高溫超導(dǎo)材料的研究及展望

1、高溫超導(dǎo)材料的研究及高溫超導(dǎo)材料的研究及展望展望年級：2015級學(xué)號名：閆環(huán)宇論文展示報告內(nèi)容報告內(nèi)容l 前言l 高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史l 高溫超導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀l 影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素l 高溫超導(dǎo)材料的研究及制備方法l 高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展前景l(fā) 參考文獻前言前言l超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與極低溫度的探索有著密切的聯(lián)系，而極低溫度的獲得是從氣體液化技術(shù)開始的。熱力學(xué)的發(fā)展使人們對低溫的獲得和存在絕對溫度的思想產(chǎn)生了重大的影響。此時人們注意到純金屬的電阻隨溫度的降低而減少的現(xiàn)象。1 高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，

2、將汞冷卻到-268.98C時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡末林昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)，他也因此獲得了1913年諾貝爾獎.1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)狀態(tài)時，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。2高溫超導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀高溫超導(dǎo)體的發(fā)展現(xiàn)狀l2.1目前的高溫超導(dǎo)材料l目前，高溫超導(dǎo)材料

3、指的是：釔系(92 K)、鉍系(110 K)、鉈系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)體二硼化鎂(39 K)。其中最有實用價值的是鉍系、釔系(YBCO)和二硼化鎂(MgB)。2.2高溫超導(dǎo)材料在其他方面的一些進展目前高溫超導(dǎo)可以分為四類：即稀土類123系（以YBa2Cu3Oy為代表）、鉍系、鉈系和汞系。稀土類123系各向異性最小，但它具有很高的臨界電流密度Jc；鉍系各向異性最大；鉈系，汞系居于前兩者之間，臨界溫度Tc高達130k，但是易揮發(fā)而且有毒，所以開發(fā)較少。這四種高溫超導(dǎo)的實用材又可以分為絲材，大塊材和薄膜。鉍系的絲材開發(fā)最好，其中鉍系的2223相的材料是絲

4、材的主要產(chǎn)品。在高的靜液壓力下，銅氧化物曾出現(xiàn)過164K溫度，鈣鍶銅氧曾出現(xiàn)過150k-170k之間的高溫，釔鋇銅氧出現(xiàn)過240k-340k之間的溫度，但到目前為止，試驗中仍不能逾越134k的這個溫度點22，所以更多的困難還擺在我們的面前。3影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素3.1交流損耗是一個影響高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用的重要因素繞制磁體所用的超導(dǎo)帶材自身的均勻性也是影響其臨界電流的一個重要因素，所以減小運輸過程中的電流的損耗是一個必須要注意的問題。3.2磁場是影響高溫超導(dǎo)材料研究磁場是影響高溫超導(dǎo)材料研究的一個重要因素的一個重要因素l高溫超導(dǎo)磁體的臨界電流被定義成引發(fā)該磁體失超的

5、最小電流，高溫超導(dǎo)磁體的自場比單根超導(dǎo)帶材的自場要大得多，磁體各個位置的磁場大小和方向各不相同，所以很難用理論的方法準(zhǔn)確計算磁體的臨界電流，所以對于高溫超導(dǎo)磁體而言，磁場是影響高溫超導(dǎo)的一個關(guān)鍵因素。3.3量子限制效應(yīng)對超導(dǎo)薄膜性質(zhì)量子限制效應(yīng)對超導(dǎo)薄膜性質(zhì)的影響的影響趙忠賢院士小組與物理所表面實驗室合作，研究了超導(dǎo)Pb薄膜的尺寸量子限制效應(yīng)對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和其他物性的調(diào)劑作用23。這個結(jié)果說明，只要很好的控制與厚度相關(guān)的量子尺寸效應(yīng)，可以調(diào)制薄膜的超導(dǎo)性質(zhì)和其他物理性質(zhì)。3.4薄膜表面等離子激元和增強透薄膜表面等離子激元和增強透射效應(yīng)射效應(yīng)l對MgB2、NbN等薄膜遠紅外光學(xué)性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)表面

