晶體學(xué)觀點(diǎn)已討論了多種類型超導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)電性關(guān)系，得出結(jié)論：現(xiàn)在探索過(guò)的超導(dǎo)體有兩大類。一類如YBCO，同相不同軸晶格常數(shù)相近或加倍，形成共格生長(zhǎng)，或不同相的晶格常數(shù)相近形成共格生長(zhǎng)。還有BiSrCaCuO形成BiO和類鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)超晶格。這類結(jié)構(gòu)都有晶格錯(cuò)配，形成疇區(qū)的分晶格。另一類有鐵系超導(dǎo)體，以PrFeAsO為代表，以TaS2（或TaSe2）為代表的MX2型晶體，及CsV3Sb5晶體等都是二維特征明顯層狀結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體。當(dāng)溫度、壓力變化時(shí)不同原子層或“分子層”變化互不協(xié)同，出現(xiàn)微觀應(yīng)力，能量升高，為降低能量，結(jié)構(gòu)調(diào)整，形成分晶格或超晶格。晶格振動(dòng)對(duì)抗、干擾和釘扎，在降溫和（或）加壓的助力下。使晶體的晶格振動(dòng)為零，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。本文探索的金屬硼化物MgB2屬于上述的第二類層狀結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體。

MgB2晶體具有超導(dǎo)電性，是在2001年由日本科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)。晶體結(jié)構(gòu)包括單晶制備在超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)之前已早有報(bào)導(dǎo)。該超導(dǎo)體在零場(chǎng)下，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為20K。多年來(lái)對(duì)這種超導(dǎo)體已有大量研究。報(bào)導(dǎo)了結(jié)構(gòu)，研究了摻雜與其它材料復(fù)合，線材帶材制備，不同條件對(duì)超導(dǎo)電性影響。至今沒(méi)查到從晶體學(xué)視角，探索MgB2超導(dǎo)體超導(dǎo)電性的產(chǎn)生的機(jī)理。本文將作此探索。

MgB2晶體結(jié)構(gòu)為P6／mmm（191）空間群，六方晶系，簡(jiǎn)單晶格，一個(gè)簡(jiǎn)單晶胞含1個(gè)分子（式〉，即Z 1。晶格常數(shù)a b 0.3086nm，c 0.3521nm（數(shù)據(jù)來(lái)自PDF號(hào)38—1369*，實(shí)驗(yàn)值。星號(hào)表示可信度高）如圖所示。

圖1.MgB2的簡(jiǎn)單晶胞圖

1Mg原子占據(jù)晶胞坐標(biāo)原點(diǎn)，分?jǐn)?shù)坐標(biāo)：（0，0，0）；2B原子占據(jù)：（2／3，1／3，1／2）；（1／3，2／3，1／2）。

請(qǐng)熟悉的朋友諒解，讓作者說(shuō)明一下，通常六方晶系給出晶體學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)，用的是簡(jiǎn)單晶胞（每個(gè)晶胞有一個(gè)格點(diǎn)稱簡(jiǎn)單晶胞，有一個(gè)以上格點(diǎn)為復(fù)雜晶胞），菱面柱晶胞，每個(gè)晶胞有一個(gè)格點(diǎn)（陣點(diǎn)），依據(jù)周期性（晶格）晶胞的8個(gè)頂角是一個(gè)點(diǎn)。如果占原子就是一個(gè)原子。在網(wǎng)上看到用這一晶體結(jié)構(gòu)出的考試試題，取六棱柱晶胞，這本應(yīng)是為了觀察對(duì)稱性，由3個(gè)簡(jiǎn)單晶胞拼起來(lái)的復(fù)雜晶胞，如圖2。這是一個(gè)自畫(huà)圖，Mg原子和B原子沒(méi)能用顏色或大小區(qū)別開(kāi)。

圖2.MgB2晶體的六角復(fù)雜晶胞圖

圖3.MgB2的六角晶胞沿c方問(wèn)投影圖

有3個(gè)格點(diǎn)。試題中讓考生數(shù)原子，再依據(jù)每個(gè)原子占的分?jǐn)?shù)計(jì)算原子數(shù)，最后確定分子式MgB2。如果出題人和答題人晶體學(xué)概念清楚，還用數(shù)嗎，對(duì)于這一晶體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單晶胞只有一個(gè)MgB2，六角復(fù)雜晶胞是3個(gè)MgB2。

現(xiàn)在回到我們正題。觀察晶體結(jié)構(gòu)，Mg原子作二維晶格六角排列，與金屬的緊密堆積二維結(jié)構(gòu)類型相同。兩層Mg原子層作a和b方向無(wú)平移的c方向正堆垛，即Mg原子頂對(duì)頂。兩原子層之間形成三棱柱間隙，B原子填滿所有三棱柱間隙中心。從整體結(jié)構(gòu)看，就是在c方向Mg層和B2層等間距間隔排布。B原子形成六元環(huán)連結(jié)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，與石墨烯的結(jié)構(gòu)類型相同。MgB2晶體結(jié)構(gòu)具有顯著的層狀結(jié)構(gòu)特征，是二維結(jié)構(gòu)狀態(tài)。見(jiàn)圖2，淡綠色原子層為Mg層，土紅色原子層為B2層。

