超导材料-2013

1、超导材料主要内容主要内容1.超导体的主要特性超导体的主要特性超导体的临界参数超导体的临界参数超导体的种类超导体的种类超导电性的微观理论超导电性的微观理论超导材料超导材料2. 超导应用的介绍超导应用的介绍 1911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家昂纳斯（昂纳斯（H.K.Onnes):1913年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖1 1 超导体的主要特性超导体的主要特性 导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，即零导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，即零电阻，这一现象称为电阻，这一现象称为超导现象超导现象，将具有超导性的物，将具有超导性的物质，称为质，称为超导体超导体. . 共同特征：共同特征：

2、（1）零电阻）零电阻 将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下，将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下，突然撤去磁场，则在超导环中产生感生电流，实验发突然撤去磁场，则在超导环中产生感生电流，实验发现，此电流可以持续存在，观察几年也未发现电流有现，此电流可以持续存在，观察几年也未发现电流有明显变化。明显变化。（2）完全抗磁性（迈斯纳效应）完全抗磁性（迈斯纳效应）1933年德国物理学家迈斯纳等人年德国物理学家迈斯纳等人: 只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后，只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后，该超导材料便把磁力线排斥体外，因此其体内的磁感应强该超导材料便把磁力线排斥体

3、外，因此其体内的磁感应强度总是零。这种现象称为度总是零。这种现象称为“迈斯纳效应迈斯纳效应” 先降温后加磁场先降温后加磁场 先加磁场后降温先加磁场后降温NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡持续电流的磁

4、场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。浮不动了。观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 超导体具有完全逆磁性，即在导体内保持超导体具有完全逆磁性，即在导体内保持B=0。超导体内。超导体内B0并不意味着外加磁场强度并不意味着外加磁场强度H和磁化强度和磁化强度M为零，而是为零，而是MH说明超导体内的磁化强度恰好为外施磁场的负值，二者刚好说明超导体内的磁化强度恰好为外施磁场的负值，二者刚好抵消。这应是完全逆磁性的含义。超导态磁化率为：抵消。这应是完全逆磁性的含义。超导态磁

5、化率为：/1M H 0()BHM：是一个描述固体磁性的重要物理量，其大小直接反映固体材料被磁场磁化的难易程度迈斯纳效应是极为重要的，它对判断样品是否处于超导迈斯纳效应是极为重要的，它对判断样品是否处于超导态起着关键作用。态起着关键作用。(3) 约瑟夫森效应约瑟夫森效应 (超导隧道效应超导隧道效应) 在玻璃衬板上镀一层超导金属膜，使其上形成厚度很薄在玻璃衬板上镀一层超导金属膜，使其上形成厚度很薄的绝缘氧化层，在氧化层上再镀上一层超导金属膜，就得到的绝缘氧化层，在氧化层上再镀上一层超导金属膜，就得到一个超导绝缘超导（一个超导绝缘超导（SIS）结，称为）结，称为约瑟夫结或超约瑟夫结或超导结导结。 当

6、绝缘层厚度在当绝缘层厚度在10左右时库柏对由于隧道效应穿过势左右时库柏对由于隧道效应穿过势垒后仍保持配对状态，即绝缘层中出现少量超导电子，具有垒后仍保持配对状态，即绝缘层中出现少量超导电子，具有了弱超导电性。宏观上表现为在绝缘层中可以无阻地通过几了弱超导电性。宏观上表现为在绝缘层中可以无阻地通过几十微安到几十毫安的电流，而在十微安到几十毫安的电流，而在SIS结两端并无电压降结两端并无电压降落。落。 磁场磁场电流电压特性变化电流电压特性变化二进制运算二进制运算1962年，英国牛津大学研究生约瑟夫森(B.D.Josphson)首先从理论上预言，电子对可以穿过两块超导金属间的绝缘层(13nm)，约瑟

7、夫森因这方面的重要贡献，获得了1973年诺贝尔物理学奖。 逐渐增大磁场到达一定值逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，需的最小磁场称为临界磁场，记为记为Hc。有经验公式：有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常态正常态HHc(0)TcT超导态超导态2 超导体的临界参数超导体的临界参数(1) 临界温度：临界温度：Tc当通过超导体中的电流达到当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界