6、等離子和體現(xiàn)象和增強透射現(xiàn)象；用超導(dǎo)體做成的人造材料的增強透射譜隨著超導(dǎo)體進入超導(dǎo)態(tài)而發(fā)生改變。這可能將為研究物質(zhì)的特性找到了一種新的研究方法。4高溫超導(dǎo)材料的研究及制備方法高溫超導(dǎo)材料的研究及制備方法l4.1高溫超導(dǎo)材料的一些研究方法4.1.1磁控濺射（MS）法 磁控濺射（MS）法是在二極濺射中增加一個平行于靶表面的封閉磁場，借助于靶表面上形成的正交電磁場，把二次電子束縛在靶表面特定區(qū)域來增強電離效率，增加離子密度和能量，從而實現(xiàn)高速率濺射的過程。4.1.2脈沖激光沉積法 脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD），也被稱為脈沖激光燒蝕（pulsed laser

7、ablation，PLA），是一種利用激光對物體進行轟擊，然后將轟擊出來的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。4.1.3金屬有機物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）金屬有機物化學(xué)氣相沉積(metal organic chemical vapour deposition) ，又稱有機金屬化合物氣相淀積法。一種利用有機金屬熱分解反應(yīng)進行氣相外延生長薄膜的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。4.2高溫超導(dǎo)材料的一些制備方法高溫超導(dǎo)材料的一些制備方法4.2.1稀土REBCO塊材的制備高溫超導(dǎo)的REBCO塊材，出了具有大尺寸外，還具有很高的高性能，它是采用頂部籽晶熔融織構(gòu)生長法來完成所有的加工程序，還在其中加入

8、了Cu，Ga，Zn，Sn等一些金屬原色的摻雜對比來研究。4.2.2 YBCO塊材的制備目前，已有兩種可行的制備技術(shù)可以應(yīng)用于制備高溫YBCO大塊材材料：一、采用高溫超導(dǎo)的技術(shù)直接粘合兩塊YBCO樣品；二、直接在高溫下將兩塊壓接在一起；三、可以利用改進PLD系統(tǒng)可以制備出大面積的YBCO薄膜；用這種方法制造出的YBCO薄膜，具有均勻的厚度和電性能。四、可以采用將具有單晶硅輻射基片加熱器和活性氧發(fā)生器的激光沉積系統(tǒng)，制備出雙面積的YBCO超導(dǎo)薄膜，它能達到很高的臨界溫度和臨界電流，美國的專家們就是利用改進的PLD方法，制造出了YBCO超導(dǎo)層，所以說，這一技術(shù)的應(yīng)用，將會導(dǎo)致在高溫超導(dǎo)材料的研究上都

9、是一個很大的突破。5高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展前景高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展前景l(fā)高溫超導(dǎo)材料有著很廣泛的應(yīng)用前景，人們生活的社會的方方面面都離不開高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用，回顧1986年高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，人們的生活大大改善了，都離不開這些材料的開發(fā)應(yīng)用，但也讓我們看到了一些有志之士走過的艱辛歷程，他們開發(fā)出來的東西，讓我們的社會發(fā)生翻天覆地的巨變，為改善我們的生活環(huán)境，為我們的后代，他們還在努力著。回望我們的身邊，到處都可以看到超導(dǎo)材料的應(yīng)用：輸電電纜、變壓器、故障電流限制器（FCL）、大氣流引線、電機、飛輪儲能、磁共振成像儀（MRI）、磁懸浮列車泡沫鋁板（可做吸聲材料）數(shù)字集成電路、制冷機、探傷的RFSQ

10、ID、衛(wèi)星通訊用高溫超導(dǎo)濾波器等。超導(dǎo)材料廣泛應(yīng)用于能源、交通、醫(yī)療社會福利、電子通信、科學(xué)儀器、機械加工、重大科技工程、國防等不同的領(lǐng)域，它是一項具有巨大開發(fā)價值的高新工藝。美國維吉尼亞州亞歷山大港的BL市場調(diào)查報告“高溫超導(dǎo)電性：產(chǎn)品及其效益”估計：高溫超導(dǎo)進入市場的年代分別為：故障限流器在2003年2004年，變壓器和電纜在2005年，馬達在2006年，發(fā)電機在2011年；占市場50%的年代：地下電纜在2013年，變壓器和電纜在2015年，馬達在2016年，發(fā)電機在2021年。美國根據(jù)自己的研制開發(fā)情況，分期投入了大量的資金在高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用方面。參考文獻參考文獻 l1 邱祥岡，鄭東寧，何豫生，周興江，聞海虎.高溫超導(dǎo)材料、物理、應(yīng)用和試驗方法研究進展J.中國科學(xué)院物理研究所 超導(dǎo)國家重點實驗室,2008,37(6):377-383.l2Fang X et al.Phys.Rev.Lett.,2007,99；066805.l3Wu KH et al.Appl.Phys.Lett,1996,69(3):421