输电、造芯片，高温超导进入工业应用

　　白二娃

　　自从1911 年昂尼斯发现汞的超导现象以来，超导作为人类发现的第一种宏观量子现象已经有百余年的研究历史，现在超导正在进入工业应用。

　　超导现象的特征是当超导体材料冷却到临界或转变温度以下时，电阻突然完全消失。几千种超导材料的临界温度各不相同，但在大多数情况下低于20K（-253℃），这时只能使用稀有昂贵的液氦作为冷却介质。前段时间十分火热的室温超导已经告一段落，目前看来室温超导短时间内应该很难实现了。

　　三十多年前能在液氮温区（高于77K，-196.2℃）出现超导现象的铜氧化物高温超导材料被发现。由于液氮的价格和纯净水差不多，虽然科学家对于非常规高温超导的物理机制还没有完全搞清楚，但超导材料已经从实验室科学装置的各种超导磁体开始进入更多生产生活方面了。除了医院的核磁共振成像、超导量子计算机、通信行业的高温超导微波器件等先进设备外，高温超导材料还在金属热加工、电流输送、电网限流器等方面进入了工业应用。

　　超导电缆

　　中国每年在线路传输过程中损耗的电能超过了数百亿千瓦时，线路中的电阻不但让电流平白损失，还会发热加速电缆的老化。我们知道超导现象最重要的特征就是零电阻，如果将超导材料制成的电缆置于足够的低温环境中，它就能传输强大电流，同时只有电流引线和低温制冷装置有电能损耗。经测算即使加上制冷系统的耗电，其运行总损耗也能下降一半以上。

　　2023 年11 月，国内首条高温超导低压直流电缆在江苏苏州并网投运。此前的2021 年12 月，总长度1.2 公里世界首套全商业化运行35 千伏公里级超导电缆示范工程开始为上海徐家汇商圈的近5 万户用户供电。

　　这是一根超导电缆，从内向外依次是：中空波纹管支撑件，除了为导线提供机械强度外还是液氮进入的通道。超导层，使用钇钡铜氧（YBCO）等超导材料制成的带材绕制而成，具有截面积小、输电能力高的特点，其实起作用的超导层厚度非常薄仅1 微米。半导体层，存在于层与层之间，起到均衡电场的作用。绝缘层，用复合绝缘纸使各层之间绝缘。屏蔽层，采用与超导层相同的超导带材或铜带材反方向绕制，用来防止超导层通电时产生的感应磁场泄漏。隔热层和外护层，超导电缆采用液氮为制冷剂，为了维持内部低温运行温度及防止外界热量的渗入，必须采用隔热装置，原理和不锈钢保温杯一样，在双层波纹管之间抽真空。

　　仅靠超导电缆还无法实现超导送电，还有许多技术问题需要解决。比如电缆在终端处要经历从超低温到常温超过200℃变温的过程，容易产生应力导致连接断裂。因此需要电缆终端、低温制冷系统、监测和保护系统齐心协力保证电缆在超导状态下安全稳定运行，其中涉及高压、绝缘、低温、绝热、材料等多项技术难关。

　　近年来以电动汽车为代表的直流负荷快速增长，电网改造需求却面临城市中心区管廊系统空间不足的问题，超导线缆在实现6 根同电压等级传统电缆送电能力的同时还能节约70% 空间，是破解城市中心区电网改造难题的利器之一。

　　超导单晶硅生长炉

　　我们知道晶圆的直径越大，芯片的成本越低，为满足集成电路的发展，这要求硅单晶材料“大尺寸、高品质”。

　　单晶硅生产技术分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法，其中直拉法硅单晶生长产品占总产量的70% ～ 80%。这种方法是将多晶硅原料放在坩埚中加热熔化，把旋转的籽晶与熔融状态的原料接触，以此作为种子让单晶硅晶体生长变粗，同时向上提拉让晶柱变长，最后将生长出的晶柱切片就获得晶圆了。

　　但是随着投料量和晶圆直径的增加，大体量熔融体的对流会让晶体出现生长纹、杂质等缺陷。

　　在坩埚外施加适当分布的磁场可以有效抑制硅熔体的热对流，减少氧、硼、铝等杂质从坩埚进入熔体，这种磁场直拉法可以减少生长条纹，并控制单晶硅的氧含量。

　　我们知道超导体可以产生比永磁体和普通电磁铁高得多的磁场，且能耗更低。因此只需要解决高温坩埚和超低温超导线圈之间的隔热问题，就能制造出超导单晶硅生长炉，大幅度提高晶体品质。

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