3.3-超導(dǎo)材料解析課件

1、3.3 超導(dǎo)材料超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1911年，荷蘭科學(xué)家昂納斯在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并 最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象。 超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。昂納斯, 1913年獲諾貝爾物理獎3.3.1超導(dǎo)研究歷史1911年Onnes發(fā)現(xiàn)Hg，現(xiàn)已有5000種。19111932年元素超導(dǎo)體，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。1933年邁斯納（ Meissner ）和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)邁斯納效應(yīng)。19331953年合金、過渡金屬碳化物和氮化物的超導(dǎo)現(xiàn)象。1953 1973年Tc

2、17K的V3Si、Nb3Sn等 1957年，BCS理論被提出 1969年，超導(dǎo)纖維研制成功1973年 Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。 金屬氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，BaPbxBi1-xO3。1975年500Km/h的磁懸浮列車研制成功。1986年Muller(繆勒)和Bednorz(柏諾茲)發(fā)現(xiàn)高溫超體。1987年趙忠賢、陳立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。1988至今高溫超導(dǎo)迅猛發(fā)展，Tc不斷升高。一些超導(dǎo)材料的臨界溫度3.3.2 超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ)1：完全導(dǎo)電性（零電阻），超導(dǎo)體進入超導(dǎo)態(tài)時，其電阻率實際上等于零。例如：

3、室溫下將超導(dǎo)體放入磁場中，冷卻到低溫進入超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場后，線圈產(chǎn)生感生電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導(dǎo)體的“持久電流”。高溫超導(dǎo)體YBCO的電阻-溫度曲線超導(dǎo)體完全導(dǎo)電性的解釋機理BCS理論 該理論以其發(fā)明者巴?。˙ardeen）庫珀（Cooper）施里弗（Schrieffer）的名字首字母命名。 超導(dǎo)現(xiàn)象于1911年發(fā)現(xiàn)，但直到1957年，美國科學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗在物理學(xué)評論提出BCS理論，其微觀機理才得到一個令人滿意的解釋。 巴丁、庫珀和施里弗因為提出超導(dǎo)電性的BCS理論而獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎 BCS理論：適用于金屬晶體金屬晶體是有周期型排列的金屬正離子和

4、可以自由移動的自由電子構(gòu)成。金屬晶體中的電子處于帶正電的原子核環(huán)境中，當(dāng)溫度處于超導(dǎo)體的臨界溫度以下時TTc，電子不再單獨一個一個存在，帶負電的電子吸引原子核向它靠攏，那么在電子周圍形成局域正電勢密集區(qū)，吸引第二個自旋相反的電子。這個電子和原來的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對，成為庫柏電子對。兩個電子自旋方向相反，動量大小相等，方向相反，總能量為零。庫柏電子對的能量低于兩個單獨電子的能量。庫柏電子對在晶格中運動沒有阻力，這是因為兩個電子在電場作用下運動時，受到晶格的散射時，發(fā)生相反的動量改變，結(jié)果電子的總動量不變，所以晶格的散射不能加快也不能減慢電子的運動，宏觀上表現(xiàn)為直流電阻為零的超導(dǎo)形式。B

5、CS理論針對金屬的超導(dǎo)，無法成功的解釋高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象 相干長度：是由吸引力束縛在一起的兩個電子。實際上這種吸引作用并不強。一個庫柏對的尺寸約為10-4cm左右，這個尺寸相當(dāng)于晶格常數(shù)的10萬倍。由此可見，一個庫柏對在空間延展的范圍是很大的，在這空間范圍內(nèi)存在著許多個庫柏對互相重疊交叉的分布。庫柏對有一定的尺寸，反映了組成庫柏對的兩個電子，不像兩個正常電子那樣，完全互不相關(guān)的獨立運動，而是存在著一種關(guān)聯(lián)性。 正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)E2. 完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))邁斯納效應(yīng)當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在

6、超導(dǎo)體內(nèi)永遠保持磁感應(yīng)強度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)”。電阻為零和完全抗磁性是超導(dǎo)體最基本的兩個性質(zhì) ，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)性 必須看 是否同時有零電阻和邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)表明，處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體是一個具有完全抗磁性的抗磁體穿透深度實際上磁場強度 B 有一穿透深度當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個無損耗感應(yīng)電流。這個電流產(chǎn)生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反，因而總合成磁場為零。換句話說，這個無損耗感應(yīng)電流對外加磁場起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。邁斯納效應(yīng)產(chǎn)生的原因:觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗現(xiàn)象：在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變

7、溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了。原因：由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。 根據(jù)這種原理，可以利用超導(dǎo)體做成無摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用超導(dǎo)陀螺儀、磁懸浮列車等。3. 超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)臨界溫度（TC）超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。臨界電流密度（JC）通過超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界磁場（HC）施加給超導(dǎo)體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc

8、）、臨界電流JC是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。只有當(dāng)上述三個條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）Tc、Hc、Jc任一條件變化都會從超導(dǎo)態(tài)變成正常態(tài)正常態(tài)HHcTcT超導(dǎo)態(tài)Ic(V)IV失超臨界電流：即當(dāng)每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為1V時所輸送的電流3.3.3 超導(dǎo)體分類元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體陶瓷超導(dǎo)體高分子超導(dǎo)體目前已查明:在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。 1. 元素超導(dǎo)體由于這類超導(dǎo)體臨

