电子导论第四章章

电子导论第四章章第一页，共三十三页，编辑于2023年，星期日在超导体里流动的电流将持续不变，不会有损耗。当温度低于时，可用外磁场破坏超导电性，使金属下于正常态，破坏超导电性能所必需的最小磁场称为临界磁场。

第四章超导材料卡末林.昂纳斯（Onnes）是荷兰物理学家，荷兰莱顿大学教授，他是第一个将氦气液化的人（1908年）。1911年他发现Hg在4.2K温度时电阻消失，这种现象称为超导电性。由此获得1913年诺贝尔物理学奖。第一节

超导发现引言

第二页，共三十三页，编辑于2023年，星期日在1986年发现氧化物高温超导体以前，已发现有20多种金属元素具有超导性，当时铌是（9.25K）最高的超导元素，铌的许多合金和化合物都是较高的材料。其中Nb3Ge薄膜的达到23.2K最高值。第三页，共三十三页，编辑于2023年，星期日高温超导作为“梦想”早就被人们提出过，但作为现实还是最近10年来的事。1986年初，瑞士IBM公司的K.A.Miller和J.G.Bednorz发现，LaBaCuO体系可能存在为35K的高温超导电性。随后不久，由他本人及日本东京大学Tanaka等人用测量交流磁化率的方法证实了LaBaCuO体系40K超导电性的存在。在此之后的两年多里，高温超导以不可想象的速度突飞猛进。在1987年人们先后又发现了90K的YBaCuO和为110K的BiSrCaCuO超导体。1993年通过Hg元素对Tl的完全替代又发现了为125K（高压下可达163K）HgBaCaCuO新材料。这些发现终于了却了人们渴望在液氮温度下应用超导电技术的愿望。第四页，共三十三页，编辑于2023年，星期日赵忠贤（Jan301941）北京物理所研究员。中国科学院院士，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。赵忠贤第五页，共三十三页，编辑于2023年，星期日赵忠贤在1986年底在Ba-La-Cu-O系统研究中,注意到杂质的影响,并于1987年年初作为中科院物理所低温超导研究组组长，领导发现了液氮温区超导体。1987年2月他们小组独立地发现了液氮温度超导体,并首先向世界上公布了其化学成份Ba-Y-Cu-O。这个研究成果推动了很多国家的超导研究。第六页，共三十三页，编辑于2023年，星期日

朱经武教授（1941年12月2日），现任香港科技大学校长及物理学教授，美国休斯敦大学天普科学讲座教授、物理学系教授及德州超导中心创始主任。1987年，朱经武等人首次宣布得到了90K以上电阻消失的超导体。

导师特斯迪教授。Nb3GeTc达到23.2K(1973)。第七页，共三十三页，编辑于2023年，星期日高温超导电性的发现，首先在理论上对传统的超导机制发起了挑战。即是说，曾使理论物理学家引为自豪的BCS理论，在成功地解释了超导现象近30年后，受到了最大的考验。因此，新的高温超导材料的出现，是否意味着存在新的超导机制，这是全世界超导物理学家极为关注的问题。从目前围绕引起电子组成Cooper对的原因所提出的解释高现象的理论模型之多，范围之广，足以说明人们关心的程度和研究的热情。1947年发现三极管，1956年和肖克拉一起获得诺贝尔奖1957年提出低温超导理论，和L·N·库珀、J·R·施里弗一起获得1972年诺贝尔物理学奖。施里弗(Schrieffer,JohnRobert)巴丁，J．(JohnBardeen)第八页，共三十三页，编辑于2023年，星期日但是，用它们解释具体超导体时，都遇到了许多困难。因此，目前还没有一个理论能比较成功地阐明已经发现的高温超导电性的机制问题。但不管什么理论都必须顾及高温超导的一些特殊性质：相干长度特别短约，而普通超导体约，说明Cu-O面耦合弱；载流子浓度较低（约，而普通超导体约），即费米面附近的态密度很低；弱同位素效应，说明电-声作用不再是主要作用。此外，与传统超导体一样也存在零电阻效应、Meinser效应、Josephson效应、磁通量子化和量子干涉效应等一些基本性质。人们发现很多金属都是超导材料。Pb的零电阻温度为7.2k，Nb的Tc最高，为9.26K。

Nb3GeNb3Sn人类目前发现零电阻温度最高的是HgBaGaCuO,可达155K第九页，共三十三页，编辑于2023年，星期日另一方面，与理论研究一样，实验研究也存在着许多悬而未决的问题，尤其是来自固体化学方面的问题，比如：

