化學(xué)式為A3B型化合物超導(dǎo)體被定義為A15型晶體結(jié)構(gòu)。這種類型晶體包含一大類化合物超導(dǎo)體，Nb3Sn、V3Ga、V3Si、Nb3Al、Nb3Ga和Nb3Ge等多種同型結(jié)構(gòu)，即有相同空間群，相同晶格，同型分子式，原子占位 分別在同一空間群Pm3n中相同特殊等效位置（坐標(biāo)無可變參數(shù)）。
自1911年發(fā)現(xiàn)單質(zhì)Hg在4.15K呈現(xiàn)超導(dǎo)電性后，逐漸發(fā)現(xiàn)新的超導(dǎo)體，提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，直到發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體。本文作者探索的路徑正好相反，不是從一種理論起步，而是來自大量的實(shí)驗(yàn)和觀察。首先接觸的是高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的探索。研究晶體結(jié)構(gòu)和超導(dǎo)電性關(guān)系，在高溫超導(dǎo)體中，晶格錯配和超晶格是這類超導(dǎo)體重要結(jié)構(gòu)持征，從而走上了由高向低，探索不同結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理之路。前不久偉大的石墨烯實(shí)驗(yàn)又證實(shí)了晶格錯配和超晶格產(chǎn)生超導(dǎo)電性。使作者更加相信，用晶體學(xué)視角探索超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理可以繼續(xù)前進(jìn)。本文走進(jìn)以Nb3Sn為代表探索A3B型低溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)理。
Nb3Sn是發(fā)現(xiàn)應(yīng)用較早的低溫超導(dǎo)體。臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc 18.1K，臨界磁場Hc 22.5T（4.2K）實(shí)用主要用于超導(dǎo)磁體。
該晶體結(jié)構(gòu)為Pm3n（223）空間群，立方晶系，簡單晶格，一個簡單晶胞中含兩個分子（式）Nb3Sn，即Z 2。晶格常數(shù)a 0.5290nm。參考數(shù)據(jù)來源于PDF，序號為19一875。晶體結(jié)構(gòu)見圖1.（a）。該圖是依據(jù)網(wǎng)上查到的同型結(jié)構(gòu)Nb3Ge結(jié)構(gòu)圖1.（b）作參考，依據(jù)空間群表用手工另畫的。因?yàn)榫W(wǎng)上圖只能參考不能用，似是“兩個晶胞”，又不像立方，每個晶胞原子位置表達(dá)模糊，而且不全。但參考意義還是很大的。因?yàn)镻m3n（223）空間群，特殊等效位置a是兩個等效點(diǎn)，正好Sn原子占據(jù)。而6個Nb原子占據(jù)的等效位置有b、c、d三種可能等效位置。如果沒有圖1.（b）作參考就不敢確定Nb的占位是哪一組。參考圖1.（b）后，才可以確定Nb3Sn晶體結(jié)構(gòu)中Nb原子占6d位。這才可以依據(jù)空間群表寫出原子坐標(biāo)，畫出結(jié)構(gòu)圖。如圖1.（a）所示的原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：
2Sn：0，0，0；
1／2，1／2，1／2。
6Nb：1／4，1／2，0；
3／4，1／2，0；
（前后一對原子）
0，1／4，1／2；
0，3／4，1／2；
（左右一對原子）
1／2，0，1／4
1／2，0，3／4l
（上下一對原子）
請注意周期性概念。兩對面畫出的兩個原子那是同一個原子。頂角畫出的8個原子是同一個原子。只有體心上原子，才一個是一個。
圖1.（a）手工繪制的Nb3Sn晶體結(jié)構(gòu)圖。小黑球?yàn)镾n原子，大紅球?yàn)镹b原子
圖1.（b）網(wǎng)上搬來Nb3Ge晶體結(jié)構(gòu)圖。小蘭色球?yàn)镚e原子，大紅球?yàn)镹b原子
有了具有原子分?jǐn)?shù)坐標(biāo)的晶體結(jié)構(gòu)模型，就可以從不同視角仔細(xì)觀察Nb3Sn結(jié)構(gòu)特征。圖1.（a）可以發(fā)現(xiàn)，分別在等價(jià)的a，b，c方向原子層都是2層一重復(fù)，4層一個周期（晶格），Nb2Sn層，Nb層，Nb2Sn層，Nb層，Nb2Sn層，……。最后一層相當(dāng)于第一層，完成晶體結(jié)構(gòu)一個周期。在Nb2Sn原子層中，由于2Nb平行排在Sn成正四方排布結(jié)構(gòu)間隙。借用圖2.說明這層原子排布與對稱性特征。實(shí)際上Nb3Sn晶體結(jié)構(gòu)原子大小也不是這樣，原子間距也不是這樣。見下面分析。
圖2.借用此圖呈現(xiàn)原子排布和二維對稱性