9、界溫度太低，無太大實用價值Nb的Tc最高，僅為9.5K2.合金超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體是機械強度最高、應(yīng)力應(yīng)變較小、磁場強度低、臨界電流密度高的超導(dǎo)體，在早期得到實際應(yīng)用。超導(dǎo)合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）。3. 金屬間化合物超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導(dǎo)體的高，但此類超導(dǎo)體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。 1986 , 繆勒、柏諾茲發(fā)現(xiàn)高溫超體。 超導(dǎo)材料獲得了更高的臨界溫度 如：YBaCuO（Tc90K） TiBaCaCuO（Tc120K 從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的突破。液氮的沸點為

10、77.3 K ，價格比液氦便宜 100 倍，冷卻效率高 63 倍，且氮又是十分安全的氣體，故大大擴展了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。4.高溫超導(dǎo)體1987年兩人獲得諾貝爾物理學(xué)獎高溫超導(dǎo)理論:下一個諾貝爾獎? 把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo) 。高溫超導(dǎo)材料都是陶瓷類氧化物 。這些高Tc銅氧化物超導(dǎo)材料有許多共同的結(jié)構(gòu)特征：層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)組元 導(dǎo)電層（銅氧層）Cu-O6八面體Cu-O5四方錐 Cu-O4平面四邊形 載流子庫層空穴電子調(diào)節(jié)載流子濃度提供耦合機制LaBaCuO41 層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，可以看作是由導(dǎo)電層和絕緣的組合層構(gòu)成的夾層狀結(jié)構(gòu)。2 導(dǎo)電層是由一層或幾層Cu-O平面組成的，

11、電導(dǎo)和超導(dǎo)都是主要發(fā)生在這些Cu-O層上，電學(xué)性質(zhì)和超導(dǎo)性質(zhì)都具有強烈的各向異性。絕緣的組合層也可稱作載流子庫層。向CuO 面提供載流子。高溫銅氧化物超導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)特征：銅氧化物高溫超導(dǎo)材料：可以看作是由相應(yīng)的絕緣的母體化合物通過“摻雜”演變過來的。摻雜改變載流子庫層的電價，產(chǎn)生載流子向CuO層的轉(zhuǎn)移，使CuO層有導(dǎo)電性。母體：La2CuO4摻雜物：Sr，Ba載流子庫層：空穴以LaBaCuO4為例中國制造 Made in China2002年1月 長116m，寬3.6mm，厚0.28 mm 鉍系高溫超導(dǎo)帶材試制成功。2002年4月 340m 長的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。 已達到了國際先進水平5

12、. 高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達到10K其它新型超導(dǎo)體C60(足球狀)有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質(zhì)地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場均較大，這些特點使C60超導(dǎo)體更有望實用化。 C60被譽為21世紀(jì)新材料的”明星”，這種材料已展現(xiàn)了機械、光、電、磁、化學(xué)等多方面的新奇特性和應(yīng)用前景。C60MgB2：二硼化鎂（MgB2），其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達39K。二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)為研究新一類具有簡單組成和結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)體找到新途徑。 易合成和加工，容易制成薄膜或線材。

13、超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可分為三類：1.大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）：發(fā)電，輸電和儲能2.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計算機，濾波 器，微波器件等3.抗磁性應(yīng)用：磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等3.3.4 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)發(fā)電機發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁場繞組中使用超導(dǎo)線,這個繞組用溫度極低的液態(tài)氦(其沸點為269)冷卻。由于繞組電阻為零,流過大在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬6萬高斯。超導(dǎo)發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率300KW超導(dǎo)單極300發(fā)電機 1.大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用） 超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線。從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%

14、的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。 超導(dǎo)計算機 高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱正是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。如果超大規(guī)模集成電路中元件之間的互連線用零電阻或接近零電阻的、不發(fā)熱或僅微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，則不存在散熱問題，亦更能提高計算機的運算速度。2.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）高溫超導(dǎo)濾波器 所有的無線電接收裝置在接受外界訊號時總伴有一定的噪音。噪音主要可分為兩部分：一是外界信號帶入的，可用檢波的方法加以消除；二是裝置的線路內(nèi)部產(chǎn)生的噪音

15、，這一部分噪音不能消除。這是由于電路中存在一種所謂熱噪音，它起源于電阻、電感和接線中的電子和晶格的碰撞。高溫超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)下電阻為零，這意味著高溫超導(dǎo)體的熱噪音十分小。超導(dǎo)磁懸浮列車-零高度的飛行器超導(dǎo)材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。利用這種抗磁性可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。3.抗磁性應(yīng)用優(yōu)點：(1)省能源(2)低噪音(3)高速磁懸浮列車的運動原理在列車下部裝上超導(dǎo)線圈，在地面上排列鋁制線圈，當(dāng)超導(dǎo)線圈通有電流且列車啟動后，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，地面線圈與超導(dǎo)線圈之間產(chǎn)生排斥力，使得列車可能懸浮在鐵軌上。只須維持超導(dǎo)線圈中超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)溫度的能源，而無須牽引列車的能源，故節(jié)約了能源。 磁懸浮列車運行的動力，來自于地面導(dǎo)軌中排列的線圈和車身之間產(chǎn)生的磁力。由于磁極之間同性相斥、異性相吸，產(chǎn)生了向前的驅(qū)動力。通過電流方向的改變，使地面導(dǎo)軌中線圈呈現(xiàn)的極性