Bi系材料的制备和结构分析方面，生长出结构完整的单晶材料尚未做到；

样品的超导单相性问题，尤其是Bi系中（2223）相的热力学稳定性问题；

目前不同实验者给出的晶胞参数不尽相同，如何精确测定氧的含量问题是共同的困难；

Cu3+是否存在也一直困扰着人们，因此，材料的特征化没有得到很好看解决；而公开报导的结果重复不出来，无疑更增加了研究的困难并耗费了研究都大量的精力，Bi系中掺Sb后的132K就是一个例子第十页，共三十三页，编辑于2023年，星期日在物性测量方面，情况更为严重：目前尚不能精确测量样品中超导相含量、大块样品的上临界磁场（）和下临界磁场（）等特征参数；一些重要的实验现象，如同位素效应、能隙、费米面等，各实验者的测量结果彼此相关很大；至于高材料的行为究竟是内禀的还是外在的影响，也不得而知；虽然已证明点缺陷能钉扎在磁通线，但什么样的点缺陷，为什么点缺陷能钉扎住磁通线都还清楚；

第十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期日

临界温度，临界磁场，临界电流密度和第二节超导材料的基本性质与理论基础、对于Yba2Cu3O系超导体，从目前的实验结果来看是属于第Ⅱ类超导体。

磁化强度M是表征超导材料性能的几个基本参量。临界温度和临界磁场是材料的本征参数，它们只跟材料的电子结构有关。对于非理想第Ⅱ类超导体，临界电流与材料的显微结构有着密切的关系，例如位错、晶粒间界、脱溶相等，也就是说临界电流是组织结构敏感的。第十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期日4.1临界温度临界温度，即超导转变温度，他是超导体的最重要的参数之一。提高转变温度是超导材料研究中一个最执著追求的目标。在Cu-O高温超导体发现之前，的提高进程是相当缓慢的。提高零电阻雾度的途径应该是理论指导实践，通常人们有两条途径首先是根绝BCS理论，根据电声子相互作用的机理。其零电阻温度最高为40K。基于这样理论，人们实现的最高温度是23.5k（铌三锗）。其次是设想和提出新的导致超导电性的机制，期望达到高的，甚至是室温超导体。在这一领域中比较引人注目的是激子型超导体。Ginzburg认为，二维结构能使高于100K第十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期日在这里需要指出的是：零电阻和完全抗磁性是超导态的两个独立的基本性质。当超导体的温度降低至转变温度时，它将从正常态转变为超导态，这是一种涉及到载流子系统的相变。在低温超导体中，载流子是传导电子。在发生相变后，系统处于超导态。超导态具有的两个基本特征：一是电阻的消失；二是完全抗磁性，即呈现Meissner效应。

第十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期日第十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期日Tc测量方法①电阻率随温度的变化；②交流磁化率随温度的变化；③直流磁化强度随温度的变化；④样品比热随温度的变化。常用的和方便的方法是①和②，具体地说，是测量样品的曲线R-T和曲线。第十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期日第十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期日超导体可分为两类：第一类超导体（除V、Nb以外的金属）和第二类超导体（V、Nb及合金、化合物、高温超导体等），第一类超导体主要用于固体物理、超导理论研究，具有实用价值的则主要是第二类超导体。第二类超导体发现于1930年，主要特征是存在上、下两个临界磁场（、）。当磁场小于时第二类超导体的性能与第一类相同；当磁场达，磁力线将突然穿透超导体，并在一较宽的磁场范围内穿过直至，超导体处于与之间的混合态。4.2临界磁场与临界电流、

第十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期日若对一长直圆柱形超导体，先降低温度到临界温度以下，然后再加一与圆柱轴线平行的均匀磁场。实验表明，在低于样品的任一确定温度下，当外加磁场强度Hc小于某一确定值时，超导体处于超导态，具有零电阻性。当H大于时Hc，电阻突然出现，超导态被破坏，而转变为正常态。我们称为超导临界磁场，显然它是温度的函数，通常记为

