遠景璀璨的高溫超導體

超導體在電流通過時不會產生電阻，這種物理現象如能善加利用，許多的工業產品將為之改觀，其衝擊力將會引發第二次的工業革命。但時至今日，超導材料的商業應用及日常生活中並不多見，這是因為這種超導特性必須在極低的溫度下，才能顯現出來。

超導研究的歷史

自從1911年荷蘭科學家翁納斯（Onnes）發現，金屬汞在4.2K時成為超導體以來，許多固態物理學家無時不以提升超導材料的臨界溫度（T_c）為志事，然而經過半個多世紀，超導材料（Nb₃Ge）的臨界溫度只提高到23.2K，使得人們對超導材料的期許日見衰減。然而由於研究人員的執著，終在1975年杜邦公司的史萊特（A. Sleight）等人，發現了一種有混合電價的化合物──鋇－鉛－鉍氧化物（BaPb_1-XBi_xO₃）──是超導體。雖然它的T_c只有13K，卻是一種突破，給超導材料帶來了一個新的方向。

1986年春天，瑞士IBM公司的貝德諾茲（J.G. Bednorz）與穆勒（K. A. Müller）發現鑭－鋇－銅氧化物（La-Ba-Cu-O系統）在35K出現超導性質，因而導致了朱經武教授於今年初發表了釔－鋇－銅氧化物（Y-Ba-Cu-O）超導系統。它98K的臨界溫度，超越了液態氮的沸點77K，其重大意義在使用液態氮冷卻的超導體，其利用價值將千百倍於液態氦冷卻者。因為高於77K後，就可用液態氮來冷卻超導系統，液態氮之價格較液態氦便宜很多（液態氦每公升為11美元，而液態氮僅需0.22美元）；同時可簡化低溫容器及液化機，降低操作費用。超導材料之廣泛工業應用，已不再是鏡花水月，遙不可及了。因此，此項新材料之發現，預期將如同半導體材料之出現，勢必引起一次工業革新。

目前所使用的傳統合金超導材料（鈮鈦合金），必須使用液態氦冷卻系統，雖然價格昂貴，但超導體有電阻為零、具反磁性、能載大電流與耐強磁場，以及具約瑟芬遜介面（Josephson junction）效應等多項特性，應用範圍仍然十分廣泛。全世界現有商用規模之超導體製品有：分析用之核磁共振儀（NMR）、超導量子干涉儀（SQUID），磁選機及研究設備中之超導磁鐵等，共有約3.3億美元之市場。

高溫超導的應用

高溫超導材料之發現，由於其經濟效益大幅度增加，專家們對其未來發展潛力皆持樂觀態度，甚至預估在1990年，即有商業化產品問世。因此超導化之革命可能隨時展開，一旦高溫超導應用技術開發成功，勢必對能源、交通運輸、電子資訊、生醫、太空及海洋工業產生重大影響。現將其對各重要產業之應用分述如下：

一、能源方面

如果臨界電流密度與鈮鈦合金超導線（10⁶A/cm²）相同，且能在常溫下操作，可應用於大容量直流送電系統。即使必須使用液態氮（絕對溫度77K）亦具實用價值。應用範圍包括：（一）輸配電系統；（二）超導發電機／電動機；（三）國際海底超導電纜；（四）能源儲存系統；（五）核融合系統及（六）高能粒子加速器。

二、交通運輸方面

液態氮價格便宜，可應用於磁浮列車及電磁推進船。如有常溫超導材料出現，則應用更可擴及汽車零件（如超導化馬達、發電機、離合器及剎車器等）。應用範圍包括：（一）磁浮列車；（二）電磁推進船；（三）汽車應用。

三、電子資訊方面

使用高溫超導體如能形成薄膜迴路，則可使用比砷化鎵積體電路消耗更低電力、且又高速的約瑟芬遜元件。另因超導體陶瓷組成之改變，可使超導體變成導體、半導體或絕緣體，因此具三次元構造和功能之元件將會實現。應用範圍有：（一）電子儀器；（二）大型積體電路周邊配線；（三）約瑟芬遜元件和超高速電腦及（四）通信及磁場屏蔽。

