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TWI566445B - 高溫超導體材料及其改質與產生方法 - Google Patents

高溫超導體材料及其改質與產生方法 Download PDF

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TWI566445B
TWI566445B TW099133795A TW99133795A TWI566445B TW I566445 B TWI566445 B TW I566445B TW 099133795 A TW099133795 A TW 099133795A TW 99133795 A TW99133795 A TW 99133795A TW I566445 B TWI566445 B TW I566445B
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道格拉斯Ｊ 吉爾伯特
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亞伯契有限責任公司
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Description

高溫超導體材料及其改質與產生方法
本發明大體係關於超導體材料，包括高溫超導體材料(「HTS材料」)，且更特定言之，係關於對現有HTS材料進行改質及/或產生新穎HTS材料，從而以改良之操作特性操作。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2009年10月2月申請之名稱為「High Temperature Superconducting Materials and Methods for Modifying or Creating Same」之美國臨時申請案第61/248,134號的優先權，該申請案以全文引用的方式併入本文中。
正在進行研究以試圖獲得相對於現有材料(包括超導體材料)具有改良之操作特性(例如在較高溫度下具有較低電阻)的新穎材料。科學家們已在理論上提出可能存在「理想導體」，或展現與超導狀態下之超導體材料類似之電阻，但可能不一定顯示超導體材料之全部公認特性的材料。
不管其名稱如何，習知高溫超導體(「HTS」)材料仍在極低溫度下操作。實際上，最常用的HTS材料仍需要使用冷卻系統，該冷卻系統使用具有極低沸點的液體(例如液氮)。此等冷卻系統增加實施成本且阻礙商業上或消費者對此等材料的廣泛使用及/或應用。
需要具有改良之操作特性的HTS材料；對已知HTS材料進行改質的機制，以使得改質之HTS材料可以改良之操作特性操作；及/或設計及製造新穎HTS材料的技術。
一般而言，本發明之各種實施例係關於對現有HTS材料進行改質及/或形成新穎HTS材料，此係藉由增強HTS材料內之孔隙(在現有HTS材料的情況下)及/或在HTS材料內產生孔隙(在新穎HTS材料的情況下)，以使得經改質的或新穎的HTS材料展現改良之操作特性，改良之操作特性可包括(但不限於)較高溫度下具有較低電阻；在較高溫度下以超導狀態操作；在相同(或較高)溫度下以增大之載荷容量操作；以改良之磁性質操作；以改良的機械性質及/或改良的其他操作特性操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含：含有複數個第一原子的材料；及含有至少一個與該複數個第一原子中之至少一者鍵結的第二原子的改質材料，以使得組合物在高於單獨或不含改質材料之材料的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含：含有複數個第一原子的材料，該複數個第一原子中之至少一些在該材料內形成孔隙；及含有至少一個與該複數個第一原子中之至少一者鍵結的第二原子的改質材料，以使得組合物維持孔隙，使得組合物在高於不含改質材料之材料的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含：含有複數個第一原子的材料，該複數個第一原子中之至少一些在該材料內形成孔隙；及含有至少一個與該複數個第一原子中之至少一者鍵結的第二原子的改質材料，以使得組合物維持孔隙，使得孔隙在高於不含改質材料之材料的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含：含有複數個第一原子的材料，該複數個第一原子中之至少一些在該材料內形成孔隙，該孔隙在第一溫度下維持；及含有至少一個與該複數個第一原子中之至少一者鍵結的第二原子的改質材料，以使得孔隙在高於該第一溫度之第二溫度下維持。
在本發明之一些實施例中，組合物包含：含有以晶體結構排列之複數個第一原子的材料，該晶體結構中已形成有孔隙；及含有複數個與該材料之晶體結構鍵結之第二原子的改質材料，以使得孔隙在高於單獨或不含改質材料之材料的溫度下維持。
在本發明之一些實施例中，組合物包含含有以晶體結構排列之複數個原子的材料，原子經選擇以在晶體結構內形成改良之孔隙，以使得材料在高於特定溫度之溫度下以超導狀態操作，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。
在本發明之一些實施例中，組合物包含含有以晶體結構排列之複數個原子的材料，原子經選擇以在晶體結構內形成改良之孔隙，以使得材料在高於特定溫度之溫度下以超導狀態操作，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。
在本發明之一些實施例中，組合物包含含有以晶體結構排列之複數個原子的材料，該晶體結構中已形成有孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下保持充分敞開，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，組合物在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含含有以晶體結構排列之複數個原子的材料，該晶體結構中已形成有孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下保持通暢，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，組合物在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含含有以晶體結構排列之複數個原子的材料，該晶體結構中已形成有孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下充分維持以傳輸電荷，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，組合物在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含含有以晶體結構排列之複數個原子的材料，該晶體結構中已形成有孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下充分維持以促進電荷傳輸，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，組合物在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，組合物包含含有以晶體結構排列之複數個原子的材料，該晶體結構中已形成有孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下充分維持以傳導載流子，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，組合物在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含在高於特定溫度之溫度下維持HTS材料之晶體結構內所形成的孔隙，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，HTS材料在高於特定溫度之溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含在高於特定溫度之溫度下維持HTS材料之晶體結構內所形成的孔隙，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，HTS材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下保持充分敞開，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下促進電荷傳輸，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下傳輸電荷，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下傳導載流子，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含排列材料之原子以便在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下保持充分敞開，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含排列材料之原子以便在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下促進電荷傳輸，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含排列材料之原子以便在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下傳輸電荷，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含排列材料之原子以便在材料內形成孔隙，該孔隙在高於特定溫度之溫度下傳導載流子，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。在本發明之其他實施例中，該材料在高於特定溫度的溫度下以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，方法包含：根據一種元素之原子關於另一種元素之至少一個原子的一或多種原子特性選擇該元素；及在材料中形成孔隙，該孔隙之周邊包括所選元素之至少一個原子，該材料包括另一種元素之至少一個原子，其中該孔隙以超導狀態傳輸電荷。在本發明之一些實施例中，在材料中形成孔隙包含在材料中形成孔隙，該孔隙之周邊進一步包括另一種元素之至少一個原子。
在本發明之一些實施例中，方法包含：根據一種元素之原子關於另一種元素之至少一個原子的一或多種原子特性選擇該元素；及在材料中形成孔隙，該孔隙之周邊包括所選元素之至少一個原子，該材料包括另一種元素之至少一個原子，其中該孔隙以超導狀態促進電荷傳輸。在本發明之一些實施例中，在材料中形成孔隙包含在材料中形成孔隙，該孔隙之周邊進一步包括另一種元素之至少一個原子。
在本發明之一些實施例中，方法包含：根據一種元素之原子關於另一種元素之至少一個原子的一或多種原子特性選擇該元素；及在材料中形成孔隙，該孔隙之周邊包括所選元素之至少一個原子，該材料包括另一種元素之至少一個原子，其中該孔隙以超導狀態傳導載流子。在本發明之一些實施例中，在材料中形成孔隙包含在材料中形成孔隙，該孔隙之周邊進一步包括另一種元素之至少一個原子。
在本發明之一些實施例中，方法包含使改質材料沈積於HTS材料上，該改質材料在高於單獨HTS材料的溫度下維持HTS材料中所形成的孔隙。
在本發明之一些實施例中，方法包含使HTS材料沈積於改質材料上，該改質材料在高於單獨或不含改質材料之HTS材料的溫度下維持HTS材料中所形成的孔隙。
在本發明之一些實施例中，方法包含使改質材料沈積於超導體材料上，該改質材料在高於單獨或不含改質材料之超導體材料的溫度下維持超導體材料中所形成的孔隙。
在本發明之一些實施例中，方法包含使超導體材料沈積於改質材料上，該改質材料在高於單獨或不含改質材料之超導體材料的溫度下維持超導體材料中所形成的孔隙。
在本發明之一些實施例中，方法包含對HTS材料的表面進行改質以便維持HTS材料之晶體結構內所形成的孔隙，以使得HTS材料在高於特定溫度之溫度下保持超導狀態，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。
在本發明之一些實施例中，方法包含對超導體材料的表面進行改質以便維持超導體材料之晶體結構內所形成的孔隙，以使得超導體材料在高於特定溫度之溫度下保持超導狀態，其中該特定溫度為以下溫度中之任一者：200 K、210 K、220 K、230 K、240 K、250 K、260 K、270 K、280 K、290 K、300 K或310 K。
