前的 TGA（實(shí)線）和 DTG（虛線）。

圖2. 添加 0.0 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.% 和 1.0 wt.% 石墨烯的 Bi-2223 樣品在燒結(jié)過程之前和之后的 XRD 分析。

XRD 結(jié)果顯示，樣品中主要為Bi-2223 相和Bi-2212相（另一種BSCCO）。另外，對于含有0.3 wt.%和0.5 wt.%石墨烯的樣品，由Bi-2223相構(gòu)成的體積分?jǐn)?shù)較高，而對于含有1.0重量百分比石墨烯的樣品，由Bi-2223相構(gòu)成的體積分?jǐn)?shù)稍低。此外，ACS 分析表明，起始臨界溫度、鎖相溫度和耦合峰值溫度（超導(dǎo)能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)）隨著石墨烯添加量的增加而降低。

圖3. 含有 0.0 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.% 和 1.0 wt. 的樣品 Bi-2223 的實(shí)部和虛部相對于溫度的歸一化磁化率圖。

圖4. 40 K 時(shí)自場的 VI 曲線。

圖5.臨界電流密度隨石墨烯添加量重量百分比的變化。

有趣的是，石墨烯含量為 1.0wt.%的樣品表現(xiàn)出最高的臨界電流密度，并具有最適合形成 Bi-2223 超導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)。Miryala 教授強(qiáng)調(diào)說：“這些結(jié)果表明，添加石墨烯納米顆粒作為雜質(zhì)，有可能提高 Bi-2223 超導(dǎo)體的電流密度?！?/p>

具有增強(qiáng)電流密度的 Bi-2223 超導(dǎo)體具有促進(jìn)不同領(lǐng)域發(fā)展的潛力，例如 MRI 成像、發(fā)電和配電、可再生能源集成、運(yùn)輸和航空航天、粒子加速器、電子和量子計(jì)算、環(huán)境可持續(xù)性、工業(yè)和制造工藝以及教育和科學(xué)推廣。