超導材料-2013

1、超導材料主要內容主要內容1.超導體的主要特性超導體的主要特性超導體的臨界參數(shù)超導體的臨界參數(shù)超導體的種類超導體的種類超導電性的微觀理論超導電性的微觀理論超導材料超導材料2. 超導應用的介紹超導應用的介紹 1911年，荷蘭物理學家年，荷蘭物理學家昂納斯（昂納斯（H.K.Onnes):1913年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎1 1 超導體的主要特性超導體的主要特性 導體在溫度下降到某一值時，電阻會突然消失，即零導體在溫度下降到某一值時，電阻會突然消失，即零電阻，這一現(xiàn)象稱為電阻，這一現(xiàn)象稱為超導現(xiàn)象超導現(xiàn)象，將具有超導性的物，將具有超導性的物質，稱為質，稱為超導體超導體. . 共同特征：共同特征：

2、（1）零電阻）零電阻 將一超導圓環(huán)放在磁場中并冷卻到臨界溫度以下，將一超導圓環(huán)放在磁場中并冷卻到臨界溫度以下，突然撤去磁場，則在超導環(huán)中產(chǎn)生感生電流，實驗發(fā)突然撤去磁場，則在超導環(huán)中產(chǎn)生感生電流，實驗發(fā)現(xiàn)，此電流可以持續(xù)存在，觀察幾年也未發(fā)現(xiàn)電流有現(xiàn)，此電流可以持續(xù)存在，觀察幾年也未發(fā)現(xiàn)電流有明顯變化。明顯變化。（2）完全抗磁性（邁斯納效應）完全抗磁性（邁斯納效應）1933年德國物理學家邁斯納等人年德國物理學家邁斯納等人: 只要超導材料的溫度低于臨界溫度而進入超導態(tài)以后，只要超導材料的溫度低于臨界溫度而進入超導態(tài)以后，該超導材料便把磁力線排斥體外，因此其體內的磁感應強該超導材料便把磁力線排斥體

3、外，因此其體內的磁感應強度總是零。這種現(xiàn)象稱為度總是零。這種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應邁斯納效應” 先降溫后加磁場先降溫后加磁場 先加磁場后降溫先加磁場后降溫NNS降溫降溫加場加場S注：注：S表示超導態(tài)表示超導態(tài)N表示正常態(tài)表示正常態(tài)在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，在錫盤上放一條永久磁鐵，當溫度低于錫的轉變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體，在錫盤感應出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠離錫持續(xù)電流的磁

4、場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸盤，斥力越小，當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。浮不動了。觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗觀察邁納斯效應的磁懸浮試驗 超導體具有完全逆磁性，即在導體內保持超導體具有完全逆磁性，即在導體內保持B=0。超導體內。超導體內B0并不意味著外加磁場強度并不意味著外加磁場強度H和磁化強度和磁化強度M為零，而是為零，而是MH說明超導體內的磁化強度恰好為外施磁場的負值，二者剛好說明超導體內的磁化強度恰好為外施磁場的負值，二者剛好抵消。這應是完全逆磁性的含義。超導態(tài)磁化率為：抵消。這應是完全逆磁性的含義。超導態(tài)磁

5、化率為：/1M H 0()BHM：是一個描述固體磁性的重要物理量，其大小直接反映固體材料被磁場磁化的難易程度邁斯納效應是極為重要的，它對判斷樣品是否處于超導邁斯納效應是極為重要的，它對判斷樣品是否處于超導態(tài)起著關鍵作用。態(tài)起著關鍵作用。(3) 約瑟夫森效應約瑟夫森效應 (超導隧道效應超導隧道效應) 在玻璃襯板上鍍一層超導金屬膜，使其上形成厚度很薄在玻璃襯板上鍍一層超導金屬膜，使其上形成厚度很薄的絕緣氧化層，在氧化層上再鍍上一層超導金屬膜，就得到的絕緣氧化層，在氧化層上再鍍上一層超導金屬膜，就得到一個超導絕緣超導（一個超導絕緣超導（SIS）結，稱為）結，稱為約瑟夫結或超約瑟夫結或超導結導結。 當