在本發明之一些實施例中，方法包含使改質材料鍵結於HTS材料，所鍵結之改質材料在高於單獨或不含改質材料之HTS材料的溫度下維持HTS材料中所形成的孔隙。
在本發明之一些實施例中，方法包含使改質材料鍵結於超導體材料，所鍵結之改質材料在高於單獨或不含改質材料之超導體材料的溫度下維持超導體材料中所形成的孔隙。
隨附圖式(為進一步理解本發明而包括在內，且併入本說明書中且構成本說明書之一部分)說明本發明之各種例示性實施例，且配合實施方式用於說明本發明之各種原理及/或態樣。
藉由考慮以下實施方式、圖式及申請專利範圍，可闡明或顯而易知本發明之各種特徵、優點及實施例。應瞭解，實施方式及圖式具例示性且旨在提供進一步說明，而非限制本發明之範疇，本發明之範疇僅於申請專利範圍中闡明。
本發明之各種實施例係關於HTS材料，且更特定言之，係關於對現有HTS材料進行改質及/或產生新穎HTS材料，從而以改良之操作特性操作。新穎HTS材料可涵蓋例如組合物、產品、製造製程、製程產品、製備新穎HTS材料之方法，例如以獲得新技術效果。
在本說明書中，關於HTS材料及/或本發明之各種實施例的操作特性可包括(但不限於)HTS材料處於其超導狀態下之電阻、HTS材料之對應於其超導狀態的轉變溫度、HTS材料在其超導狀態下之電荷傳導容量、HTS材料之一或多種磁性質、HTS材料之一或多種機械性質及/或HTS材料之其他操作特性。
HTS材料之轉變溫度(有時亦稱作臨界溫度)的遞增提高似乎是根據反覆試驗，而非對HTS材料操作機制的理解。若無此理解，則已知HTS材料(或其類別)之轉變溫度(或其他操作特性)的進一步提高以及新穎HTS材料的設計均受到限制。如通常所理解，轉變溫度為一種溫度，在此溫度以下，HTS材料以其超導狀態「操作」。在高於轉變溫度的溫度下，HTS材料停止以其超導狀態操作且稱為處於其「正常」或非超導狀態。換言之，轉變溫度相當於一種溫度，在此溫度下，HTS材料在其非超導狀態與其超導狀態之間變化。如所瞭解，一些HTS材料的轉變溫度可為一溫度範圍，在此溫度範圍內，HTS材料在其非超導狀態與其超導狀態之間變化。亦如所瞭解，HTS材料關於其轉變溫度可具有遲滯現象，其中當HTS材料加熱時為一轉變溫度，而當HTS材料冷卻時為另一轉變溫度。
圖31說明可用於描述本發明之各種實施例的參考座標系3100。參考座標系3100包括一組軸，稱作a軸、b軸及c軸。在本說明書中，提及a軸包括a軸及與其平行的任何其他軸；提及b軸包括b軸及與其平行的任何其他軸；且提及c軸包括c軸及與其平行的任何其他軸。各對軸在參考座標系3100中形成一組平面，稱作a平面、b平面及c平面，其中：a平面由b軸與c軸形成且垂直於a軸；b平面由a軸與c軸形成且垂直於b軸；且c平面由a軸與b軸形成且垂直於c軸。在本說明書中，提及a平面包括a平面及與其平行的任何平面；提及b平面包括b平面及與其平行的任何平面；且提及c平面包括c平面及與其平行的任何平面。此外，關於本文中所述之晶體結構的各種「面」或「表面」，與a平面平行的面有時可稱為「b-c」面；與b平面平行的面有時可稱為「a-c」面；且與c平面平行的面有時可稱為「a-b」面。
圖1說明自第一視角(亦即垂直於晶體結構100之「a-b」面且與其c軸平行的視角)透視的例示性HTS材料之晶體結構100。圖2說明自第二視角(亦即，垂直於晶體結構100之「b-c」面且與其a軸平行的視角)透視的晶體結構100。圖22說明例示性HTS材料之晶體結構100的其他深度(亦即朝向頁面內)。在本說明書中，圖1、圖2及圖22中所說明的例示性HTS材料通常代表各種HTS材料。在本發明之一些實施例中，例示性HTS材料可代表一類超導體材料，稱作混合價銅氧化物鈣鈦礦。混合價銅氧化物鈣鈦礦材料包括(但不限於)LaBaCuOx、LSCO(例如La2-xSrxCuO4等)、YBCO(例如YBa2Cu3O7等)、BSCCO(例如Bi2Sr2Ca2Cu3O10等)、TBCCO(例如Tl2Ba2Ca2Cu3O10或TlmBa2Can-1CunO2n+m+2+δ)、HgBa2Ca2Cu3Ox、及其他混合價銅氧化物鈣鈦礦材料。如所瞭解，其他混合價銅氧化物鈣鈦礦材料可包括(但不限於)陽離子之各種取代。亦如所瞭解，上述名稱之混合價銅氧化物鈣鈦礦材料可指一般類別之材料，其中存在多個不同式。在本發明之一些實施例中，例示性HTS材料可包括混合價銅氧化物鈣鈦礦材料家族以外的HTS材料(「非鈣鈦礦材料」)。此外，在本發明之一些實施例中，可根據本發明之各種原理使用除HTS材料以外的超導體材料。此等超導體材料可包括(但不限於)鐵之磷族元素化物、二硼化鎂(MgB2)及其他超導體材料。如所瞭解，可根據本發明之各種原理及/或態樣利用具有孔隙210的其他材料。
如所瞭解，多種HTS材料具有類似於(儘管未必相同於)具有不同原子、原子組合及/或晶格排列之晶體結構100的結構。如圖2中所說明，描繪例示性HTS材料之具有兩個完整單位晶胞的晶體結構100，其中一個單位晶胞在參考線110上方且一個單位晶胞在參考線110下方。圖21說明例示性HTS材料之單個單位晶胞2100。
一般而言，且如所瞭解，例示性HTS材料之單位晶胞2100包括六個「面」：兩個與c平面平行的「a-b」面；兩個與b平面平行的「a-c」面；及兩個與a平面平行的「b-c」面(參見例如圖31)。亦如所瞭解，HTS材料之「表面」在宏觀意義上可包含多個單位晶胞2100(例如數百、數千或數千個以上)。本說明書中提及與特定平面(例如a平面、b平面或c平面)平行的HTS材料的「表面」或「面」係指明該表面主要(亦即大部分)由實質上與特定平面平行之單位晶胞2100的面形成。此外，本說明書中提及與除a平面、b平面或c平面外之平面(例如如下所述之ab平面等)平行的HTS材料的「表面」或「面」係指明該表面由單位晶胞2100之面之一些混合體形成，在總體宏觀意義上，該混合體形成實質上與此等其他平面平行的表面。
研究表明，一些超導體材料(包括HTS材料)顯示電阻現象之各向異性(亦即有方向性)相關性。換言之，就晶體結構100而言，指定溫度及電流密度下的電阻與方向有關。舉例而言，一些超導體材料在其超導狀態下沿a軸方向及/或沿b軸方向比此等材料沿c軸方向可傳輸明顯更大的電流(零電阻)。如所瞭解，不同超導體材料在不同效能現象(包括電阻現象)上、在除上述方向以外或連同上述方向之方向上或上述方向之組合上展現各向異性。在本說明書中，提及傾向於在第一方向上展現電阻現象(及類似言辭)的材料係指明該材料在第一方向上支持此現象；且提及在第二方向上傾向於不展現電阻現象(及類似言辭)的材料係指明該材料在第二方向上不支持此現象或以比其他方向減小的方式展現此現象。
對已知HTS材料的常規瞭解迄今尚不能評價晶體結構100內由引起電阻現象之複數個孔隙原子250形成的孔隙210。(參見例如圖21，其中在單個單位晶胞2100之描繪中，孔隙210不明顯。)如下文將進一步描述，孔隙210存在於多種已知的HTS材料中。在某種意義上，孔隙原子250可視為形成圍繞孔隙210的離散原子「邊界」或「周邊」。在本發明之一些實施例中，且如圖2中所說明，孔隙210出現於晶體結構100之第一部分220與第二部分230之間，然而在本發明之一些實施例中，孔隙210可出現於各種其他晶體結構之其他部分中。雖然圖2、圖3及圖式其他處基於將原子描繪為簡單「球形」來說明孔隙210、孔隙310及其他孔隙，但應瞭解，此等孔隙尤其與晶體結構100中各種原子(包括孔隙原子250)之電子及其相關電子密度(不另外說明)有關且由其成形。
根據本發明之各種態樣，孔隙210促進傳導電荷通過晶體結構100，且當孔隙210促進傳導電荷通過晶體結構100時，HTS材料以其超導狀態操作。在本說明書中，「傳導」及/或「促進傳導」(以及其各別形式)通常指「導電」及/或「促進導電」及其各別形式；「傳輸」及/或「促進傳輸」及其各別形式；「引導」及/或「促進引導」及其各別形式；及/或「傳送」及/或「促進傳送」及其各別形式。在本說明書中，電荷可包括正電荷或負電荷，及/或成對或其他成群之此等電荷。在本說明書中，載流子可包括(但不限於)電子。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導負電荷通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導正電荷通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導成對或其他成群電荷通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導載流子通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導成對或其他成群載流子通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導呈一或多個粒子形式的電荷通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導呈一或多個粒子形式的電子、電子對及/或電子群通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導呈一或多個波或波包形式的電荷通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210傳導呈一或多個波或波包形式的電子、電子對及/或電子群通過晶體結構100。
在本發明之一些實施例中，電荷可以類似於波導的方式傳導通過晶體結構100。在本發明之一些實施例中，孔隙210可為與傳導電荷通過晶體結構100有關的波導。波導及其操作通常已充分瞭解。詳言之，環繞波導內部的壁可對應於圍繞孔隙210之孔隙原子250之邊界或周邊。與波導操作有關的一個態樣為其橫截面。通常，波導橫截面與能夠傳導通過波導之信號的波長有關。因此，傳導通過孔隙210之電荷的波長可與孔隙210之橫截面有關。在原子層面上，孔隙210及/或其橫截面可實質上隨HTS材料溫度的變化而變化。舉例而言，在本發明之一些實施例中，HTS材料溫度的變化可引起孔隙210及其操作特性發生變化，此轉而又可引起HTS材料在其超導狀態至其非超導狀態之間轉變。在本發明之一些實施例中，當HTS材料溫度升高時，孔隙210可限制或阻礙傳導電荷通過晶體結構100且相應HTS材料可自其超導狀態轉變成其非超導狀態。在本發明之一些實施例中，當HTS材料溫度升高時，孔隙210之橫截面可變化，由此以類似於波導的方式抑制孔隙210之操作，且相應HTS材料可自其超導狀態轉變成其非超導狀態。同樣，當HTS材料溫度降低時，在本發明之一些實施例中，孔隙210可促進(與限制或阻礙相反)傳導電荷通過晶體結構100且相應HTS材料可自其非超導狀態轉變成其超導狀態。在本發明之一些實施例中，孔隙210之橫截面可變化，由此如同波導一樣(或以類似於波導的方式)促進孔隙210之操作，且相應HTS材料可自其非超導狀態轉變成其超導狀態。
根據本發明之各種實施例，只要孔隙210在指定HTS材料內「維持」，則HTS材料將以超導狀態操作。在本發明之各種實施例中，只要孔隙210在指定HTS材料內「維持」，則孔隙210將以超導狀態操作。在本發明之各種實施例中，維持孔隙210可包括：維持孔隙210呈超導狀態；維持孔隙210以超導狀態傳導電荷通過晶體結構100的能力；相對於彼此維持孔隙原子250以使得HTS材料以超導狀態操作；相對於晶體結構100內之其他原子維持孔隙原子250以使得HTS材料以超導狀態操作；維持足以傳導電荷通過的孔隙210之橫截面以使得HTS材料保持在超導狀態；維持孔隙210之橫截面以使得其不阻礙、限制或以其他方式干擾電荷傳導，使得HTS材料保持在超導狀態；維持足以傳導載流子通過的孔隙210之橫截面以使得HTS材料保持在超導狀態；維持孔隙210之橫截面以使得其不干擾載流子，使得HTS材料保持在超導狀態；維持孔隙210實質上通暢，以使得HTS材料保持在超導狀態；維持孔隙210以使得HTS材料以改良之操作特性操作；增強孔隙210以使得HTS材料以改良之操作特性以超導狀態操作；增強孔隙210以使得增強之孔隙以改良之操作特性以超導狀態操作；及/或維持孔隙210以使得HTS材料以超導狀態操作的其他方式。根據本發明之各種實施例，維持現有HTS材料內之孔隙210可改良此等現有HTS材料的操作特性。根據本發明之各種實施例，維持新穎材料內的孔隙210可得到新穎HTS材料，其中一些相較於現有HTS材料可具有改良的操作特性。根據本發明之各種實施例，當溫度升高時，只要孔隙210在指定HTS材料內維持，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙210維持以便傳導電荷通過晶體結構100，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙210維持以便傳導載流子通過晶體結構100，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙原子250在指定HTS材料內相對於彼此維持，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙原子250在指定HTS材料內之晶體結構100中相對於其他原子維持，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙210之橫截面維持足以傳導電荷通過指定HTS材料內之孔隙210，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙210之橫截面維持足以傳導載流子通過指定HTS材料內之孔隙210，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙210之橫截面維持以使得電荷通過孔隙210時受到極小或未受到干擾，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙210之橫截面維持以使得載流子通過孔隙210時受到極小或未受到干擾，則HTS材料將以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，只要孔隙210之橫截面維持在指定HTS材料內實質上通暢，則HTS材料將以超導狀態操作。