四、生醫方面

利用原來的鈮及鈮鈦金屬超導體製成的商品有，超導量子干涉磁矩儀（SQUID）及核磁共振顯影儀（NMRI）。應用新超導體可以大幅降低價格，促進產品普及。如能開發出常溫下的超導體，則可開發體內型SQUID。在生物醫學方面的應用如：（一）SQUID及（二）NMRI。

五、太空及海洋方面

使用超導體之紅外線感測器，其波長範圍較現用之硫化鉛或銻化鎘等為廣，感度也高。此外，常溫超導電力電纜與光纖複合而成之電纜，可作為海底資源探採與光纖用中繼器之電力供應。應用範圍如下：（一）紅外線感測器；（二）光、電力複合電纜及（三）低雜音微波檢波器。

尚待克服的問題

超導體之應用已如前述，範圍極廣，但製造技術及工程上仍有許多問題尚待解決。陶瓷超導材料與傳統合金比較，無論是材料成型、製程技術及加工技術，皆有顯著不同。尤其在機械性質方面，陶瓷超導材料遠遜於傳統合金超導材料。

因此目前在超導體基本研究方面，應加強材料之安定性與重製性，提升其臨界電流密度（必須達到10⁴∼10⁵A／cm²才具實用價值），並探討超導機理及理論。在應用研究方面，則應開發加工製程技術（包括超導線、超導薄膜與厚膜之製造技術），改善材料及機械性質與溫度安定性，解決能量轉換、磁場遮蔽化使用安全等問題。一旦解決上述各種困難，則超導之新時代即將來臨。

超導體材料及其應用是我國材料科技發展計畫中長程目標之一。過去數年中，國內許多研究機構對於精密陶瓷之粉體製造、製程、加工及性能測試等技術方面，已有良好的研究基礎，尤其工業技術研究院更將這些技術積極推廣至民間工業，可奠定未來超導工業發展的基礎。至於原料方面，雖然國內稀土元素儲量有限，但已具備精煉基本技術，如鑫海稀土公司即有提煉稀土元素之能力。再加上國內不乏優秀的高科技人才，如能加緊研究腳步，配合周詳的研究計畫，應可爭得與其他先進國家齊頭並進之機會。

但國內所面臨的隱憂，是欠缺高科技系統應用的設計能力，例如即使能製出超導電子元件，卻無法設計出超高速電腦系統；有了磁鐵元件，卻沒有製造磁浮火車或電子儀器的能力。因此，我國發展高溫超導體應用研究，尚有許多障礙有待解決。專家認為超導體的商業應用，可能在五至十年之後，如何在這段時間內建立國人自行設計高科技系統的能力，亦是不容忽視的課題。

後發先至

高溫超導材料之發現舉世矚目，先進國家均紛紛加入競爭行列中，預計今年底全世界將至少有六百個研究群參與；除基礎與應用研究外，尋找室溫超導體新材料之情勢又風起雲湧，競爭之激烈可想而知。美國與日本甚至將此項科技研究列入下世紀主要國家發展目標之一。科學家認為，它與人類未來生活方式和社會型態，都有關聯，此乃世界各國不惜投入大量人力、財力，欲在超導戰中獲得勝利之主因。

我國在超導體研究上所投入的人力與經費遠遜於美、日各國，甚至無法與其中個別公司比擬。但是，國人不必「妄自菲薄」。日本發展矽半導體工業，起步較美國晚了十年。但經過三十年的努力，在政府與民間工業全力配合發展下，目前日本矽半導體工業及技術已超過美國而執世界之牛耳。欲將國內研究提升至國際水準，超導體研究開發工作是一個開端，期望全國有關研究機構及工業界妥善規劃，配合政府長期人力與經費之支援，發展國人自主的材料系統及超導使用技術，為我國未來的工業發展，開創一個新的局面。

吳秉天任職於工業技術研究院工業材料所

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