超導(dǎo)材料-第一節(jié).ppt

1、第四章超導(dǎo)材料 第一節(jié)：超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)和特征 第二節(jié)：超導(dǎo)電性理論基礎(chǔ)和微觀機(jī)制 第三節(jié)：約瑟夫森效應(yīng) 第四節(jié)：超導(dǎo)材料的種類及性能 第五節(jié)：超導(dǎo)材料的應(yīng)用,1,第一節(jié)：超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)和特征,什么是超導(dǎo)材料？ 日常生活中的超導(dǎo)材料？,2,自從世界上以電力作為主要?jiǎng)恿σ詠?lái)，就遇到兩個(gè)令人頭痛的問(wèn)題： 、輸運(yùn)過(guò)程： 、電力儲(chǔ)存：,3,一、超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程 1908年 液氦 1911年 Hg零電阻,當(dāng)時(shí)，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯為檢驗(yàn)金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，就用水銀作試驗(yàn)。 將水銀冷卻到-40時(shí)，亮晶晶的液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并繼續(xù)降低溫度，同時(shí)測(cè)量不同

2、溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低列4 K時(shí)，水銀的電阻突然變成了零。,這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了世界的物理學(xué)界，后來(lái)科學(xué)家把這個(gè)現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象，把電阻等于零的材料稱超導(dǎo)材料，而把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的溫度稱作超導(dǎo)材料的“臨界溫度”。,4,199l年，美國(guó)和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子-60在摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性。 科學(xué)家預(yù)料，球狀碳分子-60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，那時(shí)，超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一樣，在世界引起一場(chǎng)工業(yè)和技術(shù)革命。,5,昂尼斯和許多科學(xué)家后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8000多種超導(dǎo)化合物材料。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的臨界溫度大多在接近絕對(duì)零度的極低溫，沒(méi)有什么經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因

3、為制造這種極低的溫度，本身就很花錢而又很困難。,6,為了尋找臨界溫度比較高的沒(méi)有電阻的材料，世界上無(wú)數(shù)科學(xué)家?jiàn)^斗了近60年，也沒(méi)有取得什么進(jìn)展。 到1973年，鈮鍺合金 Tc23K。 1986年，釔鋇銅氧陶瓷氧化物 Tc43K 1987年，Tc78.5K，98K美籍華人朱經(jīng)武，中國(guó)趙忠賢在1987年相繼發(fā)現(xiàn)了在78.5 K 和98 K時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的釔鋇銅氧系高溫超導(dǎo)材料。 1988年，鉍鍶鈣銅氧系 Tc110K， 朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系125K,7,1995年美國(guó)國(guó)立洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)把高溫超導(dǎo)體制成柔韌的細(xì)帶狀，由于沒(méi)有電阻，其導(dǎo)電性是銅絲的1200多倍。 1996年，日本電

4、氣公司制出長(zhǎng)一千米的高溫超導(dǎo)線材，電流密度達(dá)到6000A/cm2，這種線材已達(dá)到了實(shí)用化的水平。,8,美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校超導(dǎo)材料科學(xué)家皮克特的最新研究成果向人們揭示，室溫超導(dǎo)材料的問(wèn)世和廣泛應(yīng)用也許為期不遠(yuǎn)，科學(xué)家有望找到在極其炎熱的夏季溫度(甚至超過(guò)100)下依然可以有效工作的室溫超導(dǎo)材料。,9,高溫超導(dǎo)材料的不斷問(wèn)世，為超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用鋪平了道路。然而，尋找室溫下的超導(dǎo)材料才是科學(xué)家最大的夢(mèng)想，因?yàn)槭覝爻瑢?dǎo)材料極可能引發(fā)一場(chǎng)全球性的科技革命和工業(yè)革命。迄今為止，科學(xué)界公認(rèn)的最高超導(dǎo)臨界溫度是138K，但科學(xué)家依然沒(méi)有找到圓滿的理論解釋。,盡管如此，超導(dǎo)材料在液氮以上溫度工作，可

5、以說(shuō)是20世紀(jì)內(nèi)科學(xué)技術(shù)上的重大突破，也是超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。至今，對(duì)高溫超導(dǎo)材料的研究仍然方興未艾。,10,二、超導(dǎo)材料的兩個(gè)基本特性,1零電阻效應(yīng) 2超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）,11,1零電阻效應(yīng) 當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，也稱為超導(dǎo)電性。 下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。,12,汞在液氦溫度附近電阻的變化行為,越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的電阻陡降越尖銳。,13,2超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)） 指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，磁力線無(wú)法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量為零。,14,超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B總是等于零， B=0(