根據本發明之各種實施例，孔隙210可維持，及/或設計成可維持，以使得孔隙210傳導電荷在干擾極小或無干擾下通過。在本發明之一些實施例中，傳導通過孔隙210的電荷彈性碰撞孔隙210之邊界或「壁」，此類似於光波導中發生反射之方式。更特定而言，傳導通過孔隙210的電荷彈性碰撞構成孔隙210之邊界或壁的各種孔隙原子250。只要此等碰撞具有彈性，則電荷在傳導通過孔隙210時將經歷最小的損耗(亦即「電阻」)。
孔隙(諸如(但不限於)圖2中之孔隙210)存在於各種HTS材料中，諸如(但不限於)圖3、圖17、圖18、圖19中所說明的各種HTS材料；及各種超導體材料中，諸如(但不限於)圖32及圖33中所說明的各種超導體材料，如下文所述。如所說明，此等孔隙為一些或所有HTS材料之晶體結構所固有。存在於HTS材料中之孔隙210之各種形式、形狀、尺寸及數目與以下有關：晶體結構之準確組態、原子組成、及HTS材料之晶體結構內的原子排列，如根據本說明書所瞭解。
沿不同軸方向延伸通過各種HTS材料之晶體結構100的孔隙210之存在及不存在與此等HTS材料所顯示之各向異性相關性一致。舉例而言，如下文中將進一步詳細論述，圖3、圖17、圖18、圖19中所說明的各種HTS材料以及圖32及圖33中所說明的各種超導體材料具有沿此等材料顯示電阻現象之方向延伸的孔隙；類似地，此等HTS材料不傾向於具有沿此等材料不顯示電阻現象的方向延伸的孔隙。舉例而言，YBCO-123在沿a軸及b軸之方向上展現電阻現象，但並不傾向於在沿c軸之方向上展現電阻現象。說明於圖3、圖11及圖30中的HTS材料360對應於YBCO-123。與YBCO-123所顯示之電阻現象的各向異性相關性一致，圖3說明孔隙310沿a軸方向延伸通過晶體結構300；圖30說明孔隙310及孔隙3010沿b軸方向延伸通過晶體結構300；且圖11說明在c軸方向上，無適合孔隙延伸通過晶體結構300。
孔隙210及/或其橫截面可與孔隙原子250之各種原子特性有關。此等原子特性包括(但不限於)原子尺寸、原子量、電子數目、鍵數目、鍵長、鍵強度、孔隙原子之間的鍵角、孔隙原子與非孔隙原子之間的鍵角、及/或同位素數目。孔隙原子250可根據其相應原子特性加以選擇，以根據晶體結構及/或其中之原子在尺寸、形狀、剛性及振動模式(關於振幅、頻率及方向)上使孔隙210最佳化。
在本發明之一些實施例中，至少一些孔隙原子250包括具有高電負性的原子，例如(但不限於)氧。在本發明之一些實施例中，至少一些孔隙原子250包括已瞭解呈塊體形式時具有一定程度導電性之元素的原子。在本發明之一些實施例中，一些孔隙原子250包括具有高電負性的原子且一些其他孔隙原子250包括已瞭解具有一定程度導電性之元素的原子。在本發明之一些實施例中，孔隙原子250可提供傳導通過孔隙210之電荷(例如電子等)的來源。在本發明之一些實施例中，孔隙原子250可提供可容易利用的電荷源以便發生此電荷經由孔隙210之流動。
孔隙210及/或其橫截面可與「非孔隙原子」(亦即晶體結構100中除孔隙原子250以外的原子)之各種原子特性有關。此等原子特性包括(但不限於)原子尺寸、原子量、電子數目、電子結構、鍵數目、鍵類型、不同鍵、複鍵、鍵長、鍵強度及/或同位素數目。非孔隙原子亦可根據其相應原子特性加以選擇，以根據晶體結構及/或其中之原子在尺寸、形狀、剛性及振動模式(關於振幅、頻率及方向)上使孔隙210最佳化。在本發明之一些實施例中，非孔隙原子可提供傳導通過孔隙210之電荷(例如電子等)的來源。在本發明之一些實施例中，非孔隙原子可提供可容易利用的電荷源以便發生此電荷經由孔隙210之流動。
在本發明之一些實施例中，孔隙210可與非孔隙原子關於孔隙原子250之各種原子特性有關。在本發明之一些實施例中，孔隙210可與孔隙原子250關於非孔隙原子之各種原子特性有關。在本發明之一些實施例中，孔隙210可與孔隙原子250關於其他孔隙原子250之各種原子特性有關。在本發明之一些實施例中，孔隙210可與非孔隙原子關於其他非孔隙原子之各種原子特性有關。
根據本發明之各種實施例，晶體結構110內之孔隙210變化可能會影響電阻現象。根據本發明之各種實施例，孔隙210之橫截面變化可能會影響電阻現象。根據本發明之各種實施例，孔隙210內之阻塞變化(包括阻塞尺寸、阻塞數或此等阻塞出現之頻率或機率變化)可能會影響電阻現象。在本發明之一些實施例中，此等阻塞可與孔隙原子250之各種原子特性有關。在本發明之一些實施例中，此等阻塞可與非孔隙原子之各種原子特性有關。原子特性包括(但不限於)原子尺寸、原子量、電子數目、電子結構、鍵數目、鍵類型、不同鍵、複鍵、鍵長、鍵強度及/或同位素數目。
根據本發明之各種實施例，孔隙210之物理結構變化(包括其橫截面之形狀及/或尺寸變化)可能會影響電阻現象。根據本發明之各種實施例，孔隙210之電子結構變化可能會影響電阻現象。根據本發明之各種實施例，影響孔隙原子250的晶體結構100之變化可能會影響電阻現象。影響孔隙原子250的變化可包括(但不限於)：1)相對於其他孔隙原子置換孔隙原子之核；2)相對於孔隙原子置換非孔隙原子之核；3)孔隙及/或非孔隙原子之可能能態變化；及4)此等可能能態之佔有率變化。任何此等變化或此等變化之組合可能會影響孔隙210。舉例而言，當晶體結構100之溫度升高時，孔隙210之橫截面可能因晶體結構100內各種原子之振動以及晶體結構100中原子之能態或其佔有率變化而變化。晶體結構100之物理彎曲、拉伸或壓縮亦可能會影響晶體結構100內各種原子的位置且因此影響孔隙210之橫截面。施加於晶體結構100上的磁場亦可能會影響晶體結構100內各種原子的位置且因此會影響孔隙210之橫截面。
聲子對應於晶體結構100內的各種振動模式。晶體結構100中的聲子可與傳導通過晶體結構100的電荷相互作用。更特定而言，晶體結構100中的聲子可引起晶體結構100中之原子(例如孔隙原子250、非孔隙原子等)與傳導通過晶體結構100之電荷相互作用。較高溫度產生較高聲子振幅且可能使聲子、晶體結構100中之原子及此電荷間的相互作用增強。本發明之各種實施例可最小化、減少或以其他方式改變晶體結構100內聲子、晶體結構100中之原子及此電荷間的此相互作用。
在本發明之一些實施例中，可對現有HTS材料之晶體結構100進行改質以維持晶體結構100內的孔隙210，由此允許現有HTS材料以改良的操作特性操作。在本發明之一些實施例中，可對現有HTS材料之晶體結構100進行改質以在較高溫度下維持晶體結構100內的孔隙210，由此允許現有HTS材料以改良的操作特性操作。在本發明之一些實施例中，可對現有HTS材料之晶體結構100進行改質以在較高溫度下維持晶體結構100內的孔隙210，由此允許現有HTS材料在較高溫度下及/或以增大之電流容量及/或以其他改良之操作特性保持在超導狀態。在本發明之一些實施例中，新穎HTS材料可設計成具有在較高溫度下及/或以增大之電流容量及/或以其他改良之操作特性形成且維持孔隙210的晶體結構。可使用各種機制來對晶體結構100進行改質以便維持孔隙210。
在本發明之一些實施例中，孔隙210在處於液氮溫度、液氮溫度附近或高於液氮溫度之溫度下維持。在本發明之一些實施例中，孔隙210在處於固體二氧化碳溫度、固體二氧化碳溫度附近或高於固體二氧化碳溫度之溫度下維持。在本發明之一些實施例中，孔隙210在處於液氨溫度、液氨溫度附近或高於液氨溫度之溫度下維持。在本發明之一些實施例中，孔隙210在處於各種液體氟氯烷調配物溫度、各種液體氟氯烷調配物溫度附近或高於各種液體氟氯烷調配物溫度之溫度下維持。在本發明之一些實施例中，孔隙210在處於凍結水溫度、凍結水溫度附近或高於凍結水溫度之溫度下維持。在本發明之一些實施例中，孔隙210在處於室溫(例如21℃)、室溫附近或高於室溫之溫度下維持。
因此，可產生各種新穎HTS材料，如對現有HTS材料材料進行改質或設計及形成新穎HTS材料。在本發明之一些實施例中，HTS材料在處於液氮溫度、液氮溫度附近或高於液氮溫度的溫度下以超導狀態操作。在本發明之一些實施例中，HTS材料在處於固體二氧化碳溫度、固體二氧化碳溫度附近或高於固體二氧化碳溫度的溫度下以超導狀態操作。在本發明之一些實施例中，HTS材料在處於液氨溫度、液氨溫度附近或高於液氨溫度的溫度下以超導狀態操作。在本發明之一些實施例中，HTS材料在處於各種液體氟氯烷調配物溫度、各種液體氟氯烷調配物溫度附近或高於各種液體氟氯烷調配物溫度的溫度下以超導狀態操作。在本發明之一些實施例中，HTS材料在處於凍結水溫度、凍結水溫度附近或高於凍結水溫度的溫度下以超導狀態操作。在本發明之一些實施例中，HTS材料在處於室溫(例如21℃)、室溫附近或高於室溫的溫度下以超導狀態操作。在本發明之一些實施例中，一部分HTS材料在處於任一或多種此等溫度、任一或多種此等溫度附近或高於任一或多種此等溫度的溫度下以超導狀態操作。
圖3說明自第二視角透視的例示性HTS材料360之晶體結構300。例示性HTS材料360為超導體材料，一般稱作「YBCO」，在某些調配物中，其具有約90 K之轉變溫度。特定而言，圖3中所描繪的例示性HTS材料360為YBCO-123。例示性HTS材料360之晶體結構300包括釔(「Y」)、鋇(「Ba」)、銅(「Cu」)及氧(「O」)之各種原子。如圖3中所說明，孔隙310在晶體結構300內由孔隙原子350(亦即釔、銅及氧之原子)形成。孔隙310中釔孔隙原子之間的橫截面距離為約0.389 nm，孔隙310中氧孔隙原子之間的橫截面距離為約0.285 nm，且孔隙310中銅孔隙原子之間的橫截面距離為約0.339 nm。
圖30說明自第三視角透視的例示性HTS材料360之晶體結構300。類似於上文關於圖3所述，例示性HTS材料360為YBCO-123，且孔隙310係在晶體結構300內由孔隙原子350(亦即釔、銅及氧之原子)所形成。在此取向上，孔隙310中釔孔隙原子之間的橫截面距離為約0.382 nm，孔隙310中氧孔隙原子之間的橫截面距離為約0.288 nm，且孔隙310中銅孔隙原子之間的橫截面距離為約0.339 nm。在此取向上，除孔隙310外，例示性HTS材料360之晶體結構300亦包括孔隙3010。孔隙3010存在於晶體結構300之b軸方向上。更特定而言，孔隙3010存在於晶體結構300中例示性HTS材料360之個別單位晶胞之間。孔隙3010係在晶體結構300內由孔隙原子3050(亦即鋇、銅及氧之原子)形成。孔隙3010中鋇孔隙原子3050之間的橫截面距離為約0.430 nm，孔隙3010中氧孔隙原子3050之間的橫截面距離為約0.382 nm，且孔隙3010中銅孔隙原子3050之間的橫截面距離為約0.382 nm。在本發明之一些實施例中，孔隙3010係以類似於本文中關於孔隙310所述的方式操作。在本說明書中，根據孔隙中各別孔隙原子350、3050之組成，YBCO中之孔隙310可稱作「釔孔隙」，而YBCO中之孔隙3010可稱作「鋇孔隙」。
圖17說明自第二視角透視的例示性HTS材料1760之晶體結構1700。例示性HTS材料1760為一般稱作「HgBa2CuO4」的HTS材料，其具有約94 K之轉變溫度。例示性HTS材料1760之晶體結構1700包括汞(「Hg」)、鋇(「Ba」)、銅(「Cu」)及氧(「O」)之各種原子。如圖17中所說明，孔隙1710係在晶體結構1700內由包含鋇、銅及氧之原子的孔隙原子形成。
圖18說明自第二視角透視的例示性HTS材料1860之晶體結構1800。例示性HTS材料1860為HTS材料，一般稱作「Tl2Ca2Ba2Cu3O10」，其具有約128 K之轉變溫度。例示性HTS材料1860之晶體結構1800包括鉈(「Tl」)、鈣(「Ca」)、鋇(「Ba」)、銅(「Cu」)及氧(「O」)之各種原子。如圖18中所說明，孔隙1810在晶體結構1800內由包含鈣、鋇、銅及氧之原子的孔隙原子形成。亦如圖18中所說明，第二孔隙1820在晶體結構1800內亦可由包含鈣、銅及氧之原子的第二孔隙原子形成。第二孔隙1820可以類似於孔隙1810的方式操作。
圖19說明自第二視角透視的例示性HTS材料1960之晶體結構1900。例示性HTS材料1960為HTS材料，一般稱作「La2CuO4」，其具有約39 K之轉變溫度。例示性HTS材料1960之晶體結構1900包括鑭(「La」)、銅(「Cu」)及氧(「O」)之各種原子。如圖19中所說明，孔隙1910在晶體結構1900內由包含鑭及氧之原子的孔隙原子形成。
