晶體學觀點已討論了多種類型超導體晶體結構與超導電性關系，得出結論：現(xiàn)在探索過的超導體有兩大類。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，或不同相的晶格常數(shù)相近形成共格生長。還有BiSrCaCuO形成BiO和類鈣鈦礦型結構超晶格。這類結構都有晶格錯配，形成疇區(qū)的分晶格。另一類有鐵系超導體，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構超導體。當溫度、壓力變化時不同原子層或“分子層”變化互不協(xié)同，出現(xiàn)微觀應力，能量升高，為降低能量，結構調(diào)整，形成分晶格或超晶格。晶格振動對抗、干擾和釘扎，在降溫和（或）加壓的助力下。使晶體的晶格振動為零，實現(xiàn)超導。本文探索的金屬硼化物MgB2屬于上述的第二類層狀結構超導體。

MgB2晶體具有超導電性，是在2001年由日本科學家首先發(fā)現(xiàn)。晶體結構包括單晶制備在超導電性發(fā)現(xiàn)之前已早有報導。該超導體在零場下，超導轉(zhuǎn)變溫度為20K。多年來對這種超導體已有大量研究。報導了結構，研究了摻雜與其它材料復合，線材帶材制備，不同條件對超導電性影響。至今沒查到從晶體學視角，探索MgB2超導體超導電性的產(chǎn)生的機理。本文將作此探索。

MgB2晶體結構為P6／mmm（191）空間群，六方晶系，簡單晶格，一個簡單晶胞含1個分子（式〉，即Z 1。晶格常數(shù)a b 0.3086nm，c 0.3521nm（數(shù)據(jù)來自PDF號38—1369*，實驗值。星號表示可信度高）如圖所示。

圖1.MgB2的簡單晶胞圖

1Mg原子占據(jù)晶胞坐標原點，分數(shù)坐標：（0，0，0）；2B原子占據(jù)：（2／3，1／3，1／2）；（1／3，2／3，1／2）。

請熟悉的朋友諒解，讓作者說明一下，通常六方晶系給出晶體學數(shù)據(jù)時，用的是簡單晶胞（每個晶胞有一個格點稱簡單晶胞，有一個以上格點為復雜晶胞），菱面柱晶胞，每個晶胞有一個格點（陣點），依據(jù)周期性（晶格）晶胞的8個頂角是一個點。如果占原子就是一個原子。在網(wǎng)上看到用這一晶體結構出的考試試題，取六棱柱晶胞，這本應是為了觀察對稱性，由3個簡單晶胞拼起來的復雜晶胞，如圖2。這是一個自畫圖，Mg原子和B原子沒能用顏色或大小區(qū)別開。

圖2.MgB2晶體的六角復雜晶胞圖

圖3.MgB2的六角晶胞沿c方問投影圖

有3個格點。試題中讓考生數(shù)原子，再依據(jù)每個原子占的分數(shù)計算原子數(shù)，最后確定分子式MgB2。如果出題人和答題人晶體學概念清楚，還用數(shù)嗎，對于這一晶體結構，簡單晶胞只有一個MgB2，六角復雜晶胞是3個MgB2。

現(xiàn)在回到我們正題。觀察晶體結構，Mg原子作二維晶格六角排列，與金屬的緊密堆積二維結構類型相同。兩層Mg原子層作a和b方向無平移的c方向正堆垛，即Mg原子頂對頂。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。從整體結構看，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)連結的網(wǎng)格結構，與石墨烯的結構類型相同。MgB2晶體結構具有顯著的層狀結構特征，是二維結構狀態(tài)。見圖2，淡綠色原子層為Mg層，土紅色原子層為B2層。

圖3.觀察MgB2結構的層狀特征圖

以晶體學數(shù)據(jù)為依據(jù)考查MgB2結構的原子間距，判斷結構中原子之間的鍵合關系。

從晶體結構參數(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間距應該是0.32nm?？梢钥闯鲈诮Y構中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)計算為0.1782nm，查表得到的B原子共價半徑為0.082nm，如果兩原子相碰應該是0.164nm，比結構中的間距小，在結構中B原子被拉開了0.0142nm。這是應該的，兩種原子層互相作用的結果。Mg一Mg之間近金屬鍵，不是純金屬鍵，B一B之間近共價鍵，不是純共價鍵。在晶體結構c方問Mg一Mg層間距，同時也是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”結構不同，性能不同，二維晶體特征充分顯示。這種結構狀態(tài)與以TaS2為代表的MX2型結構、CsⅤ3Sb5和PrFeAsO晶體結構雖然不同，但具有相同的二維結構特征。

現(xiàn)在討論的是在常溫常壓下的結構狀態(tài)，保持結構能量最低狀態(tài)。隨著溫度降低或壓力增加，Mg層和B2層動作並不協(xié)同，初始時能量升高，當能量升高到一定時，會出現(xiàn)結構調(diào)整?？梢允欠殖僧爡^(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”實驗）產(chǎn)生超導電性。所不同的是，魔角實驗是兩片石墨烯轉(zhuǎn)動一個小角度堆垛，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）層結購不同，具有不同性能。在降溫或升壓作用下收縮並不協(xié)同（升溫減壓時降低能量又會恢復）。使整個三維晶體結構升高能量，初時還可以。當達到一定溫度或壓力時，結構必將調(diào)整，形成不同疇區(qū)或超晶格，說句通俗的話，層與層之間有些區(qū)域保留原來鍵合，有些區(qū)域失去原來鍵合，形成類似兩層石墨片轉(zhuǎn)角實驗那樣結構狀態(tài)，實現(xiàn)晶格振動對抗干擾釘扎，出現(xiàn)零晶格振動。理論上說，在絕對零度，晶格振動為零，電阻為零。超導電性的產(chǎn)生只是特定結構作用，使晶格振動為零提前發(fā)生了，在導電性及相關物性看到了，就是超導了。

綜述一下。這種具有明顯二維特征的三維晶體，其結構為晶格調(diào)整準備了條件，一定溫度壓力下實現(xiàn)結構調(diào)整，調(diào)整后的晶格，錯配也好，分疇也罷，總之晶格振動不用等到絕對零度才為零，從而呈現(xiàn)超導。讀者會發(fā)現(xiàn)作者在多個超導體結構中重復一個基本觀點，沒說出新內(nèi)容。這說明超導體呈現(xiàn)的性能不同，但機理是相通的。就像銅、鋁、鐵、鋅……金屬的導電性不同，而原理一樣。有問題只是作者具體事情沒說對，沒說清，沒表達好。但超導電性來自晶格振動，受結構作用使晶格振動為零是堅信的。從高溫超導體直到極低溫單質(zhì)金屬超導體，可以“全程打通”，還沒有一個說法能做到。先預報一下，極低溫單質(zhì)金屬超導電性產(chǎn)生可能源于晶體缺陷，以位錯和層錯為主。