6、絕緣層厚度在當絕緣層厚度在10左右時庫柏對由于隧道效應穿過勢左右時庫柏對由于隧道效應穿過勢壘后仍保持配對狀態(tài)，即絕緣層中出現(xiàn)少量超導電子，具有壘后仍保持配對狀態(tài)，即絕緣層中出現(xiàn)少量超導電子，具有了弱超導電性。宏觀上表現(xiàn)為在絕緣層中可以無阻地通過幾了弱超導電性。宏觀上表現(xiàn)為在絕緣層中可以無阻地通過幾十微安到幾十毫安的電流，而在十微安到幾十毫安的電流，而在SIS結兩端并無電壓降結兩端并無電壓降落。落。 磁場磁場電流電壓特性變化電流電壓特性變化二進制運算二進制運算1962年，英國牛津大學研究生約瑟夫森(B.D.Josphson)首先從理論上預言，電子對可以穿過兩塊超導金屬間的絕緣層(13nm)，約瑟

7、夫森因這方面的重要貢獻，獲得了1973年諾貝爾物理學獎。 逐漸增大磁場到達一定值逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態(tài)變?yōu)楹?，超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導電性所正常態(tài)，把破壞超導電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，需的最小磁場稱為臨界磁場，記為記為Hc。有經(jīng)驗公式：有經(jīng)驗公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常態(tài)正常態(tài)HHc(0)TcT超導態(tài)超導態(tài)2 超導體的臨界參數(shù)超導體的臨界參數(shù)(1) 臨界溫度：臨界溫度：Tc當通過超導體中的電流達到當通過超導體中的電流達到某一特定值時，又會重新出某一特定值時，又會重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界

8、電流，記為的電流稱為臨界電流，記為Ic。目前，常用電場描述。目前，常用電場描述Ic(V)，即當每厘米樣品長度，即當每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為上出現(xiàn)電壓為1 V時所輸送時所輸送的電流。的電流。Ic(V)IV失超Ic=1/2 aHc對于第一類超導體：對于第一類超導體：a： 超導絲所形成回路的半徑 超導態(tài)的臨界參數(shù)超導態(tài)三個臨界條件：臨界溫度Tc，臨界磁場Hc和臨界電流密度jc，它們之間密切相關，我們可以用下面的三維相圖表示它。 3 兩類超導體兩類超導體（1）第一類超導體）第一類超導體：具有一個臨界磁場的超導體：具有一個臨界磁場的超導體（2）第二類超導體）第二類超導體：有兩個確定的臨界場，即下臨界場

9、：有兩個確定的臨界場，即下臨界場Hc1和上臨界場和上臨界場Hc2，在在Hc1以下，超導體處于邁斯納態(tài)，即磁場以下，超導體處于邁斯納態(tài)，即磁場被排出超導體外，但在被排出超導體外，但在Hc1以上，磁場部分地穿透到超導體以上，磁場部分地穿透到超導體內部，而且隨著磁場的增高，穿透程度也增加，直到內部，而且隨著磁場的增高，穿透程度也增加，直到Hc2，磁場才完全穿透超導體，這時超導體由混合態(tài)過渡到正常態(tài)。磁場才完全穿透超導體，這時超導體由混合態(tài)過渡到正常態(tài)。-MH 第一類超導體 第二類超導體u 在遠低于在遠低于Tc的溫區(qū)，第二類超導體的的溫區(qū)，第二類超導體的Hc2可高達幾十個可高達幾十個特斯拉，而特斯拉，

10、而Hc1通常很低，二者之比通?？蛇_通常很低，二者之比通?？蛇_100以上。以上。u 元素超導體中，只有釩、鈮和鉭屬于第二類超導體，其它都屬于第一類，而大多數(shù)超導合金的化合物則屬于第二類。u 理想的第二類超導體雖具有高的上臨界磁場，卻不能承理想的第二類超導體雖具有高的上臨界磁場，卻不能承受較大的超導電流。受較大的超導電流。u 如果第二類超導體內含有大量缺陷（非理想第二類超導如果第二類超導體內含有大量缺陷（非理想第二類超導體），這些缺陷將阻礙磁力線的移動，稱為對磁力線的釘體），這些缺陷將阻礙磁力線的移動，稱為對磁力線的釘扎作用，超導體則可承受大的超導電流。扎作用，超導體則可承受大的超導電流。 經(jīng)特殊