圖32說明自第二視角透視的選自更廣泛類別之超導體材料(亦即，除HTS材料以外)之材料之晶體結構3200。例示性超導體材料3260為一般稱作「As2Ba0.34Fe2K0.66」的超導體材料，其具有約38 K之轉變溫度。例示性超導體材料3260代表一類超導體材料，有時稱作「鐵之磷族元素化物」。例示性超導體材料3260之晶體結構3200包括砷(「As」)、鋇(「Ba」)、鐵(「Fe」)及鉀(「K」)之各種原子。如圖32中所說明，孔隙3210在晶體結構3200內由包含鉀及砷之原子的孔隙原子形成。
圖33說明自第二視角透視的選自更廣泛類別之超導體材料(亦即，除HTS材料以外)之材料之晶體結構3300。例示性超導體材料3360為一般稱作「MgB2」的超導體材料，其具有約39 K之轉變溫度。例示性超導體材料3360之晶體結構3300包括鎂(「Mg」)及硼(「B」)之各種原子。如圖33中所說明，孔隙3310在晶體結構3300內由包含鎂及硼之原子的孔隙原子形成。
圖3、圖17、圖18、圖19及圖30中所說明的前述例示性HTS材料以及圖32及圖33中所說明的前述例示性超導體材料各自顯示在此等超導體材料內存在各種孔隙。各種其他超導體材料(包括HTS材料)具有類似孔隙。孔隙及其相應晶體結構一旦歸結於電阻現象，則可用於改良現有超導體材料之操作特性、由現有超導體材料產生改良之超導體材料，及/或設計及調配新穎超導體材料。
在本發明之一些實施例中，可使用各種電腦模型化工具建立孔隙及其晶體結構的模型，以改良各種HTS材料之操作特性。為便於說明，HTS材料360(及其附屬特性及結構)此後通常指各種HTS材料，包括(但不限於)HTS材料1760、HTS材料1860及圖式中所說明的其他HTS材料，而不僅僅是參考圖3所說明及描述的HTS材料。
圖4說明晶體結構100之概念機械模型400。概念模型400包括三個彈簧(亦即彈簧S1、彈簧SF及彈簧S2)及兩個塊體(亦即塊體M1及塊體M2)。在本說明書中，彈簧S1可模擬為在一側附接至剛性壁410且在另一側附接至塊體M1。彈簧S1與塊體M1一起可用於模擬晶體結構100之第一部分220。塊體M1耦聯於彈簧S1與彈簧SF之間。彈簧SF可用於模擬晶體結構100之孔隙210(亦即，在第一部分220與第二部分230之間相互作用的力)。彈簧SF耦聯於塊體M1與塊體M2之間。塊體M2耦聯於彈簧SF與彈簧S2之間。彈簧S2與塊體M2一起可用於模擬晶體結構100之第二部分230。此外，在本說明書中，彈簧S2可模擬為附接至剛性壁420。顯然，可模擬其他晶體結構。
圖4中之彈簧代表在晶體結構100內之原子群組之間相互作用的力。此等力各自可根據已確立的模型化技術用彈簧模擬。雖然圖4中之彈簧描繪為單維，但應瞭解，彈簧顯然可模擬為三維；然而此三維描繪並非為理解本發明或其實施例之目的所必需。
如所瞭解，溫度與原子(例如聲子)之振動相關。詳言之，當HTS材料原子之振動增加時，HTS材料之溫度升高。此等振動之振幅及頻率與指定HTS材料中存在的各種力及塊體相關。就晶體結構100而言，彈簧S1、S2及SF以及塊體M1及M2影響機械模型之振動，該振動轉而又模擬溫度增加時晶體結構100所經歷之振動，此可能又會影響孔隙210。
根據本發明之各種實施例，此等振動影響孔隙210。根據本發明之各種實施例，在高於轉變溫度的溫度下，振動改變或以其他方式影響孔隙210致使HTS材料以其非超導狀態操作(例如，孔隙210之橫截面限制、阻礙或以其他方式不利於傳導電荷通過孔隙210)；而在低於轉變溫度的溫度下，振動不妨礙HTS材料以其超導狀態操作(例如，孔隙210之橫截面有利於傳導電荷通過孔隙210)。
根據本發明之各種實施例，在高於轉變溫度的溫度下，振動改變或以其他方式影響孔隙原子250致使HTS材料轉變成其非超導狀態及/或以其非超導狀態操作(或換言之，停止以其超導狀態操作)。根據本發明之各種實施例，在高於轉變溫度的溫度下，振動改變或以其他方式影響非孔隙原子致使HTS材料轉變成其非超導狀態及/或以其非超導狀態操作。
根據本發明之各種實施例，可對各種已知HTS材料之晶體結構進行改質(由此產生新穎材料衍生物)，以使得經改質的HTS材料相對於已知HTS材料以改良的操作特性操作。根據本發明之各種實施例，可對各種已知HTS材料之晶體結構進行改質，以使得孔隙210在較高溫度下維持。根據本發明之各種實施例，可對各種已知HTS材料之晶體結構進行改質(由此產生新穎HTS材料衍生物)，以使得孔隙210在較高溫度下傳導電荷。根據本發明之各種實施例，可設計且製造各種新穎且先前未知的HTS材料的晶體結構，以使得新穎HTS材料相對於現有HTS材料以改良的操作特性操作。根據本發明之各種實施例，可設計且製造各種新穎且先前未知的HTS材料的晶體結構，以使得孔隙210在較高溫度下維持。根據本發明之各種實施例，可設計且製造各種新穎且先前未知的HTS材料的晶體結構，以使得孔隙210在較高溫度下傳導電荷。
根據本發明之各種實施例，晶體結構100中之孔隙210具有尺寸足以傳導電荷通過晶體結構100的橫截面，使得HTS材料360以超導狀態操作。在本發明之一些實施例中，晶體結構100中橫截面尺寸範圍為0.20 nm至1.00 nm的彼等孔隙210可傳導電荷通過晶體結構100，使得HTS材料360以超導狀態操作。根據本發明之各種實施例，晶體結構100中之孔隙210具有尺寸足以傳導電荷通過晶體結構100的橫截面，使得孔隙210以超導狀態操作。在一些實施例中，晶體結構100中橫截面尺寸範圍為0.20 nm至1.00 nm的彼等孔隙210可傳導電荷通過晶體結構100，使得孔隙210以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，改良及設計以改良之操作特性操作的HTS材料可包括分析孔隙210及晶體結構100之機械態樣(例如力、距離、質量、振動模式等)，使得孔隙210在較高溫度下充分維持以保持在超導狀態。在本發明之一些實施例中，改良及設計以改良之操作特性操作的HTS材料可包括分析晶體結構100中之原子(包括(但不限於)孔隙原子250)的電子態樣(例如吸引及排斥原子力、電導率、電負性等)，使得孔隙210在較高溫度下充分維持以保持在超導狀態。在本發明之一些實施例中，改良及設計以改良之操作特性操作的HTS材料可包括分析孔隙210及晶體結構100及其中原子之電態樣與機械態樣，使得孔隙210在較高溫度下充分維持以在超導狀態下操作。
在本發明之一些實施例中，就概念而言，可改變彈簧S1之彈簧常數以使得S1'≠S1，如圖5中所說明。改變的彈簧常數傾向於改變機械模型之振動的幅度、模式、頻率、方向及/或其他振動特性。彈簧常數改變可引導晶體結構100中發生相應變化，例如改變晶體結構100之第一部分220之剛性。可藉由改變第一部分220內的各種原子以影響第一部分220內之原子的鍵長、鍵強度、鍵角、鍵數目或其他原子特性來改變晶體結構100之第一部分220的剛性。如所瞭解，可藉由使較少或較多原子鍵結於第一部分220藉此有效改變彈簧S1之彈簧常數來改變晶體結構100之第一部分220的剛性。
在本發明之一些實施例中，就概念而言，可改變彈簧S2之彈簧常數以使得S2'≠S2，如圖6中所說明。如上所述，改變的彈簧常數傾向於改變機械模型之振動的幅度、模式、頻率、方向及/或其他振動特性。彈簧常數改變可引導晶體結構100中發生相應變化，例如以與上文關於彈簧S1所述類似之方式改變晶體結構100之第二部分230之剛性。如所瞭解，可藉由使較少或較多原子鍵結於第二部分230藉此有效改變彈簧S2之彈簧常數來改變晶體結構100之第二部分230的剛性。
在本發明之一些實施例中，再次就概念而言，可改變彈簧SF之彈簧常數以使得SF'≠SF，如圖7中所說明。如上所述，改變的彈簧常數傾向於改變機械模型之振動的幅度、模式、頻率、方向及/或其他振動特性。彈簧常數改變可引導晶體結構100中發生相應變化，例如改變晶體結構100內所形成之孔隙210之剛性。此可以多種方式實現，包括(但不限於)使孔隙210之形狀改變為結構強度不同於其他形狀的形狀；改變孔隙原子之間的鍵強度；改變鍵角；改變晶體結構100之振動模式；改變孔隙原子250；或其他方式。此亦可如下實現：例如使材料在晶體結構100上形成層，以使得該材料之原子藉由在第一部分220與第二部分230之間形成一或多個鍵藉此有效改變彈簧SF之彈簧常數來跨越孔隙210，如所瞭解。換言之，跨越孔隙210的原子引入與SF平行的另一彈簧S，此實際上改變第一部分220與第二部分230之間的彈簧常數。成層材料對晶體結構100之此改質結合各種實驗測試結果進一步詳細描述於下文中。
在本發明之一些實施例中，再次就概念而言，可降低塊體M1之質量以使得M1'<M1，如圖8中所說明。降低的質量傾向於改變機械模型之振動的各種幅度、模式、頻率、方向及/或其他振動特性。降低的質量可引導晶體結構100中發生相應變化，最終可使得晶體結構100內之孔隙210在較高溫度下維持及/或穩定。此可如下實現：例如在晶體結構100之第一部分220內使用較小分子及/或原子，或用較小分子及/或原子置換各種較大分子及/或原子。可藉由降低塊體M2之質量達成類似效果。
在本發明之一些實施例中，再次就概念而言，可增加塊體M1之質量以使得M1'>M1，如圖9中所說明。增加的質量傾向於改變機械模型之振動的各種幅度、模式、頻率、方向及/或其他振動特性。增加的質量可引導晶體結構100中發生相應變化，最終可使得晶體結構100內之孔隙210在較高溫度下維持及/或穩定。此可如下實現：例如在晶體結構100之第一部分220內使用較大原子，或用較大原子置換各種較小原子。可藉由增加塊體M2之質量達成類似效果。
在本發明之各種實施例中，可對上文關於圖5-9所述之各種變化進行任何組合以改變機械模型之振動，從而可引導晶體結構100中發生相應變化以便在較高溫度下維持孔隙210。在本發明之一些實施例中，可能需要在不同變化之間作出權衡以便為維持孔隙210提供淨改良。
在本發明之一些實施例中，可使用晶體結構100之三維電腦模型來設計具有在較高溫度下維持之適當孔隙210的HTS材料。顯然，此等模型可用於分析孔隙原子250及/或非孔隙原子之間的相互作用及其各自隨溫度對孔隙210的影響。舉例而言，可使用各種電腦模型化工具來顯現及分析晶體結構100，且特定言之，顯現及分析晶體結構100中之孔隙210。一種此電腦模型化工具稱為「Jmol」，其為一種檢視及操作3D化學結構的開放源Java檢視器(open-source Java viewer)。Jmol可於http://www.jmol.org獲得。
在本發明之一些實施例中，可模擬晶體結構100之各種三維電腦模型以測定及評估晶體結構100及其中原子之相互作用。此等電腦模型可使用密度泛函數理論(「DFT」)。使用DFT的電腦模型可用於基於維持孔隙210來設計新穎HTS材料及對現有HTS材料進行改質，以使得此等HTS材料根據本文中所述之本發明各種原理及如所瞭解以超導狀態操作。
在本發明之一些實施例中，可根據各種已知技術選擇彈簧與塊體之組合以改變影響晶體結構100內之孔隙210的振動(包括其相關振動特性)。換言之，可改變及/或選擇彈簧及塊體以改變晶體結構100內之各種振動的幅度、模式、頻率、方向及/或其他振動特性，以使其對孔隙210的影響最小。舉例而言，可改變及/或選擇彈簧及塊體以允許晶體結構100內在與傳導電荷通過孔隙210平行(或實質上平行)的方向上之振動，藉此減少此等振動對孔隙210的影響。進一步舉例而言，可改變及/或選擇彈簧及塊體以調節晶體結構100的各種共振頻率以便在不同溫度下傳導電荷通過孔隙210。
在本發明之一些實施例中，可選擇彈簧與塊體之組合以便不論晶體結構100內經歷何種振動均維持晶體結構100內的孔隙210。換言之，減少、增加及/或以其他方式改變晶體結構100內的振動可能不會在其他方面影響電阻現象，其限制條件為孔隙210本身得以維持。
圖10說明自第二視角透視之本發明各種實施例之經改質HTS材料1060的經改質晶體結構1010。圖11說明自第一視角透視之本發明各種實施例之經改質HTS材料1060的經改質晶體結構1010。HTS材料360(例如，如圖3與其他處所說明)經改質以形成經改質HTS材料1060。改質材料1020與HTS材料360(圖3)之晶體結構300之原子形成鍵從而形成經改質HTS材料1060之經改質晶體結構1010，如圖11中所說明。如所說明，改質材料1020彌補第一部分320與第二部分330之間的間隙，藉此改變尤其孔隙310之區域中經改質晶體結構1010之振動特性。如此，改質材料1020在較高溫度下維持孔隙310。參照圖7，改質材料1020用於例如藉由充當與彈簧SF平行之一或多個其他彈簧來改變彈簧SF之有效彈簧常數。因此，在本發明之一些實施例中，改質材料1020經特別選擇以便與晶體結構300中之適當原子配合及鍵結。
在本發明之一些實施例中且如圖10中所說明，改質材料1020鍵結於晶體結構300中與b平面平行之面(例如「a-c」面)。在改質材料1020鍵結於「a-c」面的此等實施例中，沿a軸方向延伸且橫截面位於a平面內的孔隙310得以維持。在此等實施例中，載荷子沿a軸方向流經孔隙310。