6、1+ )H=0。 04*10-7Herry/m 即超導(dǎo)電狀態(tài)下的物質(zhì)的磁化率為=-1。,超導(dǎo)體的完全抗磁性如下圖所示：,15,液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實(shí)驗(yàn),超導(dǎo)體會(huì)排斥磁場(chǎng)，這使得小的永久磁鐵能夠漂浮在大塊的高溫超導(dǎo)體上。,16,日本新干線,17,18,2002年月12月底，中、德兩國(guó)科技合作，上海磁浮列車示范運(yùn)行順利實(shí)現(xiàn)了首次試運(yùn)行，列車懸浮在軌道上方，和軌道之間沒(méi)有直接接觸，運(yùn)行阻力大大減小，因此磁懸浮列車的最大時(shí)速可以達(dá)到500公里。 速度快：超導(dǎo)磁浮可達(dá)500至600公里/小時(shí)。 能耗低：能耗僅為飛機(jī)的1/3至1/2，比汽車小30%。 維修少：磁浮列車沒(méi)有車輪，其工作屬于無(wú)磨損運(yùn)行，維修主要集

7、中在電子技術(shù)方面，不需大量體力勞動(dòng)。 污染?。捍鸥×熊嚥捎秒娏︱?qū)動(dòng)，不需燃油，無(wú)有害氣體排放，環(huán)境污染小。,19,超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)的意義： 否定了把超導(dǎo)體看作理想導(dǎo)體，,對(duì)于導(dǎo)體，即使是理想狀態(tài)，電阻趨于零，而導(dǎo)體內(nèi)部的磁通密度取決于R 0時(shí)的磁通狀態(tài)。 對(duì)超導(dǎo)體，在超導(dǎo)狀態(tài)下，內(nèi)部磁通密度總是等于零。,僅從超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)，得不到邁斯納效應(yīng)。 同樣，用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象。,20,邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體的又一個(gè)基本性質(zhì)。 完全抗磁性就像一個(gè)鐵面無(wú)私的法官，許多令人振奮的發(fā)現(xiàn)，許多激動(dòng)人心的電阻反常，許多所謂的室溫超導(dǎo)體，都因?yàn)槿狈ν耆勾判缘闹С侄慌辛怂佬獭?因此，只有同時(shí)具

8、有零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性的材料才有希望成為真正的超導(dǎo)體，兩者缺一不可。,21,因此，邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)獨(dú)立又相互聯(lián)系的基本屬性，單純的零電阻并不能保證邁斯納效應(yīng)的存在，但零電阻又是邁斯納效應(yīng)的必要條件。,衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時(shí)具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。,22,邁斯納效應(yīng)產(chǎn)生的原因 當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，表面產(chǎn)生無(wú)損耗感應(yīng)電流，這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)大小相等，方向相反，因而總合成磁場(chǎng)為零。 即，無(wú)損耗感應(yīng)電流對(duì)外加磁場(chǎng)起著屏蔽的作用，因此又稱為抗磁性屏蔽電流。,23,根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個(gè)基本特征，可以看出： 超導(dǎo)體是指某種物質(zhì)冷卻到某一

9、溫度時(shí)電阻突然變?yōu)榱?，同時(shí)物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。,24,三、超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù),臨界溫度 Tc 臨界磁場(chǎng) Hc 臨界電流 Ic,25,發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，翁奈斯即著手用超導(dǎo)體來(lái)繞制強(qiáng)磁體，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞了，即超導(dǎo)體具有臨界電流Ic。 此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)Hc。 Ic和Hc也是超導(dǎo)體的基本特性，是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體強(qiáng)電應(yīng)用的必要條件。,26, 臨界溫度Tc 超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)（有電阻）轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)（電阻消失）的溫度，稱為臨界溫度，以Tc表示。目前已知的銠的Tc最低，為0.0002K 臨界溫度是在外部磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力和輻射等條件維持足夠低時(shí)，

10、電阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度。（可以發(fā)生臨界溫度的條件）,27,嚴(yán)格的說(shuō)，由于材料的不純，這種零電阻轉(zhuǎn)變前后，跨越了一個(gè)溫區(qū)。從而引入下面四個(gè)區(qū)域的溫度參數(shù)： 1：零電阻溫度Tc即在理論材料電阻R0時(shí)的溫度。 2：起始轉(zhuǎn)變溫度Tc（on set） 即材料開(kāi)始偏離常導(dǎo)態(tài)線性關(guān)系時(shí)的溫度。3:轉(zhuǎn)變溫度寬度 Tc 即取（1090）Rn（Rn為起始轉(zhuǎn)變時(shí)，材料的電阻值）對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)域?qū)挾取?Tc 越窄，說(shuō)明材料的品質(zhì)越好。4：中間臨界溫度Tc（mid） 即取1/2Rn對(duì)應(yīng)的溫度值對(duì)一般常規(guī)超導(dǎo)體，這一溫度值有時(shí)可視為臨界溫度。,28,1：零電阻溫度Tc即在理論材料電阻R0時(shí)的溫度。,2：起始轉(zhuǎn)變溫度 Tc（