使二維晶格失去4次對稱性，只有2次軸和兩個對稱面。a、b、c的三維方向排列形成立體網(wǎng)格狀。先看面內(nèi)原子列排列，Sn列，Nb列，Sn列，Nb列……，兩列一重復(fù)。兩原子列之間距離是晶格常數(shù)的1／2，等于0.2645nm。兩種原子列上的原子各自是等間距，Sn原子的間距是Nb的2倍，即為0.2645nm，Nb原子間為0.13225nm。查表得Sn的共價(jià)半徑數(shù)值，計(jì)算得到直徑為0.268nm，查得金屬鍵Sn原子直徑為0.280nm。表明Sn原子列原子間以共價(jià)鍵為主。查得6配位4價(jià)Nb離子半徑為0.068nm，兩離子“球”碰“球”，即直徑為0.136nm。與Nb3Sn晶體結(jié)構(gòu)中Nb列的列內(nèi)原子之間的間距0.132nm十分相近。表明Nb原子列中的原子接近4價(jià)6配位離子鍵。
再看Sn原子，原點(diǎn)位置（0，0，0）的Sn和體心位置（1／2，1／2，1／2）的Sn之間的間距為晶胞的體對角線的1／2，即0.485nm。查閱Sn的原子半徑，共價(jià)半徑，金屬半徑，離子半徑，其直徑都沒有這么大。由此得出結(jié)論，Nb3Sn的晶體結(jié)構(gòu)不是模型所示那樣，認(rèn)為Sn原子排在成體心立結(jié)構(gòu)，Nb原子在三個軸方向分別插入其結(jié)構(gòu)間隙中。而正好相反，是Nb原子在三個軸方向排列成原子列，間隔一定距離，沒有公用結(jié)點(diǎn)，形成三維立體“框架”狀。Sn原子以體心立方排布狀態(tài)插入框架形成的Nb多面體間隙中。坐標(biāo)原點(diǎn)的Sn和體心位置的Sn有不同Nb原子配位。原點(diǎn)的Sn與6個近臨Nb配位，體心的Sn與12個Nb原子配位。兩種位置配位不同，但Sn一Nb間最小間隙是相同的，都是矢量（1／2）a （1／4）b，即 ｛（0.5a）^2+（0.25a）^2｝ 0.2957nm。從原子半徑，共價(jià)半徑，金屬半徑和離子半徑表查得結(jié)果，介于原子半徑和金屬半徑之間。如果二者是原子半徑“球”碰“球”，兩原子間距為0.308nm，大了。如果是金屬半徑球碰球，兩原子間距為0.283nm，小了。從而判斷Nb一Sn之間應(yīng)該介于原子鍵和金屬之間。
通過上述分析，可以概括表述Nb3Sn型晶體結(jié)構(gòu)特征。Nb原子分別成等間距排成一維原子列。原子列分別在互為垂直的方向成二維平面排列，並巧妙的實(shí)現(xiàn)原子列沒有共同結(jié)點(diǎn)（不相交）的三維立體“網(wǎng)格”結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)的“骨架”。Sn原子占位在這種骨架結(jié)構(gòu)的兩種多面體間隙中。立方晶胞的體心位置，Sn原子與Nb原子形成12配位；頂角位置（原點(diǎn)）的Sn原子與Nb原子成6配位。
現(xiàn)在可以探索Nb3Sn超導(dǎo)機(jī)理了。在降低溫度或加壓作用下晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部因不同部分動作並不協(xié)同，能量升高，達(dá)到一定程度產(chǎn)生結(jié)構(gòu)調(diào)整。對現(xiàn)在探索的Nb3Sn型晶體結(jié)構(gòu)來說，總體上說就是Nb所形成的結(jié)構(gòu)“框架”，與成體心立方排布Sn動作不協(xié)同，可以分兩種視角說明同一機(jī)制。第一種，結(jié)構(gòu)中三個方向的二維晶格，均存在一個Nb和Sn間隔排列的原子列，由于兩種原子列狀態(tài)和物理化學(xué)性質(zhì)不同，在降溫或升壓時，動作不協(xié)同，升高結(jié)構(gòu)能量。第二種視角，Sn原子在Nb原子框架結(jié)構(gòu)中，占據(jù)不同配位的兩種多面體間隙中。在降溫或升壓過程中，二者動作不協(xié)同，升高結(jié)構(gòu)能量。無論那種視角，當(dāng)能量升高到一定程度，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)調(diào)整，釋放能量，形成晶疇（分晶格）或超晶格。產(chǎn)生不同區(qū)域晶格振動，對抗干擾或釘扎，在高于絕對零度以上18.1K呈現(xiàn)零晶格振動，產(chǎn)生超導(dǎo)電性。
總括以前探索的超導(dǎo)體和本文探索的Nb3Sn的超導(dǎo)機(jī)理，一個結(jié)論，一個觀點(diǎn)：超導(dǎo)電性產(chǎn)生于晶體結(jié)構(gòu)，形成分晶格或超晶格，促使晶格振動在稍高于（單質(zhì)金屬），高于（低溫超導(dǎo)體）或遠(yuǎn)高于（高溫超導(dǎo)體）絕對零度，呈現(xiàn)晶格振動為零，產(chǎn)生超導(dǎo)電性。
在題外作者想說幾句話
該文在起步時從網(wǎng)上得到的結(jié)構(gòu)模型只能看不能用，需要依據(jù)空間群重新給出原子坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)圖。因?yàn)樽髡呤诸^沒有空間群表，是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室（理化分析中心）高關(guān)胤老師提供空間群表和空間群Pm3n（223）頁面。起了重要作用。他以前也曾給作者提供過當(dāng)前材料科學(xué)研究進(jìn)展信息。在這里一并表示感謝！