8、电流，记为的电流称为临界电流，记为Ic。目前，常用电场描述。目前，常用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度，即当每厘米样品长度上出现电压为上出现电压为1 V时所输送时所输送的电流。的电流。Ic(V)IV失超Ic=1/2 aHc对于第一类超导体：对于第一类超导体：a： 超导丝所形成回路的半径 超导态的临界参数超导态三个临界条件：临界温度Tc，临界磁场Hc和临界电流密度jc，它们之间密切相关，我们可以用下面的三维相图表示它。 3 两类超导体两类超导体（1）第一类超导体）第一类超导体：具有一个临界磁场的超导体：具有一个临界磁场的超导体（2）第二类超导体）第二类超导体：有两个确定的临界场，即下临界场

9、：有两个确定的临界场，即下临界场Hc1和上临界场和上临界场Hc2，在在Hc1以下，超导体处于迈斯纳态，即磁场以下，超导体处于迈斯纳态，即磁场被排出超导体外，但在被排出超导体外，但在Hc1以上，磁场部分地穿透到超导体以上，磁场部分地穿透到超导体内部，而且随着磁场的增高，穿透程度也增加，直到内部，而且随着磁场的增高，穿透程度也增加，直到Hc2，磁场才完全穿透超导体，这时超导体由混合态过渡到正常态。磁场才完全穿透超导体，这时超导体由混合态过渡到正常态。-MH 第一类超导体 第二类超导体u 在远低于在远低于Tc的温区，第二类超导体的的温区，第二类超导体的Hc2可高达几十个可高达几十个特斯拉，而特斯拉，

10、而Hc1通常很低，二者之比通常可达通常很低，二者之比通常可达100以上。以上。u 元素超导体中，只有钒、铌和钽属于第二类超导体，其它都属于第一类，而大多数超导合金的化合物则属于第二类。u 理想的第二类超导体虽具有高的上临界磁场，却不能承理想的第二类超导体虽具有高的上临界磁场，却不能承受较大的超导电流。受较大的超导电流。u 如果第二类超导体内含有大量缺陷（非理想第二类超导如果第二类超导体内含有大量缺陷（非理想第二类超导体），这些缺陷将阻碍磁力线的移动，称为对磁力线的钉体），这些缺陷将阻碍磁力线的移动，称为对磁力线的钉扎作用，超导体则可承受大的超导电流。扎作用，超导体则可承受大的超导电流。 经特殊

11、处理的经特殊处理的NbTi合金线临界电流密度可高达合金线临界电流密度可高达2.1*105 A/cm，可用以产生，可用以产生5T的强磁场。的强磁场。4 超导的微观超导的微观BCS理论理论n 20世纪世纪50年代初年代初同位素效应同位素效应、超导能隙超导能隙等关键性的发现提等关键性的发现提供了揭开超导电性之谜的线索。供了揭开超导电性之谜的线索。n 1957年，由美国物理学家年，由美国物理学家Bardin、Cooper和和Schrieffer提出，简称提出，简称BCS理论。理论。Honored by Nobel Prize in 1972n 同位素效应1950年，E. Maxwell和C. A. R

12、aynold各自独立地测量了水银同位素的临界转变温度，结果是随着水银同位素质量的增大，临界温度降低：Constant ( =0.500.30)cM T结论：电子声子的相互作用与超导电性有密切关系结论：电子声子的相互作用与超导电性有密切关系声子：声子： 在处理与热振动能量相关的问题时，往往把晶格点在处理与热振动能量相关的问题时，往往把晶格点阵的集体振动，等效成若干个不同频率的互相独立的简阵的集体振动，等效成若干个不同频率的互相独立的简正振动的叠加。而每一种频率的简正振动的能量都是量正振动的叠加。而每一种频率的简正振动的能量都是量子化的，其能量量子（子化的，其能量量子（q）就称为声子。）就称为声子

13、。经验事实：经验事实：n 导电性良好的碱金属和贵金属都不是超导体导电性良好的碱金属和贵金属都不是超导体 电子电子声子相互作用很微弱声子相互作用很微弱n 常温下导电性不好的材料，在低温却有可能成为超导常温下导电性不好的材料，在低温却有可能成为超导体，临界温度比较高的金属，常温下导电性较差，体，临界温度比较高的金属，常温下导电性较差，电电子声子相互作用强子声子相互作用强 n Frolich提出：电子声子相互作用是高温下引起电阻提出：电子声子相互作用是高温下引起电阻的原因，而在低温下导致超导电性。的原因，而在低温下导致超导电性。n 超导能隙超导能隙20世纪50年代，许多实验表明，当金属处于超导态时，