在本發明之一些實施例中，改質材料1020鍵結於晶體結構300中與a平面平行之面(例如「b-c」面)。在改質材料1020鍵結於「b-c」面的此等實施例中，沿b軸方向延伸且橫截面位於b平面內的孔隙310得以維持。在此等實施例中，載荷子沿b軸方向流經孔隙310。
本發明之各種實施例包括用改質材料1020在HTS材料360之特定表面上形成層(亦即，用改質材料1020對HTS材料360之特定表面進行改質)。如依據本說明書可認識到，提及「對HTS材料360之表面進行改質」最終包括對HTS材料360之一或多個單位晶胞2100的面(且在一些情況下，為一個以上面)進行改質。換言之，改質材料1020實際上鍵結於HTS材料360之單位晶胞2100中的原子。
舉例而言，對與a平面平行之HTS材料360的表面進行改質包括對單位晶胞2100之「b-c」面進行改質。同樣，對與b平面平行之HTS材料360的表面進行改質包括對單位晶胞2100之「a-c」面進行改質。在本發明之一些實施例中，改質材料1020鍵結於實質上與平行於c軸之任何平面平行的HTS材料360之表面。在本說明書中，與c軸平行的平面通常稱為ab平面，且如所瞭解，包括a平面及b平面。如所瞭解，與ab平面平行的HTS材料360之表面係由單位晶胞2100之「a-c」面與「b-c」面之一些混合體形成。在改質材料1020鍵結於與ab平面平行之表面的此等實施例中，沿a軸方向延伸的孔隙310及沿b軸方向延伸的孔隙310得以維持。
在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為導電材料。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為具有高氧親和力的材料(亦即，容易與氧鍵結的材料)(「氧鍵結材料」)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為容易與氧鍵結的導電材料(「氧鍵結導電材料」)。此等氧鍵結導電材料可包括(但不限於)：鉻、銅、鉍、鈷、釩及鈦。此等氧鍵結導電材料亦可包括(但不限於)：銠或鈹。其他改質材料可包括鎵或硒。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鉻(Cr)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為銅(Cu)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鉍(Bi)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鈷(Co)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為釩(V)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鈦(Ti)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為銠(Rh)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鈹(Be)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鎵(Ga)。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為硒(Se)。在本發明之一些實施例中，可使用其他元素作為改質材料1020。在本發明之一些實施例中，可使用不同材料的組合(例如化合物、組合物、分子、合金等)作為改質材料1020。在本發明之一些實施例中，材料之不同層及/或材料組合可一起用作改質材料1020。在本發明之一些實施例中，改質材料1020對應於與氧適當鍵結的原子。在本發明之一些實施例中，改質材料1020包括與晶體結構1010中之各種原子的鍵長至少長達第一部分320之原子與第二部分330之原子之間距離的一半的原子。在本發明之一些實施例中，改質材料1020包括與晶體結構1010中之各種原子鍵結的原子。在本發明之一些實施例中，改質材料1020包括與晶體結構1010中之各種原子良好鍵結的原子。
在本發明之一些實施例中，在與用改質材料1020對HTS材料360進行改質相關的各種操作期間可能形成改質材料1020之氧化物。因此，在本發明之一些實施例中，改質材料1020可包含改質材料1020之實質純形式及改質材料1020之各種氧化物。換言之，在本發明之一些實施例中，HTS材料360係經改質材料1020及改質材料1020之各種氧化物改質。舉例而言(但不受限制)，在本發明之一些實施例中，改質材料1020可包含鉻及氧化鉻(CrxOy)。在本發明之一些實施例中，HTS材料360係經改質材料1020之各種氧化物改質。舉例而言(但不受限制)，在本發明之一些實施例中，HTS材料360係經氧化鉻(CrxOy)改質。
在本發明之一些實施例中，可使用其他材料對晶體結構1010進行改質。舉例而言，可選擇相對於氧化銅層具有增強之鍵強度的改質材料1020來置換釔(孔隙原子之一)。亦舉例而言，可選擇相對於釔具有增強之鍵強度的改質材料1020來置換氧化銅層。舉例而言，可選擇氧化鉻(CrO)來置換氧化銅(CuO)。亦舉例而言，可選擇相對於氧化銅層具有增強之鍵強度的改質材料1020來置換鋇。雖然此等實例提及鍵強度，但亦可根據其他原子特性或其組合選擇傾向於在較高溫度下維持孔隙310的各種改質材料1020，例如(但不限於)可引起晶體結構1010之振動淨改變的改質材料1020。
在本發明之一些實施例中，HTS材料360可為YBCO且改質材料1020可為氧鍵結導電材料。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鉻且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為銅且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鉍且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鈷且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為釩且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鈦且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為銠且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鈹且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020為另一氧鍵結導電材料且HTS材料360可為YBCO。
在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為鎵且HTS材料360可為YBCO。在本發明之一些實施例中，改質材料1020可為硒且HTS材料360可為YBCO。
在本發明之一些實施例中，可使用混合價銅氧化物鈣鈦礦材料與氧鍵結導電材料之各種其他組合。舉例而言，在本發明之一些實施例中，HTS材料360對應於混合價銅氧化物鈣鈦礦材料，一般稱作「BSCCO」。BSCCO包括鉍(「Bi」)、鍶(「Sr」)、鈣(「Ca」)、銅(「Cu」)及氧(「O」)之各種原子。BSCCO本身具有約100 K之轉變溫度。在本發明之一些實施例中，HTS材料360可為BSCCO且改質材料1020可為氧鍵結導電材料。在本發明之一些實施例中，HTS材料360可為BSCCO且改質材料1020可選自包括(但不限於)以下之群：鉻、銅、鉍、鈷、釩、鈦、銠或鈹。在本發明之一些實施例中，HTS材料360可為BSCCO且改質材料1020可選自由以下組成之群：鉻、銅、鉍、鈷、釩、鈦、銠及鈹。
在本發明之一些實施例中，可使用其他超導體材料(亦即，而非HTS材料360)與改質材料之各種組合。舉例而言，在本發明之一些實施例中，超導體材料360對應於鐵之磷族元素化物材料。鐵之磷族元素化物本身具有約25-60 K範圍內之轉變溫度。在本發明之一些實施例中，超導體材料360可為鐵之磷族元素化物且改質材料1020可為氧鍵結導電材料。在本發明之一些實施例中，超導體材料360可為鐵之磷族元素化物且改質材料1020可選自包括(但不限於)以下之群：鉻、銅、鉍、鈷、釩、鈦、銠或鈹。在本發明之一些實施例中，超導體材料360可為鐵之磷族元素化物且改質材料1020可選自由以下組成之群：鉻、銅、鉍、鈷、釩、鈦、銠及鈹。
在本發明之一些實施例中，可使用其他超導體材料(亦即，而非HTS材料360)與改質材料之各種組合。舉例而言，在本發明之一些實施例中，超導體材料360可為二硼化鎂(「MgB2」)。二硼化鎂本身具有約39 K之轉變溫度。在本發明之一些實施例中，超導體材料360可為二硼化鎂且改質材料1020可為氧鍵結導電材料。在本發明之一些實施例中，超導體材料360可為二硼化鎂且改質材料1020可選自包括(但不限於)以下之群：鉻、銅、鉍、鈷、釩、鈦、銠或鈹。在本發明之一些實施例中，超導體材料360可為二硼化鎂且改質材料1020可選自由以下組成之群：鉻、銅、鉍、鈷、釩、鈦、銠及鈹。
在本發明之一些實施例中，如所瞭解，可使用使一種組合物於另一種組合物上形成層的各種技術來使改質材料1020於HTS材料360之樣品上形成層。舉例而言，此等成層技術包括(但不限於)脈衝雷射沈積、蒸發(包括共蒸發、電子束蒸發及活化反應性蒸發)、濺鍍(包括磁控濺鍍、離子束濺鍍及離子輔助濺鍍)、陰極弧沈積、CVD、有機金屬CVD、電漿增強CVD、分子束磊晶法、溶膠凝膠法、液相磊晶法及/或其他成層技術。在本發明之一些實施例中，可使用使一種組合物於另一種組合物上形成層的各種技術來使HTS材料360於改質材料1020之樣品上形成層。在本發明之一些實施例中，可於HTS材料360之樣品上形成改質材料1020之單原子層(亦即，厚度實質上等於改質材料1020之單個原子或分子的改質材料1020之層)。在本發明之一些實施例中，可於HTS材料之樣品上形成改質材料之單個單位層(亦即，厚度實質上等於改質材料之單個單位(例如原子、分子、晶體或其他單位)的改質材料之層)。在本發明之一些實施例中，HTS材料可於改質材料之單個單位層上形成層。在本發明之一些實施例中，可於HTS材料上形成改質材料之兩個或兩個以上單位層。在本發明之一些實施例中，HTS材料可於改質材料之兩個或兩個以上單位層上形成層。
其他人已嘗試使各種組合物(例如金、銅、矽等)於已知HTS材料上成層以試圖改良其在各種應用中的適用性。然而，此等組合物之選擇並非基於改變、增強或以其他方式維持孔隙210的意圖，尤其關於：晶體結構100及孔隙210之各種幾何特性(例如(但不限於)第一部分220與第二部分230之間間隙之寬度、孔隙210之尺寸等)；溫度改變時晶體結構100中孔隙原子250的原子特性、其與各其他原子的相互作用及其對孔隙210的影響；及晶體結構100中原子的原子特性及其與改質材料1020的相互作用(例如(但不限於)改質材料1020與晶體結構100中之原子的各種鍵結性質)。
在本發明之一些實施例中，可改變晶體結構100內所用的晶格。舉例而言，可使用具有單斜晶體對稱性、斜方晶體對稱性或立方晶體對稱性的晶格來改良晶體結構100內的各種其他晶格。此外，可使用體心立方對稱性或面心立方對稱性來改良晶體結構100內的簡單立方對稱性。在一些實施例中，晶體結構100內更多種的晶格可在較高溫度下維持孔隙210。在一些實施例中，晶體結構100內更複雜的晶格可在較高溫度下維持孔隙210。
在本發明之一些實施例中，晶體結構100可設計成使得晶體結構100內的聲子(亦即晶格振動)主要沿與傳導電荷通過孔隙210平行的單一方向傳導通過晶體結構100(亦即，朝向例如圖2之頁面內)。此等聲子傾向於不影響孔隙210，藉此允許孔隙210在較高溫度下以超導狀態操作。可將與傳導電荷通過孔隙210正交傳導的任何聲子減至最少以避免影響孔隙210。
現利用圖12及13A-13I來描述對HTS材料360之樣品1310進行改質以產生本發明各種實施例的經改質HTS材料1060。圖12為用改質材料1020對HTS材料360之樣品1310進行改質以產生本發明各種實施例之經改質HTS材料1060的流程圖。圖13A-13J說明HTS材料360之樣品1310經歷改質以產生本發明各種實施例的經改質HTS材料1060。在本發明之一些實施例中，HTS材料360為混合價銅氧化物鈣鈦礦材料且改質材料1380為氧鍵結導電材料。在本發明之一些實施例中，HTS材料360為一般稱作YBCO之HTS材料，且改質材料1380為鉻。
如圖13A中所說明，樣品1310為HTS材料360之複數個結晶單位晶胞且其非導電軸沿c軸取向。在本發明之一些實施例中，樣品1310之尺寸為約5 mm×10 mm×10 mm。在本說明書中，樣品1310經取向以使得HTS材料360之主導電軸沿a軸對準。顯然，若HTS材料360包括兩個主導電軸，則樣品1310可沿a軸或b軸取向。如進一步所瞭解，在一些實施例中，樣品1310可沿c平面(亦即，與任何ab平面平行的面)內的任何線取向。在操作1210中且如圖13B及圖13C中所說明，藉由沿著實質上與樣品1310之a平面平行的平面切割樣品1310來產生切片1320。在本發明之一些實施例中，切片1320之厚度為約3 mm，然而可使用其他厚度。在本發明之一些實施例中，此可使用精密金剛石刀片實現。
