高温超导材料课件

1、高温超导材料研究背景基本性质制备工艺应用领域研究背景 1986年1月，瑞士物理学家卡尔亚历克斯米勒和他的德国合作者约翰尼斯格奥尔贝德诺尔茨宣布，他们发现了一种不寻常的高转变材料，这种陶瓷氧化金属材料在一定的温度下(-196)就会失去电子阻力达到超导状态。米勒和贝德诺尔茨因此获得了诺贝尔物理学奖。 高温超导的出现，使国内外顿时掀起了一场前所未有的“超导热” 定义 超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得

2、超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 具有高临界转变温度(Tc)能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。超导材料的基本性质超导材料的基本性质（1 1）零电阻效应）零电阻效应 图图1.1 电阻率电阻率与温度与温度T的关系的关系1纯金属晶体纯金属晶体 2含杂质和缺陷的金属晶体含杂质和缺陷的金属晶体 3超导体超导体正常态正常态温度温度高于高于Tc的状态；的状态；超导态超导态温度温度低于低于Tc的状态。的状态。超导材料超导材料（2 2）迈斯纳效应（完全抗磁性）迈斯纳效应（完全抗磁性） 只要超导体材料的温度低于

3、临界温度而进入只要超导体材料的温度低于临界温度而进入超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体超导态后，超导材料就会将磁力线完全排斥于体外，因此，其体积内的磁感应强度总为零，这种外，因此，其体积内的磁感应强度总为零，这种现象称为现象称为“迈斯纳效应迈斯纳效应”图图1.2 迈斯纳效应迈斯纳效应超导材料的基本性质超导材料的基本性质超导材料超导材料（3 3）同位素效应）同位素效应 同位素的同位素的质量越大质量越大，转变温度越低转变温度越低。例如，原子量。例如，原子量为为199.55199.55的汞同位素，它的的汞同位素，它的TcTc是是4.184.18K K，而原子量为，而原子量为203.4203.

4、4的汞同位素，的汞同位素，TcTc为为4.1464.146K K。 材料由正常态转变到超导态，其材料由正常态转变到超导态，其晶体结构不变晶体结构不变，而，而同位素的差别主要在于同位素的差别主要在于原子核的质量原子核的质量。因此，超导材料。因此，超导材料中的同位素效应表明了中的同位素效应表明了传导电子与晶格振动的相互作用传导电子与晶格振动的相互作用是很重要的问题，该效应为探明超导转变的微观机制提是很重要的问题，该效应为探明超导转变的微观机制提供了一条重要线索。通常我们也可以供了一条重要线索。通常我们也可以用同位素效应来鉴用同位素效应来鉴别材料的超导电性别材料的超导电性。超导材料的基本性质超导材料

5、的基本性质高温超导材料的制备工艺 脉冲激光沉积法脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD），也被称为脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation，PLA），是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。PLD一般可以分为以下四个阶段： 激光辐射与靶的相互作用 熔化物质的动态 熔化物质在基片的沉积 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成 气相法(薄膜)脉冲激光沉积(PLD)PLD特点： 1.易获得期望化学计量比的多组分薄膜，即具有良好的保成分性； 2. 沉积速率高，试验周期短，衬底温度要求低，

6、制备的薄膜均匀； 3. 工艺参数任意调节，对靶材的种类没有限制； 4. 发展潜力巨大，具有极大的兼容性； 5. 便于清洁处理，可以制备多种薄膜材料。金属有机物化学气相沉积法（MOCVD） 一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术。 该方法现在主要用于化合物半导体的气相生长上。用该法制备薄膜时，作为含有化合物半导体元素的原料化合物，必须满足常温稳定且易处理，在室温附近有适当的蒸气压，反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层等条件。 该方法也存在一些缺点：难以进行原位监测生长过程，许多有机金属化合物蒸气有毒、易燃；反应温度低，因此有时在气相中就发生反应。分子束外延法（分

7、子束外延法（MBE） 分子束外延是种物理沉积单晶薄膜方法。在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。 分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可制成化学配比较好的化合物半导体薄膜 p陶瓷超导材料的制备工艺制备工艺介绍在电力工程方面的应用超导输电在原则上可以做到

8、没有热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革。超导电磁动力船 。此种实验船已于日本有颇为成功之测试 。动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车，车辆不受地面阻力的影响，可高速运行，车速达500km/h以上，若让超导磁悬浮列车在真空中运行，车速可达1600 km/h，利用超导体制成无摩擦轴承，用于发射火箭，可将发射速度提高3倍以上超导量子干涉仪用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报。超导技术在生物医疗方面的应用 超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、肺磁图，研究气功原理等。核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图节省大量资金节省大量资金缓解环境污染缓解环境污染超导电缆、超导发电机、超导电缆预预 测测低电力低电力低能耗低能耗灵敏度度高灵敏度度高钇钡铜超导薄膜-应用于谐振器、滤波器、天线等有