圖3.觀察MgB2結(jié)構(gòu)的層狀特征圖

以晶體學(xué)數(shù)據(jù)為依據(jù)考查MgB2結(jié)構(gòu)的原子間距，判斷結(jié)構(gòu)中原子之間的鍵合關(guān)系。

從晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以確定同層Mg一Mg原子間距為0.3086nm。查表得到Mg金屬半徑為0.16nm。如果Mg原子是金屬鍵，Mg一Mg間距應(yīng)該是0.32nm。可以看出在結(jié)構(gòu)中Mg原子被拉近了，比金屬鍵間距還小。面內(nèi)B一B最近原子間距，經(jīng)計(jì)算為0.1782nm，查表得到的B原子共價(jià)半徑為0.082nm，如果兩原子相碰應(yīng)該是0.164nm，比結(jié)構(gòu)中的間距小，在結(jié)構(gòu)中B原子被拉開(kāi)了0.0142nm。這是應(yīng)該的，兩種原子層互相作用的結(jié)果。Mg一Mg之間近金屬鍵，不是純金屬鍵，B一B之間近共價(jià)鍵，不是純共價(jià)鍵。在晶體結(jié)構(gòu)c方問(wèn)Mg一Mg層間距，同時(shí)也是B2一B2層間距就是晶格常數(shù)c，等于0.3521nm，Mg一B2層間距為0.1761nm。查得B原子范德華半徑為0.192nm，“球”碰“球”間距為0.384nm，由于中間插入Mg層，使B一B層間距反而小了0.0319nm。從數(shù)值上看，層間近分子鍵，不是純分子鍵，但二維特征明顯，是具有二維特征的三維晶體。雖然是三維晶體，但由于二維晶格的兩種原子或“分子層”結(jié)構(gòu)不同，性能不同，二維晶體特征充分顯示。這種結(jié)構(gòu)狀態(tài)與以TaS2為代表的MX2型結(jié)構(gòu)、CsⅤ3Sb5和PrFeAsO晶體結(jié)構(gòu)雖然不同，但具有相同的二維結(jié)構(gòu)特征。

現(xiàn)在討論的是在常溫常壓下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保持結(jié)構(gòu)能量最低狀態(tài)。隨著溫度降低或壓力增加，Mg層和B2層動(dòng)作並不協(xié)同，初始時(shí)能量升高，當(dāng)能量升高到一定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)整。可以是分成疇區(qū)（分晶格），或形成超晶格。出現(xiàn)不同區(qū)域兩種“分子層“的二維晶格失配。情況就類似兩片石墨烯，以很小的角度堆垛形成超晶格（著名的“魔角”實(shí)驗(yàn)）產(chǎn)生超導(dǎo)電性。所不同的是，魔角實(shí)驗(yàn)是兩片石墨烯轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度堆垛，形成超晶格，二維特征明顯的三維晶體由于不同原子（或分子）層結(jié)購(gòu)不同，具有不同性能。在降溫或升壓作用下收縮並不協(xié)同（升溫減壓時(shí)降低能量又會(huì)恢復(fù)）。使整個(gè)三維晶體結(jié)構(gòu)升高能量，初時(shí)還可以。當(dāng)達(dá)到一定溫度或壓力時(shí)，結(jié)構(gòu)必將調(diào)整，形成不同疇區(qū)或超晶格，說(shuō)句通俗的話，層與層之間有些區(qū)域保留原來(lái)鍵合，有些區(qū)域失去原來(lái)鍵合，形成類似兩層石墨片轉(zhuǎn)角實(shí)驗(yàn)?zāi)菢咏Y(jié)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)晶格振動(dòng)對(duì)抗干擾釘扎，出現(xiàn)零晶格振動(dòng)。理論上說(shuō)，在絕對(duì)零度，晶格振動(dòng)為零，電阻為零。超導(dǎo)電性的產(chǎn)生只是特定結(jié)構(gòu)作用，使晶格振動(dòng)為零提前發(fā)生了，在導(dǎo)電性及相關(guān)物性看到了，就是超導(dǎo)了。

綜述一下。這種具有明顯二維特征的三維晶體，其結(jié)構(gòu)為晶格調(diào)整準(zhǔn)備了條件，一定溫度壓力下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，調(diào)整后的晶格，錯(cuò)配也好，分疇也罷，總之晶格振動(dòng)不用等到絕對(duì)零度才為零，從而呈現(xiàn)超導(dǎo)。讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)作者在多個(gè)超導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中重復(fù)一個(gè)基本觀點(diǎn)，沒(méi)說(shuō)出新內(nèi)容。這說(shuō)明超導(dǎo)體呈現(xiàn)的性能不同，但機(jī)理是相通的。就像銅、鋁、鐵、鋅……金屬的導(dǎo)電性不同，而原理一樣。有問(wèn)題只是作者具體事情沒(méi)說(shuō)對(duì)，沒(méi)說(shuō)清，沒(méi)表達(dá)好。但超導(dǎo)電性來(lái)自晶格振動(dòng)，受結(jié)構(gòu)作用使晶格振動(dòng)為零是堅(jiān)信的。從高溫超導(dǎo)體直到極低溫單質(zhì)金屬超導(dǎo)體，可以“全程打通”，還沒(méi)有一個(gè)說(shuō)法能做到。先預(yù)報(bào)一下，極低溫單質(zhì)金屬超導(dǎo)電性產(chǎn)生可能源于晶體缺陷，以位錯(cuò)和層錯(cuò)為主。