《能带与超导》PPT课件.ppt

同学们好！,18.2 固体能带理论基础,一.物态,多电子问题,二、量子力学处理晶体中电子问题的思路,解定态薛定谔方程得波函数 布洛赫波函数,重要结论： 晶体中能级 能带,三.晶体的能带结构,电子云重叠：相邻原子的电子云重叠，重叠区域中出现的电子不能简单归属于某一特定母核，属于相邻原子或整个晶体共有。,1. 形成能带的原因,隧道效应：一个原子中的电子有可能穿越势垒进入另一个原子，出现一批不受特定原子束缚的共有化电子。外层电子共有化趋向比内层电子更显著。,2)能带宽度随能量增加而增加，随离子对电子约束程 度增加而减少。,1)能带由准连续的N个子能级组成，能带之间用禁带 分开，原子数N变化时，能带宽度不变，密度变化。,四.导体，绝缘体，半导体的能带特征,以 l = 0 ，即每个子能级至多容纳 2 个电子为例：,5）不同能带有可能重叠,6） 晶体中有杂质或缺陷时，破坏了周期性结构， 禁带中可能出现杂质能级。,1. 导体的能带结构,1)价带为导带,2) 价带为满带，与相邻空带紧密衔接或部分重叠,3) 价带为导带，又与空带部分重叠,2. 绝缘体的能带结构,价带为满带，且与空带间的禁带较宽。,1) 本征半导体（纯净半导体）,2) n型半导体（四价元素中掺入五价元素）,3) p型半导体（四价元素中掺入三价元素）,4） p-n结及其单向导电性,p-n结的形成及其对扩散的阻挡作用,电子能带弯曲 ， 电势高处，电势能低。,p-n结的单向导电性,p-n 结的单向导电性,介绍：半导体的其它特性和应用,集成电路：,p-n结的适当组合可以制成具有放大作用的晶体三极管以及各种晶体管，制成集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路。,体积小，极易与光纤结合，成本低，制造方便，所需电压低(只需1.5V)，功率可达102 mW,p-n结本身就形成一个光学谐振腔, 两个端面相当于两个反射镜, 适当镀膜后可达到所要求的反射系数, 形成激光振荡, 并利于选频。,1911年，荷兰莱登大学昂内斯教授在研究金属电阻随温度变化规律时发现：当温度降低时汞（Hg）的电阻先是平稳地减小. 但在4.2K附近，电阻突然降为零。,超导电现象的发现, 超导物理基础,二、超导基本性质,1直流零电阻性质,将金属环置于磁场中，降低温度成为超导体，再撤去磁场。由于电磁感应现象，超导环内产生感应电流。,2. 完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体内,置于外磁场中的超导体内磁感应强度恒为零的现象称为： “迈斯纳效应”,直流零电阻和完全抗磁性（即迈斯纳效应）是超导的两个独立特性，不能由任何一个推知另一个的存在。,三、揭开超导之谜,BCS理论,库珀提出： 在某种吸引力 作用下， 金属中两个电子能组成电 子对（就像两个原子组成 分子一样），这种电子对 称为库珀对。,BCS理论证明：费米面附近两个动量大小相等、方向相反、自旋相反的电子将构成一个束缚在一起的实体（准粒子），即库柏对。,在外电场作用下，库柏对作为一个整体向同一方向运动，它将不受晶格的散射作用，而形成了超导电流。,超导电子 库柏对 正常电子 单电子,四、高温超导体,临界温度Tc 达到液氮温度（77K）以上的超导材料 称为高温超导材料,至今已发现70余种高温超导材料,高温氧化物超导体(Tc77K),1986年 IBM苏黎世实验室 La-Ba-Cu-O 30K 美、中、日科学家 La-Ba-Cu-O Sr-Ba-Cu-O 57K 1987年 休斯敦大学，朱经武 中科院，赵忠贤 Y-Ba-Cu-O 98K,3 超导物理基础,四、高温超导体,（1） 电阻率的温度特性：线性关系 （2） 霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降 （3） 光电导的反常特性 （4） 超导能隙的各向异性 （5） 电子电子关联性 （6） 临界磁场高，相干长度却很短,高温氧化物超导体的反常特性,这些反常特性无法用低温超导理论（BCS理论）来解释，对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。,3 超导物理基础,四、高温超导体,金刚石,C60,石墨,碳的三种同素异构体,3 超导物理基础,四、高温超导体,C60 稳定的纯碳分子,漂亮的足球 完美的对称性,3 超导物理基础,四、高温超导体,C60的结构,正二十面体,截角二十面体,3 超导物理基础,四、高温超导体,固体中间距1.04 纳米含60个碳原子 每个C原子： 3个最近邻，4个共价键 单键 0.146nm 双键 0.138nm,结构稳定 表面光滑抗辐射 抗化学腐蚀 具有润滑性,C60的结构,1,2,3,4,5,退出,返回,3 超导物理基础,四、高温超导体,1991年4月 BELL实验室 C60 + K 18K C60 + Ru 30K C60 + Cs 33K 在短短三个月内实现！,超导新星掺杂C60,1,2,3,4,5,退出,返回,3 超导物理基础,五、超导应用,由超导材料制备的电子器件,超导核磁共振断层成象，超导量子干涉器件（测生物磁场）,超导红外探测，超导磁悬浮列车.,3 超导物理基础,五、超导应用,1. 超导磁体： 永久磁铁 103Gs 常规磁铁 5105Gs (20吨，高温，兆瓦) 超导磁铁 (530)104Gs （kg，无热量，千瓦）,体积小、重量轻、功耗小、输出功率高、 磁场强、稳定、均匀,3 超导物理基础,五、超导应用,2. 新能源磁流体发电（MHD） 热利用率达60%,1997年12月16日 美英合制的MHD向莫斯科供电,3 超导物理基础,五、超导应用,3. 磁分离技术超导磁选矿,3 超导物理基础,五、超导应用,4. 超导磁悬浮列车,常导型： 利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙小，一般为10 mm左右。时速可达每小时400 500公里。,磁悬浮列车速度快、无噪音、不颠簸,超导型： 利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较大，一般为100 mm左右。时速可达每小时500公里以上。,James R. Powell 和 Gordon T. Danby,3 超导物理基础,五、超导应用,1972年， 日本， 第一辆超导磁悬浮原理车 1979年, 日本, 时速504公里 1999年4月， 日本， 时速552公里,日本研制的磁悬浮列车,3 超导物理基础,五、超导应用,西南交通大学研制出世界上第一台载人高温超导磁浮实验车！,中国研制的高温超导磁悬浮实验车,3 超导物理基础,五、超导应用,世界第一条商业化运作的磁浮列车2002年12月30日试运行！,上海磁浮列车,3 超导物理基础,五、超导应用,高速、安全、舒适、节能、环保的磁浮列车 最高时速达430公里！,上海磁浮列车,3 超导物理基础,电力能源方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化 超导储能系统 大型电机设备形状与性能的革命,能源工业： 超导贮能调节电网负