14、超导态的电子能谱与正常金属不同，存在超导能隙超导能隙的出现反映了电子结构在从正常态向超导态转变过程中发生了深刻变化，即“电子平均动量分布的固化或凝聚”。EF2满态空态Electron spectroscopy at T=0 K超导激发态超导基态10-4eVn Cooper电子对电子对 电子声子之间的作用使得两电子之间产生了吸引作用，这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相互吸引作用，只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用多么微弱，它们都能形成束缚态，两电子总能量2EF费米面附近存在一个以动量大小相等而方向相反且自旋相反的两电子束缚态，它的能量2EF，这种束缚态电子对即

15、Cooper电子对是现代超导理论的基础。超导的微观机制（Cooper pair） n BCS微观理论图像微观理论图像n 从动量角度看，在超导基态中，各Cooper对中单个电子的动量（或速度）可以不同，但每个Cooper对总是涉及各个总动量为零的对态，因此，不管每个Cooper对如何运动，所有Cooper对都凝聚在零动量上n 当正常金属载流时，将会出现电阻，因为电子会受到散射而改变动量，使这些载流电子沿电场方向的自由加速受到阻碍；而在超导情况下，组成Cooper对的电子虽会受到不断散射，但由于在散射过程中Cooper对的总动量维持不便，所以电流没有变化，呈无阻状态。n 从熵的角度看，超导电子对具

16、有零熵（完全有序），不受散射，并有很长的相干长度(10-4cm)，因而具有无限大的电导率。5、超导材料 1986年以前；金属超导体为主。 金属超导体中有些是晶体材料,具有立方或NaCl型结构, 但这些材料很脆, 加工难度大。 目前已制成许多具有超导性的非晶态材料。大体可分为二类，一类是过渡族金属(La,Zr,Nb)与Au,Pd（钯）,Rh（铑）,Ni组成; 另一种是金属元素中掺入半金属元素(P,B,Si, C和Ge)。Ti-Nb-Si系最引人注目,但这些材料都须用液氦冷却,都属于低温超导材料低温超导材料。 uSuperconductivity in pure elementsu Most of

17、 the metallic elements are superconductors at sufficiently low temperature or under special conditionsu The metals which order ferromagnetically, (Co, Fe, Ni, Gd, etc.) do not exhibit any superconducting transition. This indicates that superconductivity and ferromagnetism are mutually exclusive phen

18、omena.u Tc does not exceed 10K in pure elements under normal conditions. Pb (7.19K), Nb (9.25K)5.1 Metallic superconductiing materialsu Superconductivity in binary and ternary compoundsu Superconducting solid solutions of transition metalsIn contrast to intermetallic compounds, they are quite ductil

19、e. Nb0.75Zr0.25 (Tc=11K) and Nb0.75Ti0.25 (Tc=10K) have become technologically the most important superconducting materialsu Superconducting intermetallic compounds V3Si (Tc=15K), Mo3Re(Tc=15K), Nb3Sn (Tc=18K), Nb3Si(Tc=19K), Nb3Ga (Tc=20.3K), Nb3Ge (Tc=23.2K) Nb3Ge shows the highest known supercond

20、ucting transition temperature apart from the copper oxides.u Superconducting chemical compounds ZrN (Tc=10.7K), MoC (Tc=14.3K), LixTi1.1S2(Tc=10-13K). A high Tc is observed in a large number of materials for which the constituents themselves show low Tc or are not superconductors at all. The pure el

21、ements Zr, Mo, Ti have Tc1K, and Li, C, N, S are not superconductors. The highest Tc values are for NbN (Tc=17.3K) and (NbN)0.75(NbC)0.25 (Tc=17.8K) Hydrides, borides, carbides, nitrides etc. NaCl-type strutureu Non-crystalline metallic superconductors Two kinds:u Formed by transition elements (La,Z

22、r,Nb) and Au, Pd（钯）,Rh(铑)u Formed by metals doped with semimetals (P,B,Si, C and Ge)Metallic superconductiing materials All of these superconductors need to be cooled by liquid helium, called as low temperature superconducting materials 1986年， IBM的苏黎士研究室:镧钡铜氧化物(36K) ,1987年诺贝尔物理奖。 美国休斯顿大学朱经武美国休斯顿大学朱经

