3.3-超导材料解析课件

1、3.3 超导材料超导现象的发现：1911年，荷兰科学家昂纳斯在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并 最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。昂纳斯, 1913年获诺贝尔物理奖3.3.1超导研究历史1911年Onnes发现Hg，现已有5000种。19111932年元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。1933年迈斯纳（ Meissner ）和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。19331953年合金、过渡金属碳化物和氮化物的超导现象。1953 1973年Tc

2、17K的V3Si、Nb3Sn等 1957年，BCS理论被提出 1969年，超导纤维研制成功1973年 Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。 金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1-xO3。1975年500Km/h的磁悬浮列车研制成功。1986年Muller(缪勒)和Bednorz(柏诺兹)发现高温超体。1987年赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。1988至今高温超导迅猛发展，Tc不断升高。一些超导材料的临界温度3.3.2 超导材料的基本性质与理论基础1：完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。例如：

3、室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流”。高温超导体YBCO的电阻-温度曲线超导体完全导电性的解释机理BCS理论 该理论以其发明者巴丁（Bardeen）库珀（Cooper）施里弗（Schrieffer）的名字首字母命名。 超导现象于1911年发现，但直到1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗在物理学评论提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。 巴丁、库珀和施里弗因为提出超导电性的BCS理论而获得1972年的诺贝尔物理学奖 BCS理论：适用于金属晶体金属晶体是有周期型排列的金属正离子和

4、可以自由移动的自由电子构成。金属晶体中的电子处于带正电的原子核环境中，当温度处于超导体的临界温度以下时TTc，电子不再单独一个一个存在，带负电的电子吸引原子核向它靠拢，那么在电子周围形成局域正电势密集区，吸引第二个自旋相反的电子。这个电子和原来的电子以一定的结合能相结合配对，成为库柏电子对。两个电子自旋方向相反，动量大小相等，方向相反，总能量为零。库柏电子对的能量低于两个单独电子的能量。库柏电子对在晶格中运动没有阻力，这是因为两个电子在电场作用下运动时，受到晶格的散射时，发生相反的动量改变，结果电子的总动量不变，所以晶格的散射不能加快也不能减慢电子的运动，宏观上表现为直流电阻为零的超导形式。B

5、CS理论针对金属的超导，无法成功的解释高温超导的现象 相干长度：是由吸引力束缚在一起的两个电子。实际上这种吸引作用并不强。一个库柏对的尺寸约为10-4cm左右，这个尺寸相当于晶格常数的10万倍。由此可见，一个库柏对在空间延展的范围是很大的，在这空间范围内存在着许多个库柏对互相重叠交叉的分布。库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子，不像两个正常电子那样，完全互不相关的独立运动，而是存在着一种关联性。 正常态超导态E2. 完全抗磁性(迈斯纳效应)迈斯纳效应当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在

6、超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个性质 ，衡量一种材料是否具有超导性 必须看 是否同时有零电阻和迈斯纳效应。迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一个具有完全抗磁性的抗磁体穿透深度实际上磁场强度 B 有一穿透深度当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。迈斯纳效应产生的原因:观察迈纳斯效应的磁悬浮试验现象：在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变

7、温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了。原因：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。 根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承、高精度的导航用超导陀螺仪、磁悬浮列车等。3. 超导态的临界参数临界温度（TC）超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。临界温度（Tc）、临界磁场（Hc

8、）、临界电流JC是约束超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。（由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）Tc、Hc、Jc任一条件变化都会从超导态变成正常态正常态HHcTcT超导态Ic(V)IV失超临界电流：即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流3.3.3 超导体分类元素超导体合金超导体金属间化合物超导体陶瓷超导体高分子超导体目前已查明:在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。 1. 元素超导体由于这类超导体临

9、界温度太低，无太大实用价值Nb的Tc最高，仅为9.5K2.合金超导体合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度低、临界电流密度高的超导体，在早期得到实际应用。超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的临界温度最高（23.2K）。3. 金属间化合物超导体金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。 1986 , 缪勒、柏诺兹发现高温超体。 超导材料获得了更高的临界温度 如：YBaCuO（Tc90K） TiBaCaCuO（Tc120K 从而实现了转变温度在液氮温区的突破。液氮的沸点为