11、處理的經(jīng)特殊處理的NbTi合金線臨界電流密度可高達合金線臨界電流密度可高達2.1*105 A/cm，可用以產(chǎn)生，可用以產(chǎn)生5T的強磁場。的強磁場。4 超導的微觀超導的微觀BCS理論理論n 20世紀世紀50年代初年代初同位素效應同位素效應、超導能隙超導能隙等關鍵性的發(fā)現(xiàn)提等關鍵性的發(fā)現(xiàn)提供了揭開超導電性之謎的線索。供了揭開超導電性之謎的線索。n 1957年，由美國物理學家年，由美國物理學家Bardin、Cooper和和Schrieffer提出，簡稱提出，簡稱BCS理論。理論。Honored by Nobel Prize in 1972n 同位素效應1950年，E. Maxwell和C. A. R

12、aynold各自獨立地測量了水銀同位素的臨界轉變溫度，結果是隨著水銀同位素質量的增大，臨界溫度降低：Constant ( =0.500.30)cM T結論：電子聲子的相互作用與超導電性有密切關系結論：電子聲子的相互作用與超導電性有密切關系聲子：聲子： 在處理與熱振動能量相關的問題時，往往把晶格點在處理與熱振動能量相關的問題時，往往把晶格點陣的集體振動，等效成若干個不同頻率的互相獨立的簡陣的集體振動，等效成若干個不同頻率的互相獨立的簡正振動的疊加。而每一種頻率的簡正振動的能量都是量正振動的疊加。而每一種頻率的簡正振動的能量都是量子化的，其能量量子（子化的，其能量量子（q）就稱為聲子。）就稱為聲子

13、。經(jīng)驗事實：經(jīng)驗事實：n 導電性良好的堿金屬和貴金屬都不是超導體導電性良好的堿金屬和貴金屬都不是超導體 電子電子聲子相互作用很微弱聲子相互作用很微弱n 常溫下導電性不好的材料，在低溫卻有可能成為超導常溫下導電性不好的材料，在低溫卻有可能成為超導體，臨界溫度比較高的金屬，常溫下導電性較差，體，臨界溫度比較高的金屬，常溫下導電性較差，電電子聲子相互作用強子聲子相互作用強 n Frolich提出：電子聲子相互作用是高溫下引起電阻提出：電子聲子相互作用是高溫下引起電阻的原因，而在低溫下導致超導電性。的原因，而在低溫下導致超導電性。n 超導能隙超導能隙20世紀50年代，許多實驗表明，當金屬處于超導態(tài)時，

14、超導態(tài)的電子能譜與正常金屬不同，存在超導能隙超導能隙的出現(xiàn)反映了電子結構在從正常態(tài)向超導態(tài)轉變過程中發(fā)生了深刻變化，即“電子平均動量分布的固化或凝聚”。EF2滿態(tài)空態(tài)Electron spectroscopy at T=0 K超導激發(fā)態(tài)超導基態(tài)10-4eVn Cooper電子對電子對 電子聲子之間的作用使得兩電子之間產(chǎn)生了吸引作用，這種吸引作用有可能超過電子之間的庫侖排斥作用，而表現(xiàn)為凈的相互吸引作用，只要兩個電子之間有凈的吸引作用，不管這種作用多么微弱，它們都能形成束縛態(tài)，兩電子總能量2EF費米面附近存在一個以動量大小相等而方向相反且自旋相反的兩電子束縛態(tài)，它的能量2EF，這種束縛態(tài)電子對即

15、Cooper電子對是現(xiàn)代超導理論的基礎。超導的微觀機制（Cooper pair） n BCS微觀理論圖像微觀理論圖像n 從動量角度看，在超導基態(tài)中，各Cooper對中單個電子的動量（或速度）可以不同，但每個Cooper對總是涉及各個總動量為零的對態(tài)，因此，不管每個Cooper對如何運動，所有Cooper對都凝聚在零動量上n 當正常金屬載流時，將會出現(xiàn)電阻，因為電子會受到散射而改變動量，使這些載流電子沿電場方向的自由加速受到阻礙；而在超導情況下，組成Cooper對的電子雖會受到不斷散射，但由于在散射過程中Cooper對的總動量維持不便，所以電流沒有變化，呈無阻狀態(tài)。n 從熵的角度看，超導電子對具