在发现外加磁场能够破坏超导态之前，就已发现在通过超导体内的电流密度超过一定值时，超导态也会被破坏。这一定值就称为超导体的临界电流密度，它也是超导体的一个重要临界参量。第十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期日西耳斯比提出，临界电流与临界磁场之间有内在的关系。他认为，电流之所以能够超导性，纯粹是因为它产生的磁场而引起的。他还作了如下假设：在无外加磁场的情况下，临界电流在超导体表面所产生的磁场恰好等于。许多人从实验上验证了这一假设，并把它称为西耳斯比定则。例如，在半径为r的超导圆西半球线中流过电流I时，在超导线表面产生的磁场强度为如果电流I足够大，使得H超过那么超导态就会被破坏，按西耳斯比定则，就可得出临界电流为但第二类超导体并不遵守西耳斯比定则。第二十页，共三十三页，编辑于2023年，星期日在图4．2．5中，（a）和（b）表示在无外加磁场的情况下，经冷却使样品变为理想导体。（c）的温度与（b）的相同，但加上了外磁场。由于在理想导体中磁通量不可能改变，因此这时在理想导体内仍然与（b）一样没有磁通分布，磁通线绕样品周围而过。（d）是把外加磁场撤掉后，理想导体内还是没有磁场。4．3迈斯纳效应在超导现象被发现以后的22年间，人们从零电阻现象出发，一直把超导体与理想导体完全等同起来。1933年，经迈斯纳（Missner）和奥森菲尔德的磁测量实验，人们才认识到超导体有不同于理想导体的磁学性质。在图4．2．5的右半部分，（e）表示对样品先加外磁场。磁通线可以穿过样品内部。（f）表示该样品经冷却后变为理想导体。由于理想导体内部磁通不可能改变，因此样品内部仍有磁通线穿过。（g）是撤掉外磁场后的情况。此时尽管外磁场产生的磁通线已没有了，但由于理想导体表面感应出无阻电流，它将使样品内部的不变磁通继续保持。第二十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期日由上面讨论可以看出，尽管图4．2．5（d）与（g）两种情况中，样品所处的温度和外磁场是完全相同的，便样品所处的磁化状态并不相同。也就是说，在给定的温度和外磁场条件下，理想导体的状态并不是唯一的，而与其变化的具体途径有关。即从（a）到（d）是先冷却为理想导体，后加外磁场，再撤消；而从（e）到（g）是先加外磁场，后冷却为理想导体，再撤消外磁场。由此可以推断，后冷却为理想导体，再撤消外磁场。由此可以推断，理想导体的这种磁学性质，必然导致滞扣效应。或者说，理想导体在磁场中的行为是不可逆的。第二十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期日4．4穿透深度

超导体不允许它内部存在净的磁通这一事实，对于通过它的电流有重要影响。电流不能由超导体内通过，而只能在它的表面上流动。这种电流分布，既包括外部电源流过超导体的电流，也适用于抗磁性的屏蔽电流。另一方面，电流也不能完全被局限于几何表面。因为电流层如果真的没有厚度，电流密度就会是无限大，从物理上看显然是不可能的。事实上，电流是在一极薄的表面层内流动，其厚度约为数量级。尽管这一厚度如此之小，但它在决定超导体特性方面，却起着极其重要的作用。第二十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期日当一超导样品处于一外加磁场中时，既然抵消内部磁通量的屏蔽电流只能在表面层内流动，那么，在样品的边界上，磁通密度就不会突然下降为零，而是在屏蔽电流流动的区域内，逐渐减小为零。这屏蔽电流流动的表面层厚度称为穿透深度，因为它也是外加磁场的磁通能穿入的深度。穿透深度通常用表示。第二十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期日由于穿透深度很小，所以我们在测量普通大小样品的磁性时，可不去注意磁通量的穿透情况，可以把这样的样品看成是完全抗磁的。然而，如果我们对几何尺寸比穿透深度大得不多的小型样品（例如粉末或薄膜）进行磁性测量时，磁通量的穿透就变得十分重要了。在整个样品内就有一明显的磁通密度分布，完全抗磁性已不复存在，因而其性质很大块样品有很大的不同，往往需要单独进行研究。第二十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期日穿透深度不具有恒定的量值，它紧密依赖于温度的变化。在远低于时，它几乎与温度无关，并因不同材料而异的值；但是，当温度高于0.8Tc

时，穿透深度迅速增加；当温度T接近时，穿透深度趋于无穷大。第二十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期日第二十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期日第二十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期日在铝电解电容器中于阳极箔的连接线是铝丝。其纯度与高纯铝箔相同，而且要求其尺寸的公差小，表面光洁度高，机械性能好。高纯铝丝还可以作为铝金属化层的蒸发材料。

1.2金属化用锌和锡

金属化电容器用的电极蒸发材料，由试验得知铜、银、镉、锌、铝和锡都可以采用。但是由于镉、银的价钱较贵，铜易氧化，因此在电容器制造中被广泛采用的材料是锌、铝和锡。

1.2.1锌

锌是金属化纸介电容器的电极主体材料。它具

第二十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期日有以下特点：锌的蒸发温度较低，在真空度为13.3Pa时约为350度，且沉积速度较快；锌在升华时不能和加热器发生反应，一般用石磨舟；蒸发锌时，要求真空度小于13.3Pa即可。因此使用机械泵即可达到工艺要求。

锌金属化有如下缺点：锌膜抗氧化性差，容易生成具有半导体性质的氧化锌，使电极电阻增加，电容器损耗增加；锌膜的电阻率较大，为6.1*10-6Ω，因此锌膜的功率损耗较大；对潮湿气氛和纸中水含量比较敏感，易受腐蚀，化学稳定性差，不易存放，给生产带来一定的困难；蒸发锌时必须用较高沸点的金属打底，以便形成凝结核，生成均匀牢固的金属化层。

第三十页，共三十三页，编辑于2023年，星期日1.2.2锡

常温下，锡在空气中不氧化。水对它没有影响，稀酸对它的作用也很弱，锡可以用作金属的保护层。在金属化电容器的制造中，锡被用