10、77.3 K ，价格比液氦便宜 100 倍，冷却效率高 63 倍，且氮又是十分安全的气体，故大大扩展了超导的应用前景。4.高温超导体1987年两人获得诺贝尔物理学奖高温超导理论:下一个诺贝尔奖? 把1986年4月以后发现的较高温度下的超导体称为高温超导 。高温超导材料都是陶瓷类氧化物 。这些高Tc铜氧化物超导材料有许多共同的结构特征：层状钙钛结构组元 导电层（铜氧层）Cu-O6八面体Cu-O5四方锥 Cu-O4平面四边形 载流子库层空穴电子调节载流子浓度提供耦合机制LaBaCuO41 层状钙钛矿结构，可以看作是由导电层和绝缘的组合层构成的夹层状结构。2 导电层是由一层或几层Cu-O平面组成的，

11、电导和超导都是主要发生在这些Cu-O层上，电学性质和超导性质都具有强烈的各向异性。绝缘的组合层也可称作载流子库层。向CuO 面提供载流子。高温铜氧化物超导材料结构特征：铜氧化物高温超导材料：可以看作是由相应的绝缘的母体化合物通过“掺杂”演变过来的。掺杂改变载流子库层的电价，产生载流子向CuO层的转移，使CuO层有导电性。母体：La2CuO4掺杂物：Sr，Ba载流子库层：空穴以LaBaCuO4为例中国制造 Made in China2002年1月 长116m，宽3.6mm，厚0.28 mm 铋系高温超导带材试制成功。2002年4月 340m 长的铋系高温超导导线试制成功。 已达到了国际先进水平5

12、. 高分子超导体高分子材料通常为绝缘体，但在数亿帕气压作用下也可以转变成为超导体。如：四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲目前高分子超导体的最高临界温度仅仅达到10K其它新型超导体C60(足球状)有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。 C60被誉为21世纪新材料的”明星”，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。C60MgB2：二硼化镁（MgB2），其超导转变温度达39K。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。 易合成和加工，容易制成薄膜或线材。

13、超导材料的应用大致可分为三类：1.大电流应用（强电应用）：发电，输电和储能2.电子学应用（弱电应用）：超导计算机，滤波 器，微波器件等3.抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等3.3.4 超导材料的应用超导发电机发电机转子的磁场绕组中使用超导线,这个绕组用温度极低的液态氦(其沸点为269)冷却。由于绕组电阻为零,流过大在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6万高斯。超导发电机，拥有两万千瓦的功率300KW超导单极300发电机 1.大电流应用（强电应用） 超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线。从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%

14、的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 超导计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热正是超大规模集成电路面临的难题。如果超大规模集成电路中元件之间的互连线用零电阻或接近零电阻的、不发热或仅微发热的超导器件来制作，则不存在散热问题，亦更能提高计算机的运算速度。2.电子学应用（弱电应用）高温超导滤波器 所有的无线电接收装置在接受外界讯号时总伴有一定的噪音。噪音主要可分为两部分：一是外界信号带入的，可用检波的方法加以消除；二是装置的线路内部产生的噪音

15、，这一部分噪音不能消除。这是由于电路中存在一种所谓热噪音，它起源于电阻、电感和接线中的电子和晶格的碰撞。高温超导体在超导态下电阻为零，这意味着高温超导体的热噪音十分小。超导磁悬浮列车-零高度的飞行器超导材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。利用这种抗磁性可以制作高速超导磁悬浮列车。3.抗磁性应用优点：(1)省能源(2)低噪音(3)高速磁悬浮列车的运动原理在列车下部装上超导线圈，在地面上排列铝制线圈，当超导线圈通有电流且列车启动后，由于电磁感应效应，地面线圈与超导线圈之间产生排斥力，使得列车可能悬浮在铁轨上。只须维持超导线圈中超导材料处于超导态温度的能源，而无须牵引列车的能源，故节约了能源。 磁悬浮列车运行的动力，来自于地面导轨中排列的线圈和车身之间产生的磁力。由于磁极之间同性相斥、异性相吸，产生了向前的驱动力。通过电流方向的改变，使地面导轨中线圈呈现的极性