16、有零熵（完全有序），不受散射，并有很長的相干長度(10-4cm)，因而具有無限大的電導率。5、超導材料 1986年以前；金屬超導體為主。 金屬超導體中有些是晶體材料,具有立方或NaCl型結構, 但這些材料很脆, 加工難度大。 目前已制成許多具有超導性的非晶態(tài)材料。大體可分為二類，一類是過渡族金屬(La,Zr,Nb)與Au,Pd（鈀）,Rh（銠）,Ni組成; 另一種是金屬元素中摻入半金屬元素(P,B,Si, C和Ge)。Ti-Nb-Si系最引人注目,但這些材料都須用液氦冷卻,都屬于低溫超導材料低溫超導材料。 uSuperconductivity in pure elementsu Most of

17、 the metallic elements are superconductors at sufficiently low temperature or under special conditionsu The metals which order ferromagnetically, (Co, Fe, Ni, Gd, etc.) do not exhibit any superconducting transition. This indicates that superconductivity and ferromagnetism are mutually exclusive phen

18、omena.u Tc does not exceed 10K in pure elements under normal conditions. Pb (7.19K), Nb (9.25K)5.1 Metallic superconductiing materialsu Superconductivity in binary and ternary compoundsu Superconducting solid solutions of transition metalsIn contrast to intermetallic compounds, they are quite ductil

19、e. Nb0.75Zr0.25 (Tc=11K) and Nb0.75Ti0.25 (Tc=10K) have become technologically the most important superconducting materialsu Superconducting intermetallic compounds V3Si (Tc=15K), Mo3Re(Tc=15K), Nb3Sn (Tc=18K), Nb3Si(Tc=19K), Nb3Ga (Tc=20.3K), Nb3Ge (Tc=23.2K) Nb3Ge shows the highest known supercond

20、ucting transition temperature apart from the copper oxides.u Superconducting chemical compounds ZrN (Tc=10.7K), MoC (Tc=14.3K), LixTi1.1S2(Tc=10-13K). A high Tc is observed in a large number of materials for which the constituents themselves show low Tc or are not superconductors at all. The pure el

21、ements Zr, Mo, Ti have Tc1K, and Li, C, N, S are not superconductors. The highest Tc values are for NbN (Tc=17.3K) and (NbN)0.75(NbC)0.25 (Tc=17.8K) Hydrides, borides, carbides, nitrides etc. NaCl-type strutureu Non-crystalline metallic superconductors Two kinds:u Formed by transition elements (La,Z

22、r,Nb) and Au, Pd（鈀）,Rh(銠)u Formed by metals doped with semimetals (P,B,Si, C and Ge)Metallic superconductiing materials All of these superconductors need to be cooled by liquid helium, called as low temperature superconducting materials 1986年， IBM的蘇黎士研究室:鑭鋇銅氧化物(36K) ,1987年諾貝爾物理獎。 美國休斯頓大學朱經(jīng)武美國休斯頓大學朱經(jīng)

23、武 1987年初: 釔鋇銅氧化物(93K)。超導陶瓷超導陶瓷超導陶瓷的種類 到目前為止,已發(fā)現(xiàn)的高溫超導材料有四類,都是復雜金屬氧化物: 鑭鋇銅氧化物(Tc=36k) 釔鋇銅氧化物(Tc=90k) 鉍鍶鈣銅氧化物(有兩個不同的高溫超導相,Tc分別為110k和85k) 鉈鋇鈣銅氧化物(最高Tc=125k)高溫超導氧化物T-R曲線 這些高溫超導氧化物都有共同的結構特點 具有變形鈣鈦礦原胞的層狀堆砌結構； 都有銅離子； 都存在氧空位。6. 超 導 技 術 應 用（1）能源能源超導輸電、超導儲能、超導電機等（大電流應用）超導輸電、超導儲能、超導電機等（大電流應用）（2）交通交通磁懸浮列車（抗磁性應用）

24、、船舶磁推進器磁懸浮列車（抗磁性應用）、船舶磁推進器（3）醫(yī)療衛(wèi)生醫(yī)療衛(wèi)生核磁共振成像、生物磁儀器等核磁共振成像、生物磁儀器等（4）電子技術電子技術（5）重大科學工程重大科學工程加速器、受控熱核裝置等加速器、受控熱核裝置等（6）國防技術國防技術超導反潛、掃雷、電磁推進、通訊及制導等超導反潛、掃雷、電磁推進、通訊及制導等超導微波技術應用、各類超導傳感技術、半導體超導微波技術應用、各類超導傳感技術、半導體 超導體集成電路、超導計算元件等超導體集成電路、超導計算元件等（1）液氮高溫超導材料以其相對比較高的溫度要求，能夠更）液氮高溫超導材料以其相對比較高的溫度要求，能夠更容易實現(xiàn)，對電力應用來說，其推

