超導體是在冷卻到某個臨界溫度以下時對電流的流動提供零電阻的材料。通常，超導體具有非常低的臨界溫度，接近絕對零。然而，一類被稱為高溫超導體 (HTS) 的超導體的臨界溫度高于 77 開爾文，即液氮的沸點。它們已廣泛用于許多行業的超導器件的開發。

鉍鍶鈣銅氧化物，通常稱為 BSCCO，是一類高溫超導材料，已在工程、醫療設備、采礦和運輸系統中得到廣泛研究和應用。其成員之一（Bi1.6Pb0.4）Sr2Ca2Cu3O10或 Bi-2223 擁有最高的超導臨界溫度，并因其潛在應用而受到廣泛關注。然而，臨界電流密度弱、磁通釘扎弱以及合成路線復雜等限制阻礙了Bi-2223超導體的發展和進步。

為了解決這些缺陷，由芝浦理工學院超導材料能源與環境實驗室的 Muralidhar Miryala 教授和馬來西亞博特拉大學理學院物理系的 Awang Kechik Mohd Mustafa 教授領導的一組研究人員，研究了石墨烯納米顆粒的添加對 Bi-2223 的相形成和超導性能的影響。

他們報告了當使用一種新穎的共沉淀方法將石墨烯納米顆粒集成到 Bi-2223 中時，對 Bi-2223 的臨界溫度、臨界電流密度以及結構和形態特性的影響。相關研究成果以“Microstructure and Superconducting Properties of Bi-2223 Synthesized via Co-Precipitation Method: Effects of Graphene Nanoparticle Addition”為題發表在《Nanomaterials》上。

由于石墨烯具有優異的電學、機械和化學性能，并且石墨烯和Bi-2223均生長為片狀微結構，因此石墨烯納米粒子作為添加劑非常有吸引力。研究小組使用 X 射線衍射（XRD）檢查了分別含有 0.3 wt.%、0.5wt.%和 1.0wt.%的石墨烯納米粒子的不同 Bi-2223 樣品的相形成和晶體結構，并將它們與純樣品進行了比較。他們還使用一種稱為交流電敏感度測定法（ACS）的方法研究了樣品的臨界溫度。

圖1.純 Bi-2223 樣品在燒結過程之前的 TGA（實線）和 DTG（虛線）。

圖2. 添加 0.0 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.% 和 1.0 wt.% 石墨烯的 Bi-2223 樣品在燒結過程之前和之后的 XRD 分析。

XRD 結果顯示，樣品中主要為Bi-2223 相和Bi-2212相（另一種BSCCO）。另外，對于含有0.3 wt.%和0.5 wt.%石墨烯的樣品，由Bi-2223相構成的體積分數較高，而對于含有1.0重量百分比石墨烯的樣品，由Bi-2223相構成的體積分數稍低。此外，ACS 分析表明，起始臨界溫度、鎖相溫度和耦合峰值溫度（超導能力的衡量標準）隨著石墨烯添加量的增加而降低。

圖3. 含有 0.0 wt.%、0.3 wt.%、0.5 wt.% 和 1.0 wt. 的樣品 Bi-2223 的實部和虛部相對于溫度的歸一化磁化率圖。

圖4. 40 K 時自場的 VI 曲線。

圖5.臨界電流密度隨石墨烯添加量重量百分比的變化。

有趣的是，石墨烯含量為 1.0wt.%的樣品表現出最高的臨界電流密度，并具有最適合形成 Bi-2223 超導體的微觀結構。Miryala 教授強調說：“這些結果表明，添加石墨烯納米顆粒作為雜質，有可能提高 Bi-2223 超導體的電流密度。”

具有增強電流密度的 Bi-2223 超導體具有促進不同領域發展的潛力，例如 MRI 成像、發電和配電、可再生能源集成、運輸和航空航天、粒子加速器、電子和量子計算、環境可持續性、工業和制造工藝以及教育和科學推廣。