23、武 1987年初: 钇钡铜氧化物(93K)。超导陶瓷超导陶瓷超导陶瓷的种类 到目前为止,已发现的高温超导材料有四类,都是复杂金属氧化物: 镧钡铜氧化物(Tc=36k) 钇钡铜氧化物(Tc=90k) 铋锶钙铜氧化物(有两个不同的高温超导相,Tc分别为110k和85k) 铊钡钙铜氧化物(最高Tc=125k)高温超导氧化物T-R曲线 这些高温超导氧化物都有共同的结构特点 具有变形钙钛矿原胞的层状堆砌结构； 都有铜离子； 都存在氧空位。6. 超 导 技 术 应 用（1）能源能源超导输电、超导储能、超导电机等（大电流应用）超导输电、超导储能、超导电机等（大电流应用）（2）交通交通磁悬浮列车（抗磁性应用）

24、、船舶磁推进器磁悬浮列车（抗磁性应用）、船舶磁推进器（3）医疗卫生医疗卫生核磁共振成像、生物磁仪器等核磁共振成像、生物磁仪器等（4）电子技术电子技术（5）重大科学工程重大科学工程加速器、受控热核装置等加速器、受控热核装置等（6）国防技术国防技术超导反潜、扫雷、电磁推进、通讯及制导等超导反潜、扫雷、电磁推进、通讯及制导等超导微波技术应用、各类超导传感技术、半导体超导微波技术应用、各类超导传感技术、半导体 超导体集成电路、超导计算元件等超导体集成电路、超导计算元件等（1）液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要求，能够更）液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要求，能够更容易实现，对电力应用来说，其推

25、动较为明显。高磁场情况容易实现，对电力应用来说，其推动较为明显。高磁场情况下超导材料对液氦环境依赖性还较强。下超导材料对液氦环境依赖性还较强。（2）目前脉冲制冷剂获得了较大的突破，过去要求在）目前脉冲制冷剂获得了较大的突破，过去要求在30K-50K的温度，现在只要的温度，现在只要42K左右，并且已可作为商品出售。左右，并且已可作为商品出售。（3）发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度的乘积）发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应强度和电流密度可成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应强度和电流密度可分别提高许多倍。因此，电磁铁将逐步被超导磁体取代。

26、分别提高许多倍。因此，电磁铁将逐步被超导磁体取代。第一代超导线材第一代超导线材铋氧化物线材铋氧化物线材已达到商业化水平已达到商业化水平积极研究开发第二代超导线材积极研究开发第二代超导线材钇系列线材钇系列线材。其中，包含钇的。其中，包含钇的YBCO(钇铋铜氧钇铋铜氧)和包含钕的和包含钕的NBCO(钕铋铜氧钕铋铜氧)这两种线材，由于有这两种线材，由于有更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。C60超导体超导体: 有较大的发展潜力，易于加工成型，临界电流、临界磁场有较大的发展潜力，易于加工成型，临界电流、临界磁场和相干长度均较大。和相干长度均较大。

27、 C60被誉为被誉为21世纪新材料的世纪新材料的”明星明星”，这种材料已展现了机械、光、电、，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。合成如能实现，还可能成为室温超导体。（2） 交通在磁悬浮列车方面的应用 1999年月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里 西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里 列车的最高时速为300公里，飞机的为1000公里。所以人们就想寻求一种时速介于两者之间的交通工具。磁悬浮列车整好满足了这个要求。

28、最高时速可达到500公里。 优点: 不接触轨道，无摩擦，运行安全，无噪声，无任何有害气体排放，造价也只有地铁的三分之一。 在上海浦东已经建成了我国第一条磁悬浮铁路，全长30公里，仅需8分钟。磁悬浮列车磁悬浮列车（3)超导技术在定向武器方面的应用 在军事上，定向武器在未来战争中将起到举足轻重的作用。美国和俄在军事上，定向武器在未来战争中将起到举足轻重的作用。美国和俄罗斯已经把定向武器的研制放在突出的位置。定向武器就是把能量汇罗斯已经把定向武器的研制放在突出的位置。定向武器就是把能量汇聚成极细的能束，并沿着指定的方向以光速向外发射，从而摧毁目标。聚成极细的能束，并沿着指定的方向以光速向外发射，从而摧毁目标。 存在一个问题：如何在瞬间提供大量的能量呢？存在一个问题：如何在瞬间提供大量的能量呢？用超导材料制成的闭合线圈就是一种理想的储能装置。飞飞 机机 推推 进进 器器精确制导