在視情況選用之操作1220中且如圖13D、圖13E及圖13F中所說明，藉由沿著切片1320之a平面之對角線切割切片1320來產生楔形塊1330以暴露樣品1310中之多個孔隙。在本發明之一些實施例中，此可使用精密金剛石刀片實現。此操作在具有暴露之孔隙的楔形塊1330之對角線表面上產生面1340。在本發明之一些實施例中，面1340對應於實質上平行於c軸的任何平面。在本發明之一些實施例中，面1340對應於實質上垂直於a軸的平面(亦即，晶體結構100之a平面)。在本發明之一些實施例中，面1340對應於實質上垂直於b軸的平面(亦即，晶體結構100之b平面)。在本發明之一些實施例中，面1340對應於實質上垂直於ab平面中之任何線的平面。在本發明之一些實施例中，面1340對應於並不實質上垂直於c軸的任何平面。在本發明之一些實施例中，面1340對應於並不實質上垂直於HTS材料360之任何實質性非超導軸的任何平面。如所瞭解，由於切片1320可具有暴露之孔隙及/或與上文參考面1340所述類似之其他特性，因此可不需要操作1220。
在操作1230中且如圖13G及圖13J中所說明，使改質材料1380(例如，圖10中與其他處所說明的改質材料1020)沈積於面1340上以在楔形塊1330上產生改質材料1380之面1350且在面1340與改質材料1380之間的界面處產生經改質HTS材料1060之經改質區域1360。根據本發明之各種實施例，楔形塊1330中之經改質區域1360對應於楔形塊1330中改質材料1380鍵結於晶體結構300的區域，以改良孔隙310鄰近的晶體結構300。可使用使改質材料1380與HTS材料360鍵結的其他形式。操作1230在下文中參考圖14進一步詳細描述。
參看圖14，在操作1410中，將面1340拋光。在本發明之一些實施例中，可使用一或多種拋光劑。在包括YBCO作為HTS材料的本發明之一些實施例中，可使用一或多種非水基拋光劑，包括(但不限於)異丙醇、庚烷、非有機或穩定有機漿液。在本發明之一些實施例中，可使用水基拋光劑。在本發明之一些實施例中，面1340最後用20 nm膠體漿液拋光。在本發明之一些實施例中，沿實質上與楔形塊1330之a軸平行的方向(亦即，沿孔隙310之方向)執行面1340之拋光。在本發明之一些實施例中，如所瞭解，可使用氧電漿灰化。在本發明之一些實施例中，在臨使改質材料於面1340上形成層之前使面1340保持清潔(亦即，不存在雜質或其他材料、組合物或化合物)對於在經改質HTS材料中相對於未改質HTS材料達成改良之操作特性可能為重要的。
在操作1420中，遮蔽除面1340以外的一或多個表面。在一些實施例中，遮蔽除面1340以外的所有表面。在操作1430中，使用氣相沈積法使改質材料1380沈積於面1340上。在本發明之一些實施例中，使用氣相沈積法使約40 nm之改質材料1380沈積於面1340上，然而可使用較少或較大量之改質材料1380。在本發明之一些實施例中，使用氣相沈積法在可具有5×10-6托或低於5×10-6托之壓力的真空下使改質材料1380沈積於面1340上。
參看圖12、圖13H及圖13I，在視情況選用之操作1240中，在本發明之一些實施例中，移除楔形塊1330之一部分以減小楔形塊1330之尺寸，從而產生楔形塊1390。在操作1250中，使用黏結劑將雙端引線貼於楔形塊1390之兩個a平面(亦即「b-c」面)之各平面上。在本發明之一些實施例中，使用銀漿料(Alfa Aesar銀漿料#42469)將雙端引線貼於楔形塊1390之兩個a平面(亦即「b-c」面)上。在操作1260中，使黏結劑固化。在使用銀漿料作為黏結劑的一些實施例中，銀漿料在60℃下固化一小時，接著在150℃下再固化一小時。顯然，可使用其他固化方案。在本發明之一些實施例中，顯然，將諸如(但不限於)銀的導電材料濺鍍或以其他方式黏結於楔形塊1390之兩個b-c面之各面上且將雙端引線與其附接。可使用使雙端引線附接於楔形塊490的其他機制。操作1250之後，具有經改質區域1360(說明於圖13J中)的楔形塊1390備妥用於測試。
圖15說明適用於測定楔形塊1390之各種操作特性的測試床1500。測試床1500包括外殼1510及4個夾持器1520。如所說明，將楔形塊1390置放於外殼1510中且使用夾持器1520將雙端引線固定於外殼1510。使引線固定於外殼1510以減輕應力，以便防止經固化銀漿料之彎曲及/或破裂。向該對雙端引線之一端施加電流源，且電壓計量測至該對雙端引線之另一端的電壓。如所瞭解，此組態提供用於測定楔形塊1390之電阻且特定言之經改質HTS材料1060之電阻的多點技術。
圖16A-16G說明如上所述獲得的測試結果1600。測試結果1600包括經改質HTS材料1060之電阻隨溫度(K)而變的圖。更特定而言，測試結果1600對應於經改質HTS材料1060，其中改質材料1380對應於鉻且其中HTS材料360對應於YBCO。圖16A包括全溫度範圍(亦即84 K至286 K)內的測試結果1600，經改質HTS材料1060之電阻係在該全溫度範圍內量測。為提供進一步細節，將測試結果1600分為不同溫度範圍並加以說明。詳言之，圖16B說明240 K至280 K之溫度範圍內的測試結果1600；圖16C說明210 K至250 K之溫度範圍內的測試結果1600；圖16D說明180 K至220 K之溫度範圍內的測試結果；圖16E說明150 K至190 K之溫度範圍內的測試結果1600；圖16F說明120 K至160 K之溫度範圍內的測試結果1600；且圖16G說明84.5 K至124.5 K之溫度範圍內的測試結果1600。
測試結果1600顯示，相對於HTS材料360，楔形塊1390內經改質HTS材料1060的不同部分在較高溫度下以超導狀態操作。使用楔形塊1390進行六次樣品分析測試。進行各樣品分析測試操作時，使其中安放有楔形塊1390的測試床1500自約286 K緩慢冷卻至83 K。冷卻的同時，電流源以Δ模式組態施加+60 nA及-60 nA之電流通過楔形塊1390，以便降低任何DC偏差及/或熱電偶效應之影響。按規定時間間隔用電壓計量測楔形塊1390上的電壓。進行各樣品分析測試操作時，使用512點快速傅里葉變換(512-point fast Fourier transform；「FFT」)過濾電壓量測值之時間序列。自資料中排除FFT中除最低的44個頻率以外的所有頻率，且將經過濾資料返回至時域。接著將來自各樣品分析測試操作的經過濾資料合併，產生測試結果1600。更特定而言，以稱作「格化儲存」的方式將來自六次樣品分析測試操作的所有電阻量測值統籌分配至一系列溫度範圍(例如80 K-80.25 K、80.25 K至80.50 K、80.5 K至80.75 K等)中。接著，將各溫度範圍內的電阻量測值一起取平均值，得到各溫度範圍的平均電阻量測值。此等平均電阻量測值形成測試結果1600。
測試結果1600包括電阻與溫度關係圖中的各個離散步階1610，此等離散步階1610各自代表電阻在相對較窄溫度範圍內的相對快速變化。在各此等離散步階1610處，經改質HTS材料1060的離散部分開始在各別溫度下傳導電荷直至達到此等部分的電荷傳導容量。此特性參考圖13J進行描述，其說明改質材料1380與HTS材料360之間的界面。在比例極小時，面1340並不完全平滑。實際上，如所說明，面1340內僅暴露一部分孔隙310，且因此可能僅一小部分HTS材料360得到改質。因此，經改質HTS材料1060內的孔隙310通常並未延及楔形塊1390之整個寬度或長度。因此，在本發明之一些實施例中，改質材料1380覆蓋HTS材料360之整個表面且可充當在孔隙310之間傳遞電荷的導體。
進一步詳細論述測試結果1600之前，論述HTS材料360及改質材料1380的各種特性。此等材料的個別電阻-溫度關係(「R-T」)概況通常已熟知。咸信此等材料之個別R-T概況不包括與測試結果1600中存在之離散步階1610類似的特徵。實際上，HTS材料360之未改質樣品及單獨改質材料1380之樣品已在類似且通常相同的測試及量測組態下測試。在各情況下，HTS材料360之未改質樣品的R-T概況及單獨改質材料的R-T概況不包括類似於離散步階1610的任何特徵。因此，離散步階1610為用改質材料1380對HTS材料360進行改質以在高溫下維持孔隙310，藉此根據本發明之各種實施例使經改質材料1380在此等高溫下保持在超導狀態的結果。
在各離散步階1610處，經改質HTS材料1060內的多個孔隙310開始傳導電荷直至達到各孔隙310的電荷傳導容量。如利用電壓計所量測，各電荷傳導孔隙310表現為短路，跨越楔形塊1390的視在電壓少量下降。當其他孔隙310開始傳導電荷直至楔形塊1390之溫度達到HTS材料360之轉變溫度(亦即，未改質HTS材料之轉變溫度，在YBCO情況下，為約90 K)時，視在電壓持續下降。
測試結果1600表明，經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約97 K下傳導電荷。換言之，測試結果表明，經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約97 K下傳導電荷通過經改質HTS材料1060之晶體結構。測試結果1600亦表明：經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約100 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約103 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約113 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約126 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約140 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約146 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約179 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約183.5 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約200.5 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約237.5 K下傳導電荷；且經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約250 K下傳導電荷。如所瞭解，經改質HTS材料1060內的某些孔隙310可在全溫度範圍內之其他溫度下傳導電荷。
測試結果1600包括未另外標識為離散步階1610之相對較窄溫度範圍內之電阻的各種其他相對快速變化。一些此等其他變化可對應於對測試操作期間所獲得之量測值使用資料處理技術(例如FFT、過濾等)所產生的假影。一些此等其他變化可對應於因經改質晶體結構1010之共振頻率在不同溫度下影響孔隙310所致的電阻變化。一些此等其他變化可對應於其他離散步階1610。此外，270-274 K溫度範圍內的電阻變化可能與經改質HTS材料1060中存在水有關，其中一些水可能在製備楔形塊1390期間(例如(但不限於)在操作1410期間)即已引入。
除離散步階1610外，測試結果1600與HTS材料360之R-T概況不同之處亦在於，改質材料1380在高於HTS材料360之轉變溫度的溫度下良好導電，而HTS材料360通常不能。
圖24說明HTS材料360及改質材料1380之樣品的其他測試結果2400。更特定而言，對於測試結果2400，改質材料1380對應於鉻且HTS材料360對應於YBCO。對於測試結果2400，使用上述各種技術來製備HTS材料360之樣品，以暴露與a平面或b平面平行之晶體結構300的面。使用鎖定放大器及K6221電流源(其在24.0 Hz下向經改質HTS材料1060施加10 nA電流)收集測試結果2400。測試結果2400包括經改質HTS材料1060之電阻與溫度(K)關係的圖。圖24包括全溫度範圍(亦即80 K至275 K)內的測試結果2400，經改質HTS材料1060之電阻係在該全溫度範圍內量測。測試結果2400顯示，相對於HTS材料360，經改質HTS材料1060的各個部分在較高溫度下以超導狀態操作。對經改質HTS材料1060之樣品進行五次樣品分析測試操作。各樣品分析測試操作時，將經改質HTS材料1060之樣品自80 K緩慢溫熱至275 K。溫熱的同時，按規定時間間隔量測跨越經改質HTS材料1060之樣品的電壓且根據源電流計算電阻。各樣品分析測試操作時，使用1024點FFT過濾電阻量測值之時間序列。自資料中排除FFT中除最低的15個頻率以外的所有頻率，且將經過濾之電阻量測值返回至時域。接著使用上文所提及之格化儲存方法將來自各樣品分析測試操作之經過濾電阻量測值合併以產生測試結果2400。接著，將各溫度範圍內的電阻量測值一起取平均值，得到各溫度範圍的平均電阻量測值。此等平均電阻量測值形成測試結果2400。
