超导材料导电机理探究与在集成电路领域的应用

1、超导材料导电机理探究与在集成电路领域的应用超导材料导电机理探究与在集成电路领域的应用1.背景介绍超导现象的发现是二十世纪科学界的最伟大的发现之一。当材料的温度降到临界温度T以下时，它的电阻会变为零。零电阻现象的产生具有很大的实用意义，当材料到达超导态之后，它所传导的电流的能量损失变为零，假如远间隔 输电采用超导材料作为导线的话，可以采用较低的输电电压以防止高压输电所带来的平安隐患1。目前超导材料的转变温度已经从金属汞的4.2K进步到了钇钡铜氧超导材料的液氮温度附近，但是对于实际应用来说，这个温度还是很低。对于超导现象的机理来说，目前被认可最多的是1957年由Bardeen，per和Shrief

2、frer等提出的BS理论2，该理论在一定程度上提醒了超导现象的产活力理，但是该理论也有较大的局限性，目前尚有许多关于超导材料的问题不能利用BS理论来解释。2.理论分析与温度相关的材料的物理参数除了电阻之外，热膨胀系数也是一个常见的参数，当温度升高时，材料晶格内的点阵振动幅度增大，材料的体积增大。同时，由于点阵振动幅度的增大，载流子在电场的驱动下的运动受到更大程度的影响，所以材料的电阻增大。按照以上理论推断，当温度到达0K时，晶格中点阵的振动完全停顿，此时晶格振动对载流子传递的影响减弱为零，此时电阻的大小变为零。但是这与超导材料临界温度存在的现象并不一致，因为按照晶格振动影响载流子传递所产生电阻

3、的理论，电阻应该会随着温度的下降而下降，直到温度降为0K时才降为0。但是材料的超导态是在温度降到低于临界温度之后突然到达的，所以说，材料超导的临界温度的到达并不能完全利用晶格振动对材料中电子传播的阻碍作用来解释。3.结果与讨论对于普通的金属材料来说，它内部的载流子是金属电子层外部自由电子所形成的电子气。相对来说，金属原子的最外层电子受到原子核的束本文由论文联盟.Ll.搜集整理缚最小，在电场存在的条件下容易被电场驱动。大量的外层电子在电场的驱动作用下附加了一个平行于电场的漂移运动，这样表达在宏观上是金属外层自由电子所形成的电子气整体上附加了一个漂移运动，这样电流产生3。我们对金属外层的单个自由电

4、子进展分析可以发现，当电子在电场的作用下进展漂移运动时，总会出现电子在不同金属原子之间的传递。金属原子的最外层电子是金属核外电子中具有最高能量的，当单个电子在彻底分开一个金属原子核的束缚进入另外一个金属原子核的束缚范围内，需要吸收能量来脱离上一个金属原子，这些能量来源于电场能4。当这个电子进入到下一个金属原子核的束缚范围之内后，落入下一个金属原子的最外层电子轨道。此时这个电子所吸收的多余能量会释放出去，释放的能量会变为热能传递给晶格。这样消耗电场能转变为热能的过程是电阻的产活力理。假如按照晶格振动干扰电子传播的的理论，随着温度的升高，晶格之中点阵之间的间隔 减小，在电场的作用下，外层自由电子与

5、晶格之中的点阵碰撞的几率会大大的减小，温度升高，电阻应该下降，但是这与实际情况相反。假如按照金属外层电子脱离外层轨道在原子间迁移的理论来解释温度与电阻的关系可以防止这一理论与事实不符的现象。当温度足够低时，相邻的两个金属原子之间的间隔 减小，两个金属原子之间的外层轨道可能会无限接近以致重叠，此时在电场的作用下，最外层电子在两个金属原子之间迁移不存在电子吸收能量再释放能量的过程，没有能量损失，表达在宏观上是电阻为零。一般来说，化合物比单质金属具有更高的临界温度，而对于具有较高的临界温度的高温超导体来说，它们一般是具有类似钙钛矿的化合物构造5。相对于金属离子来说，氧离子要小很多，并且在高温超导材料

6、中，至少含有两种金属元素，这些金属元素可能存在于正八面体晶格的顶点或者正八面体晶格的中心，而氧离子处于晶面上6。这样的话，各原子的外层轨道得失电子的情况比拟复杂，最外层电子的分布排列已经完全变化。氧离子的存在，填充了金属离子之间的间隙，这样的话，各离子最外层电子之间的能量差距变小，电子从一个金属原子到另外一个金属原子所需要的能量会减校这样表达在宏观上，体系电阻变校当温度足够低，各离子的最外层轨道相重合的时候，电子在离子之间迁移消耗的能量减为零，此时表达在宏观上电阻为零。总结上文所述的理论，超导现象产生的原因是随着温度的下降，晶格的振动频率与幅度减小，同时金属原子之间的间隔 变小，原子的最外层参

7、与导电的电子之间的最外层轨道重合，这样电子在两个原子之间迁移的能量损失为零。如图1所示，在临界温度以上时，在电场的作用下，A原子的最外层电子a从A原子迁移向B原子，电子a首先吸收电场能脱离原子A的束缚，而当电子a到达原子B时，由于电子a所具有的能量要大于B原子的最外层电子所具有的能量，电子a进入原子B的束缚范围，首先要释放出多余的能量，这些多余的能量会以热能的形式传递给点阵，这就是电阻的的产生。当温度下降到临界温度以下后，两个相邻的原子之间的间隔 下降，原子的最外层电子之间的间隙变为零，此时在电场的作用下，电子在两个原子之间的迁移不存在能量的吸收与释放，此时电场能的损失为零，表达在宏观上为零电

8、阻态。按照以上的理论，导体内的相邻的原子参与导电的外层电子之间的间隔 越小，那么该导体的电阻越校这一理论可以利用某些元素的在常压下难以获得超导态，而在高压的状态下可以获得超导态来解释7。当施加在材料上的压力足够大，相邻的原子之间的间隔 被压缩，这样的话，某些即使降低到很低的温度下仍然不能得到超导态的材料才可以转变为超导态。一般来说单质导体的临界转换温度不会太高，具有较高临界温度的超导体一定是化合物。这些化合物需要有如下的性质，在一定的温度下，参与导电的两个原子的最外层导电电子的轨道应该是重合的。氢负离子由于其核外电子数是核电荷数的两倍，具有比拟大的半径8，假如有适宜的化合物中具有氢正离子，氢离子可能成为两个相邻的参与导电的原子的外层电子之间的桥梁，使得两个相邻的外层电子轨道之间没有间隙，电子可以在不消耗能量的条件下从一个原子迁移向另外一个原子，这样就可以得到较高的临界温度。超导材料的应用在集成电路方面的应用潜力是宏大的。随着集成电路产业的不断开展，单一的微电子器件的线宽已经变得越来越校目前集成电路