11、on set） 即材料開(kāi)始偏離常導(dǎo)態(tài)線性關(guān)系時(shí)的溫度。,3:轉(zhuǎn)變溫度寬度 Tc 即?。?090）Rn（Rn為起始轉(zhuǎn)變時(shí)，材料的電阻值）對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)域?qū)挾取?Tc 越窄，說(shuō)明材料的品質(zhì)越好。,4：中間臨界溫度Tc（mid） 即取1/2Rn對(duì)應(yīng)的溫度值對(duì)一般常規(guī)超導(dǎo)體，這一溫度值有時(shí)可視為臨界溫度,29, 臨界磁場(chǎng)Hc 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電性可以被外加磁場(chǎng)所破壞，對(duì)于溫度為T(TTc)的超導(dǎo)體，當(dāng)外磁場(chǎng)超過(guò)某一數(shù)值Hc的時(shí)候，超導(dǎo)電性就被破壞了，使它由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)態(tài), 電阻重新恢復(fù)。,30,這種能夠破壞超導(dǎo)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度，叫做臨界磁場(chǎng)Hc。Hc隨溫度的變化一般可以近似地表示為拋物線關(guān)系：,式中

12、，Hc是絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)。,TTc,可以看出在臨界溫度Tc時(shí)，臨界磁場(chǎng)為零,31,設(shè) H/Hc0=h, T/Tc=t (H,T為單位) 上式變?yōu)椋篽(t)=1-t2,32,（）臨界電流Ic 實(shí)驗(yàn)表明，在不加磁場(chǎng)的情況下，超導(dǎo)體中通過(guò)足夠強(qiáng)的電流也會(huì)破壞超導(dǎo)電性，導(dǎo)致破壞超導(dǎo)電性所需要的最小極限電流，也就是超導(dǎo)態(tài)允許流動(dòng)的最大電流，稱作臨界電流Ic。,33,式中，c是絕對(duì)零度時(shí)的臨界電流。,通過(guò)樣品的電流在樣品表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)達(dá)到臨界磁場(chǎng)Hc時(shí)，超導(dǎo)電性就被破壞這個(gè)電流的大小就是樣品的臨界電流。 臨界電流隨溫度變化的關(guān)系有,TTc,臨界溫度Tc時(shí)，臨界電流為零,34,臨界溫度（Tc）、臨界電流

13、（Ic ）和臨界磁場(chǎng)（Hc ）是“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。 三者具有明顯的相關(guān)性，要使超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須將它置了三個(gè)臨界值Tc 、 Ic和Hc之下三者缺一不可。任何一個(gè)條件遭到破壞，超導(dǎo)狀態(tài)隨即消失。,35,超導(dǎo)電性的T-I-H臨界面,其只有當(dāng)超導(dǎo)體同時(shí)處于三個(gè)臨界條件以內(nèi)，即處于如圖所示的三角錐形曲面內(nèi)側(cè)，才具有超導(dǎo)電性。,Ic,Tc,Hc,I,T,H,Tc,Ic,Hc臨界面,36,超導(dǎo)材料基本物理特性： 臨界溫度Tc、臨界磁場(chǎng)Hc和臨界電流Ic三個(gè)臨界值。超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時(shí)才顯示超導(dǎo)性，所以臨界值越高，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價(jià)值就越高。,37,38,四、兩類超導(dǎo)體

14、的基本特征,超導(dǎo)體按磁化特性可以分為二類 第一類超導(dǎo)體的主要特性是，在磁場(chǎng)H到達(dá)Hc臨界磁場(chǎng)之前，具有完全的導(dǎo)電性和可逆的邁斯納效應(yīng)。 其特征是由正常態(tài)過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)沒(méi)有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。 HHc時(shí)完全抗磁性；HHc時(shí)，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為常導(dǎo)態(tài),39,第I類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等 ，該類超導(dǎo)體的溶點(diǎn)較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作軟超導(dǎo)體。第I類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，因而沒(méi)有很好的實(shí)用價(jià)值。,40,(二)第二類超導(dǎo)體,這類超導(dǎo)體的主要特征是有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)，即下臨界磁場(chǎng)Hc1和上臨界磁場(chǎng)Hc2， HHc1:零電阻,完全抗磁性,與第一類超導(dǎo)體一樣 Hc1HHc2: 磁場(chǎng)透入深度增大。仍然具有零電阻，但不具有完全抗磁性。稱為混合態(tài)。 直到H Hc2 ，磁場(chǎng)完全透入超導(dǎo)體內(nèi)，使其回復(fù)到具有正常電阻的常導(dǎo)態(tài)。,41,42,第二類超導(dǎo)體和第一類超導(dǎo)體的區(qū)別主要在于： 第