測試結果2400包括電阻溫度關係圖中之各個離散步階2410，此等離散步階2410各自代表相對較窄溫度範圍內的電阻相對快速變化，類似於上文關於圖16A-16G所述的離散步階1610。在各此等離散步階2410處，經改質HTS材料1060的離散部分開始在各別溫度下傳導電荷直至達到此等部分的電荷傳導容量。
測試結果2400表明，經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約120 K下傳導電荷。換言之，測試結果2400表明，經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約120 K下傳導電荷通過經改質HTS材料1060之晶體結構。測試結果2400亦表明：經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約145 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約175 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約200 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約225 K下傳導電荷；且經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約250 K下傳導電荷。如所瞭解，經改質HTS材料1060內的某些孔隙310可在全溫度範圍內之其他溫度下傳導電荷。
圖25-29說明HTS材料360及各種改質材料1380之樣品的其他測試結果。針對此等其他測試結果，使用上述各種技術來製備HTS材料360之樣品，以暴露實質上與a平面或b平面或a平面或b平面之一些組合平行的晶體結構300之面，且使改質材料於此等暴露面上形成層。將此等經改質樣品之每一者自約300 K緩慢冷卻至80 K。溫熱的同時，電流源以Δ模式組態施加電流通過經改質樣品，如下文所述。按規定時間間隔量測跨越經改質樣品的電壓。各樣品分析測試操作時，藉由移除除最低頻率以外的所有頻率使用FFT過濾頻域中電壓量測值之時間序列，且將經過濾之量測值返回至時域。各資料集之頻率數量一般不同。接著將來自各測試操作之經過濾資料格化儲存且一起取平均值，產生圖25-29中所說明的測試結果。
圖25說明測試結果2500，包括經改質HTS材料1060之電阻與溫度(K)的關係圖。對於測試結果2500，改質材料1380對應於釩且HTS材料360對應於YBCO。測試結果2500係使用20 nA電流源經11次測試操作所產生，執行1024點FFT，且排除除最低12個頻率以外的所有頻率之資訊。測試結果2500顯示，相對於HTS材料360，經改質HTS材料1060的各個部分在較高溫度下以超導狀態操作。測試結果2500包括電阻溫度關係圖中之各個離散步階2510，類似於上文關於圖16A-16G所論述。測試結果2500亦表明：經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約267 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約257 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約243 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約232 K下傳導電荷；且經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約219 K下傳導電荷。經改質HTS材料1060內的某些孔隙310可在其他溫度下傳導電荷。
圖26說明測試結果2600，包括經改質HTS材料1060之電阻與溫度(K)的關係圖。對於測試結果2600，改質材料1380對應於鉍且HTS材料360對應於YBCO。測試結果2600係使用400 nA電流源經5次測試操作所產生，執行1024點FFT，且排除除最低12個頻率以外的所有頻率之資訊。測試結果2600顯示，相對於HTS材料360，經改質HTS材料1060的各個部分在較高溫度下以超導狀態操作。測試結果2600包括電阻溫度關係圖中之各個離散步階2610，類似於上文關於圖16A-16G所論述。測試結果2600表明：經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約262 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約235 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約200 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約172 K下傳導電荷；且經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約141 K下傳導電荷。經改質HTS材料1060內的某些孔隙310可在其他溫度下傳導電荷。
圖27說明測試結果2700，包括經改質HTS材料1060之電阻與溫度(K)的關係圖。對於測試結果2700，改質材料1380對應於銅且HTS材料360對應於YBCO。測試結果2700係使用200 nA電流源經6次測試操作所產生，執行1024點FFT，且排除除最低12個頻率以外的所有頻率之資訊。測試結果2700顯示，相對於HTS材料360，經改質HTS材料1060的各個部分在較高溫度下以超導狀態操作。測試結果2700包括電阻溫度關係圖中之各個離散步階2710，類似於上文關於圖16A-16G所論述。測試結果2700表明：經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約268 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約256 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約247 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約235 K下傳導電荷；且經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約223 K下傳導電荷。經改質HTS材料1060內的某些孔隙310可在其他溫度下傳導電荷。
圖28說明測試結果2800，包括經改質HTS材料1060之電阻與溫度(K)的關係圖。對於測試結果2800，改質材料1380對應於鈷且HTS材料360對應於YBCO。測試結果2800係使用400 nA電流源經11次測試操作所產生，執行1024點FFT，且排除除最低12個頻率以外的所有頻率之資訊。測試結果2800顯示，相對於HTS材料360，經改質HTS材料1060的各個部分在較高溫度下以超導狀態操作。測試結果2800包括電阻溫度關係圖中之各個離散步階2810，類似於上文關於圖16A-16G所論述。測試結果2800表明：經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約265 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約236 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約205 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約174 K下傳導電荷；且經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約143 K下傳導電荷。經改質HTS材料1060內的某些孔隙310可在其他溫度下傳導電荷。
圖29說明測試結果2900，包括經改質HTS材料1060之電阻與溫度(K)的關係圖。對於測試結果2900，改質材料1380對應於鈦且HTS材料360對應於YBCO。測試結果2900係使用100 nA電流源經25次測試操作所產生，執行512點FFT，且排除除最低11個頻率以外的所有頻率之資訊。測試結果2900顯示，相對於HTS材料360，經改質HTS材料1060的各個部分在較高溫度下以超導狀態操作。測試結果2900包括電阻溫度關係圖中之各個離散步階2910，類似於上文關於圖16A-16G所論述。測試結果2900表明：經改質HTS材料1060內的某些孔隙在約266 K下傳導電荷；經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約242 K下傳導電荷；且經改質HTS材料1060內的某些孔隙310在約217 K下傳導電荷。經改質HTS材料1060內的某些孔隙310可在其他溫度下傳導電荷。
在其他實驗中，使改質材料1020於實質上與晶體結構300之c平面平行的HTS材料360之表面上形成層。此等測試結果(未另外說明)顯示，用改質材料1020在與c平面平行之HTS材料360的表面上形成層不產生諸如上文所述之任何離散步階(例如離散步階1610)。此等測試結果表明，對垂直於其中HTS材料360不(傾向於不)展現電阻現象之方向的HTS材料360之表面進行改質不會改良未改質HTS材料之操作特性。換言之，對HTS材料360之此等表面改質可能不能維持孔隙310。根據本發明之各種原理，改質材料應於與其中HTS材料不(或傾向於不)展現電阻現象之方向平行的HTS材料之表面上形成層。更特定而言，且舉例而言，對於HTS材料360(說明於圖3中)，改質材料1020應鍵結於HTS材料360(其在c軸方向上傾向於不展現電阻現象)中之晶體結構300之「a-c」面或「b-c」面(兩個面均平行於c軸)以便維持孔隙310。
圖20說明根據本發明之各種實施例適用於傳導其他電荷的排列2000，包括HTS材料360與改質材料1380之交替層。此等層可使用各種沈積技術沈積於彼此之上。可使用各種技術來改良HTS材料360之各層內之晶體結構的對準。晶體結構300之對準改良可使得通過晶體結構300之孔隙310的長度增加，此轉而又使得可在較高溫度下及/或以增大的電荷傳導容量操作。排列2000使得經改質HTS材料1060內改質材料1380與HTS材料360之相鄰層之間的各界面處孔隙310之數量增加。孔隙310之數量增加可使排列2000之電荷傳導容量增大。
在本發明之一些實施例中，可使用任何數量之層。在本發明之一些實施例中，可使用其他HTS材料及/或其他改質材料。在本發明之一些實施例中，可在成對之HTS材料360層與改質材料1380層之間使用其他材料(例如絕緣體、導體或其他材料)之其他層，以減輕各種效應(例如磁效應、材料遷移或其他效應)或增強此等成對層內所形成之經改質HTS材料1060的特性。在本發明之一些實施例中，並非所有層皆成對。換言之，排列2000可具有HTS材料360之一或多個額外(亦即不成對)層或改質材料1380之一或多個額外層。
圖23說明本發明各種實施例之經改質HTS材料1060中經改質晶體結構1010的其他層2310(以層2310A、層2310B、層2310C及層2310D說明)。如所說明，經改質HTS材料1060包括自與(圖3)晶體結構300之原子形成鍵之改質材料1020以不同距離伸入材料1060內的多個孔隙310(以孔隙310A、孔隙310B及孔隙310C說明)。孔隙310A最接近改質材料1020，其此為孔隙310B，再次為孔隙310C等。根據本發明之各種實施例，改質材料1020對孔隙310A的影響最大，其次對孔隙310B的影響較低，再次對孔隙310C的影響更低，等等。根據本發明之一些實施例，由於孔隙310A接近改質材料1020，因此改質材料1020維持孔隙310A應比孔隙310B或孔隙310C更好；同樣，由於孔隙310B接近改質材料1020，因此改質材料1020維持孔隙310B應比孔隙310C更好，等等。根據本發明之一些實施例，由於孔隙310A接近改質材料1020，因此改質材料1020維持孔隙310A之橫截面應比孔隙310B或孔隙310C之橫截面更好；同樣，由於孔隙310B接近改質材料1020，因此改質材料1020維持孔隙310B之橫截面應比孔隙310C之橫截面更好，等等。根據本發明之一些實施例，由於孔隙310A接近改質材料1020，因此改質材料1020在特定溫度下對孔隙310A之電荷傳導容量的影響應比在該特定溫度下對孔隙310B或孔隙310C之電荷傳導容量的影響更大；同樣，由於孔隙310B接近改質材料1020，因此改質材料1020在特定溫度下對孔隙310B之電荷傳導容量的影響應比在該特定溫度下對孔隙310C之電荷傳導容量的影響更大，等等。根據本發明之一些實施例，由於孔隙310A接近改質材料1020，因此改質材料1020傳導電荷通過孔隙310A的能力應比傳導電荷通過孔隙310B或孔隙310C的能力強；同樣，由於孔隙310B接近改質材料1020，因此改質材料1020傳導電荷通過孔隙310B的能力應比傳導電荷通過孔隙310C的能力強，等等。