25、動較為明顯。高磁場情況容易實現(xiàn)，對電力應用來說，其推動較為明顯。高磁場情況下超導材料對液氦環(huán)境依賴性還較強。下超導材料對液氦環(huán)境依賴性還較強。（2）目前脈沖制冷劑獲得了較大的突破，過去要求在）目前脈沖制冷劑獲得了較大的突破，過去要求在30K-50K的溫度，現(xiàn)在只要的溫度，現(xiàn)在只要42K左右，并且已可作為商品出售。左右，并且已可作為商品出售。（3）發(fā)電機的輸出容量與磁感應強度、電樞電流密度的乘積）發(fā)電機的輸出容量與磁感應強度、電樞電流密度的乘積成正比。用超導磁體代替電磁鐵，磁感應強度和電流密度可成正比。用超導磁體代替電磁鐵，磁感應強度和電流密度可分別提高許多倍。因此，電磁鐵將逐步被超導磁體取代。

26、分別提高許多倍。因此，電磁鐵將逐步被超導磁體取代。第一代超導線材第一代超導線材鉍氧化物線材鉍氧化物線材已達到商業(yè)化水平已達到商業(yè)化水平積極研究開發(fā)第二代超導線材積極研究開發(fā)第二代超導線材釔系列線材釔系列線材。其中，包含釔的。其中，包含釔的YBCO(釔鉍銅氧釔鉍銅氧)和包含釹的和包含釹的NBCO(釹鉍銅氧釹鉍銅氧)這兩種線材，由于有這兩種線材，由于有更好的磁場特性，將來有可能成為超導線材的主流。更好的磁場特性，將來有可能成為超導線材的主流。C60超導體超導體: 有較大的發(fā)展?jié)摿Γ子诩庸こ尚?，臨界電流、臨界磁場有較大的發(fā)展?jié)摿?，易于加工成型，臨界電流、臨界磁場和相干長度均較大。和相干長度均較大。

27、 C60被譽為被譽為21世紀新材料的世紀新材料的”明星明星”，這種材料已展現(xiàn)了機械、光、電、，這種材料已展現(xiàn)了機械、光、電、磁、化學等多方面的新奇特性和應用前景。有人預言巨型磁、化學等多方面的新奇特性和應用前景。有人預言巨型C240、C540合成如能實現(xiàn)，還可能成為室溫超導體。合成如能實現(xiàn)，還可能成為室溫超導體。（2） 交通在磁懸浮列車方面的應用 1999年月，日本研制的超導磁懸浮列車時速已達552公里 西南交通大學研制成功的超導磁懸浮列車，最高設計時速達500公里 列車的最高時速為300公里，飛機的為1000公里。所以人們就想尋求一種時速介于兩者之間的交通工具。磁懸浮列車整好滿足了這個要求。

28、最高時速可達到500公里。 優(yōu)點: 不接觸軌道，無摩擦，運行安全，無噪聲，無任何有害氣體排放，造價也只有地鐵的三分之一。 在上海浦東已經(jīng)建成了我國第一條磁懸浮鐵路，全長30公里，僅需8分鐘。磁懸浮列車磁懸浮列車（3)超導技術在定向武器方面的應用 在軍事上，定向武器在未來戰(zhàn)爭中將起到舉足輕重的作用。美國和俄在軍事上，定向武器在未來戰(zhàn)爭中將起到舉足輕重的作用。美國和俄羅斯已經(jīng)把定向武器的研制放在突出的位置。定向武器就是把能量匯羅斯已經(jīng)把定向武器的研制放在突出的位置。定向武器就是把能量匯聚成極細的能束，并沿著指定的方向以光速向外發(fā)射，從而摧毀目標。聚成極細的能束，并沿著指定的方向以光速向外發(fā)射，從而摧毀目標。 存在一個問題：如何在瞬間提供大量的能量呢？存在一個問題：如何在瞬間提供大量的能量呢？用超導材料制成的閉合線圈就是一種理想的儲能裝置。飛飛 機機 推推 進進 器器精確制導