上述各種測試結果(例如圖16之測試結果1600)尤其支持本發明之各種實施例之此等態樣，亦即，一般而言，改質材料1020對孔隙310的影響不同與其彼此之接近度有關。詳言之，測試結果1600中之各離散步階1610可對應於特定層2310中之彼等孔隙310(或更適當而言，相鄰層2310之間所形成的彼等孔隙310，如所說明)傳導電荷直至達到此等孔隙310的電荷傳導容量時，經改質HTS材料1060所傳遞之電荷的變化。層2310中較緊密接近改質材料1020的彼等孔隙310對應於較高溫度下的離散步階1610，而層2310中遠離改質材料1020的彼等孔隙310對應於較低溫度下的離散步階1610。離散步階1610之「離散」意義在於，距改質材料1020指定相對距離的孔隙310(亦即，層2310A與2310B之間的孔隙310A)在特定溫度下傳導電荷且快速達到其最大電荷傳導容量。當與改質材料1020之距離增加的孔隙310(亦即，層2310B與2310C之間的孔隙310B)因距離增加及因此改質材料1020對彼等孔隙310之影響減小而在較低溫度下傳導電荷時，達到另一離散步階1610。各離散步階1610對應於另一組開始根據與改質材料1020之距離傳遞電荷的孔隙310。然而，在一定距離上，改質材料1020對一些孔隙310的影響可能不足以使孔隙在較高溫度下傳遞電荷，否則其會在較高溫度下傳遞電荷；因此，此等孔隙310在與HTS材料360一致的溫度下傳導電荷。
在本發明之一些實施例中，使改質材料1020與孔隙310之間的距離縮短以便增大改質材料1020對更多孔隙310的影響。實際上，更多孔隙310應在與較高溫度相關之離散步階1610處傳導電荷。舉例而言，在圖20之排列2000中，且根據本發明之各種實施例，可使HTS材料360之層具有僅幾個單位晶胞之厚度，以使HTS材料360中之孔隙310與改質材料1380之間的距離縮短。縮短此距離應使改質材料1380在指定溫度下所影響的孔隙310之數量增加。縮短此距離亦使具有指定總體厚度之排列2000中之HTS材料360之交替層的數量增加，藉此增加排列2000之總體電荷傳導容量。
諸圖中之流程圖、圖解及方塊圖說明本發明各種實施例之方法及產品之可能實施例的架構、功能及操作。亦應注意，在一些替代實施例中，方塊中所註明之功能可能與諸圖中所註明之順序有出入。舉例而言，依序顯示的兩個方塊實際上可能實質上同時執行，或該等方塊有時以逆轉順序執行，此視所涉及的功能而定。
此外，雖然上述說明係關於本發明之各種實施例，但應注意，其他變更及修改對於熟習此項技術者將顯而易知且可在不悖離本發明之精神或範圍下進行。此外，結合本發明之一實施例所述的各種特徵可與本文中所述的各種其他特徵或其他實施例結合或組合使用，即使上文未明確說明。
100．．．晶體結構
110．．．參考線
210．．．孔隙
220．．．第一部分
230．．．第二部分
250．．．孔隙原子
300．．．晶體結構
310．．．孔隙
310A．．．孔隙
310B．．．孔隙
310C．．．孔隙
320．．．第一部分
330．．．第二部分
350．．．孔隙原子
360．．．HTS材料
410．．．剛性壁
420．．．剛性壁
1010．．．經改質晶體結構
1020．．．改質材料
1060．．．經改質HTS材料
1210．．．切割樣品以產生例示性材料之切片
1220．．．沿對角線切割切片以產生具有含暴露孔隙之面的楔形塊
1230．．．將改質材料沈積於楔形塊之面上
1240．．．減小楔形塊之尺寸
1250．．．使用黏結劑將引線附接於楔形塊
1260．．．使黏結劑固化
1310．．．HTS材料360之樣品
1320．．．切片
1330．．．楔形塊
1340．．．面
1350．．．面
1380．．．改質材料
1390．．．楔形塊
1410．．．拋光具有暴露孔隙之楔形塊之面
1420．．．遮蔽楔形塊之所有其他面
1430．．．將改質材料沈積於楔形塊之經拋光未遮蔽面上
1500．．．測試床
1510．．．外殼
1520．．．夾持器
1600．．．測試結果
1610．．．離散步階
1700．．．晶體結構
1710．．．孔隙
1760．．．HTS材料
1800．．．晶體結構
1810．．．孔隙
1820．．．第二孔隙
1860．．．HTS材料
1900．．．晶體結構
1910．．．孔隙
2000．．．排列
2100．．．單位晶胞
2310A．．．層
2310B．．．層
2310C．．．層
2310D．．．層
2400．．．測試結果
2410．．．離散步階
2500．．．測試結果
2510．．．離散步階
2700．．．測試結果
2710．．．離散步階
2800．．．測試結果
2810．．．離散步階
2900．．．測試結果
2910．．．離散步階
3010．．．孔隙
3050．．．孔隙原子
3200．．．晶體結構
3210．．．孔隙
3260．．．HTS材料
3300．．．晶體結構
3310．．．孔隙
3360．．．HTS材料
M1．．．塊體
M1'．．．塊體
M2．．．塊體
S1．．．彈簧
S1'．．．彈簧
S2．．．彈簧
S2'．．．彈簧
SF．．．彈簧
SF'．．．彈簧
圖1說明自第一視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖2說明自第二視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖3說明自第二視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖4說明HTS材料之晶體結構的概念機械模型；
圖5根據本發明之各種實施例說明HTS材料之經改良晶體結構的概念機械模型；
圖6根據本發明之各種實施例說明HTS材料之經改良晶體結構的概念機械模型；
圖7根據本發明之各種實施例說明例示性HTS材料之經改良晶體結構的概念機械模型；
圖8根據本發明之各種實施例說明HTS材料之經改良晶體結構的概念機械模型；
圖9根據本發明之各種實施例說明HTS材料之經改良晶體結構的概念機械模型；
圖10根據本發明之各種實施例說明自第二視角透視之HTS材料之經改質晶體結構；
圖11根據本發明之各種實施例說明自第一視角透視之HTS材料之經改質晶體結構；
圖12為根據本發明之各種實施例自HTS材料製備經改質材料的流程圖；
圖13A-13J說明根據本發明之各種實施例製備經改質之HTS材料；
圖14為根據本發明之各種實施例於HTS材料上沈積改質材料的流程圖；
圖15說明測試床，其適用於測定本發明各種實施例之經改質HTS材料的各種操作特性；
圖16A-16G說明顯示經改質HTS材料之各種操作特性的測試結果；
圖17說明自第二視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖18說明自第二視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖19說明自第二視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖20說明本發明各種實施例之HTS材料及適用於傳導電荷之經改質材料的排列；
圖21說明例示性HTS材料之單個單位晶胞；
圖22說明自第二視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖23說明本發明各種實施例之表面經改質之例示性HTS材料之晶體結構的多個層；
圖24說明顯示本發明各種實施例之經改質HTS材料(亦即，以鉻作為改質材料且以YBCO作為HTS材料)之各種操作特性的測試結果；
圖25說明顯示本發明各種實施例之經改質HTS材料(亦即，以釩作為改質材料且以YBCO作為HTS材料)之各種操作特性的測試結果；
圖26說明顯示本發明各種實施例之經改質HTS材料(亦即，以鉍作為改質材料且以YBCO作為HTS材料)之各種操作特性的測試結果；
圖27說明顯示本發明各種實施例之經改質HTS材料(亦即，以銅作為改質材料且以YBCO作為HTS材料)之各種操作特性的測試結果；
圖28說明顯示本發明各種實施例之經改質HTS材料(亦即，以鈷作為改質材料且以YBCO作為HTS材料)之各種操作特性的測試結果；
圖29說明顯示本發明各種實施例之經改質HTS材料(亦即，以鈦作為改質材料且以YBCO作為HTS材料)之各種操作特性的測試結果；
圖30說明自第三視角透視的例示性HTS材料之晶體結構；
圖31說明適用於描述本發明之各種實施例的參考座標系；
圖32說明自第二視角透視的例示性超導體材料之晶體結構；及
圖33說明自第二視角透視的例示性超導體材料之晶體結構。
100．．．晶體結構

Claims (33)

  1. 一種物質組合物，其包含：具有其中形成有孔隙之晶體結構的HTS材料，其中該孔隙促進以超導狀態傳導電荷通過該晶體結構；及改質材料，其鍵結於該HTS材料之一面，藉此維持該HTS材料之該孔隙，使得該組合物相對於不含該改質材料之該HTS材料具有改良之操作特性，其中該面係實質上平行於該HTS材料之ab平面。
  2. 如請求項1之組合物，其中不含該改質材料的該HTS材料具有第一轉變溫度且其中該組合物具有高於該第一轉變溫度的轉變溫度。
  3. 如請求項1之組合物，其中該改良之操作特性為該組合物相對於不含該改質材料之該HTS材料之升高的轉變溫度。
  4. 如請求項1之組合物，其中該改良之操作特性為該組合物在指定溫度下相對於不含該改質材料之該HTS材料之較低的電阻。
  5. 如請求項1之組合物，其中該改良之操作特性為該組合物相對於不含該改質材料之該HTS材料之改良的磁性質。
  6. 如請求項1之組合物，其中該改良之操作特性為該組合物相對於不含該改質材料之該HTS材料之改良的機械性質。
  7. 如請求項1之組合物，其中該改質材料之原子係鍵結於 該HTS材料之該晶體結構中的原子。
  8. 如請求項7之組合物，其中該改質材料之原子係鍵結於該HTS材料之該晶體結構的孔隙原子。
  9. 如請求項7之組合物，其中該改質材料之原子係鍵結於該HTS材料之該晶體結構的非孔隙原子。
  10. 如請求項1之組合物，其中該改質材料為氧鍵結導電材料。
  11. 如請求項10之組合物，其中該改質材料係選自由以下組成之群：鉻、銅、鉍、鈷、釩、鈦、銠、鈹。
  12. 如請求項1之組合物，其中該HTS材料為混合價銅氧化物鈣鈦礦材料(mixed-valence copper-oxide perovskite material)。
  13. 如請求項10之組合物，其中該HTS材料為混合價銅氧化物鈣鈦礦材料。
  14. 如請求項11之組合物，其中該HTS材料為混合價銅氧化物鈣鈦礦材料。
  15. 如請求項3之組合物，其中該組合物之至少一部分之升高的轉變溫度係高於一特定溫度，其中該特定溫度為以下溫度之一：200K、210K、220K、230K、240K、250K、260K、270K、280K、290K、300K或310K。
  16. 如請求項1之組合物，其中該孔隙具有0.200nm至1.000nm尺寸範圍內的橫截面。
  17. 一種改質高溫超導體材料之方法，其包含：使改質材料於HTS材料之一面形成層，以形成經改質 HTS材料，該HTS材料具有其中形成有至少一個孔隙的晶體結構，其中該至少一個孔隙促進以超導狀態傳導電荷通過該晶體結構，且其中該經改質HTS材料具有在高於單獨該HTS材料之該至少一個孔隙的溫度下得以維持的孔隙，其中該面係平行於該HTS材料之ab平面。
  18. 如請求項17之方法，其中該改質材料係於該HTS材料上形成層。
  19. 如請求項18之方法，其中該改質材料係沈積於該HTS材料上。
  20. 如請求項17之方法，其中該HTS材料係於該改質材料上形成層。
  21. 如請求項20之方法，其中該HTS材料係沈積於該改質材料上。
  22. 如請求項18之方法，其中該HTS材料係鍵結於該改質材料。
  23. 如請求項20之方法，其中該HTS材料係鍵結於該改質材料。
  24. 如請求項18之方法，其中該HTS材料之一面上的原子係鍵結於該改質材料之原子。
  25. 如請求項24之方法，其中該面係平行於該HTS材料之a平面。
  26. 如請求項24之方法，其中該面係平行於該HTS材料之b平面。
  27. 如請求項20之方法，其中該HTS材料之一面上的原子係鍵結於該改質材料之原子。
  28. 如請求項27之方法，其中該面係平行於該HTS材料之a平面。
  29. 如請求項27之方法，其中該面係平行於該HTS材料之b平面。
  30. 如請求項17之方法，其中該至少一個孔隙及該孔隙各自具有0.200nm至1.000nm尺寸範圍內的橫截面。
  31. 如請求項17之方法，其中該HTS材料為混合價銅氧化物鈣鈦礦材料。
  32. 一種改質高溫超導體材料之方法，其包含：在高於250K的溫度下維持超導體材料之晶體結構內所形成的孔隙處於超導狀態。
  33. 如請求項32之方法，其中該溫度為以下溫度之一：260K、270K、280K、290K、300K或310K。
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