超导材料简介

第1页超导概述超导电性的基本特征超导材料的种类超导材料的应用超导材料简介第2页一、超导概述昂内斯(中间白衣者)在他所创立的低温实验室内昂内斯(1853～1926)荷兰低温物理学家1908年成功地液化了氦气，1911年发现了某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超导电性”现象，于1913年获诺贝尔奖。HgInSnPb4.15K3.4K3.7K7.2K氧氮氮90.2K77.3K4.2/1.7K第3页1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论(BCS)，于1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。第4页约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。第5页1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于1987年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。第6页金兹伯格莱格特阿布里科索夫2003年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢·阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利·金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼·莱格特，以奖励他们在超导和超流理论方面的先驱性贡献。第7页吴茂昆朱经武赵忠贤陈立泉钇钡铜氧化合物,1987年2月，92K锶镧铜氧(1987年初，48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，铋系超导体第8页二、超导电性的基本特征ZeroResistance-NoPowerLossMeissnerEffect-ActasMagnetCriticalProperties-Tc,Jc,HcJosephsonEffects-ElectronTunnelling第9页1.零电阻效应在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。零电阻效应是超导态的一个基本特征。不同导体的电阻-温度曲线水银的零电阻效应第10页2.迈斯纳效应处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。超导体排斥力使永久磁环悬浮第11页超导态为什么会出现完全抗磁性呢？外磁场在试样表面产生感应电流（b）。此电流所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出（c），故称磁抗感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽电流。第12页超导体与理想导体的磁性质的区别超导态是一个热力学平衡现象，抗磁性可逆；理想导体的这种磁性质与加场过程有关，不可逆。第13页临界温度Tc临界磁场Hc临界电流密度Jc一些金属超导体临界磁场与温度的关系维持超导状态的必要条件3.超导体的临界参数第14页超导隧道结（约瑟夫森结）示意图弱连接超导体：S-I-S两超导体中间的绝缘（真空，正常）层也能让超导电流通过的现象叫超导隧道效应。4.超导隧道效应第15页电阻（率）-温度曲线，磁化率-温度曲线，比热容-温度曲线物体是否为超导体的实验判据第16页水银的零电阻效应MgB2的x-T曲线锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容实例第17页两类超导体主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁场，即下临界场Hc1和上临界场Hc2。允许磁场通过。它们具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。这类超导体只有两个态，即低温超导态和正常态。主要是金属超导体。第一类（I型）超导体0TcTHHc超导态正常态第二类（II型）超导体第18页第二类超导体HTTcNHc2SMeissnerMixedHc1第二类超导体的相图0,0==rB0,0=rB第19页FluxpenetratesabovethelowercriticalfieldHc1SuperconductivitysurvivesuptotheuppercriticalfieldHc2TypeIIMostalloys,HTS,MgB2.混合态TTc0HHc1TTcHc1HHc2第20页超导现象的物理本质1957年由巴丁（Bardeen）、库珀（Cooper）和施里弗（Sehriffer）合作创建了超导微观理论(BCS)。库珀电子对库珀电子对通过格波相互作用，其作用范围为10-6～10-9m；每个库珀电子对的总动量相当，这是零电阻产生的根源；材料变为超导态后，电子结为库珀对，能量降低2△，称其为超导体的能隙。第21页超导体的能隙能隙随温度变化的曲线21)](1[4.62ccTTT=02正常态超导态费米能正常态超导态费米能2能量T＝0K,0KTTc第22页三、超导材料的种类第23页周期表中的元素超导体大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高临界转化温度(9.2K)；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一类;大多数超导合金和化合物则属于第二类。第24页科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素研究所，以约翰·尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。第25页合金超导体•组成元素都具有超导性合金Nb3SnNbTiV3GaNb3GeTc(K)18.19.516.523.2•组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性合金La2C3C8KMgB2Tc(K)5.9~11.09.539第26页化合物超导体第27页从应用角度对超导材料分类强磁场（电）超导材料超导电子材料（弱电）高温超导材料镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物铌钛（NbTi）合金，Nb3Sn等金属间化合物铜稳定化多芯扭绞超导线材Nb3Sn的截面1234Tc=18.2K超导微波器件（YBCO高温超导薄膜）超导量子干涉器件（SQUID）第28页（1）稀土214家族。化学通式一般写为(R,Ba)2CuO4-x，R表示某一种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导态。这个化学分子式中含两个（R，Ba）类原子，一个Cu原子，4个氧原子，所以被称为214结构。在晶格中，R和Ba的位置是等价的，所以这里把它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，所以在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为36K。目前已被发现的高温超导体——铜基氧化物超导体分为五大家族（2）稀土123家族。化学通式为RBa2Cu3O7-x，R同样表示某个稀土元素。至少有13种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这个家族的分子式中金属元素的个数分别为1，2和3，所以人们把这三种家族称为123超导体家族。因为元素的增多，人们习惯上不再把氧原子写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员的稀土元素是钇（Y），所以人们也常把123家族称为钇家族。123家族的超导转变温度为90K左右。第29页铋超导家族的化学通式为Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2,3。也就是说这个家族有两个成员，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习惯上称为铋2212相和铋2223相。铋2212相的超导转变温度为85K，铋2223相的超导转变温度为110K。在铋2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超导性能会得到改善。（3）铋超导家族第30页铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。第一个分族的分子通式为Tl2Ba2Can-1CunO2n+4，n=1,2,3…。这个家族有三个主要成员，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超导转变温度为90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超导转变温度为110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超导转变温度为125K。因这一分族的每个成员的分子式里都含有两个Tl原子，在晶体结构上对应两个铊原子层，所以人们又把这个分族叫做铊双层分族。另一个分族的化学分子通式为Tl(Ba,Sr)2Can-1CunO2n+3，n=1,2,3。这个通式中的(Ba,Sr)表示这个位置可以是Ba也可以是Sr。当这个位置的原子是Sr时，Ca可以被某一种稀土元素（R）部分取代。能参与取代的稀土元素达15种之多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个，即1201相，1212相和1223相。因为每个相的(Ba,Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr，所以结构上的三个相在化学组成上就分成了TlBa2CuO5,TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7；TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O96个成员。而每个含Sr的成员的Ca又可以被稀土元素取代。所以这个分族有成员几十个。因这个分族每一个分子中只含一个铊原子，即在晶格中只有一层铊原子，所以人们又常把这个分族称为铊单层分族。铊单层分族的1201相、1212相和1223相的超导转变温度分别为45K，95K和120K。（4）铊超导家族第31页汞超导家族的化学通式为HgBa2Can-1CunO2n+2+x，n=1,2,3…。因这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下标上有+x。这个家族的主要成员有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，这三个相的转变温度分别为85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今为止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。高温超导体是金属氧化物，在本质上是陶瓷材料，所以有的人将其称为陶瓷超导材料。（5）汞超导家族第32页第33页高温超导线材的制备工艺第34页Nature2001,410,63-64MgB2第35页第36页第37页MgB2的结构FromO.JepsenasappearedinCanfieldet.al.PhysicsToday,March2003,p.34•HexagonalAlB2typestructure(P6/mmm)•AlternatinglayersofhexagonalMgandhoneycombB第38页FermiSurface2DBondingpx,py()3DBondingpz()3DAntibondingpz()•(quasi)2Dcylindersderivedfromorbitals•3Dsheetsfromorbitals•twosuperconductinggaps:6.8meV,1.8meV第39页MgB2的性质第40页沸石晶体内的超导纳米碳管王宁博士(左）用电镜观察纳米碳管，旁为汤子康博士。电镜下的纳米碳管N.Wang,Z.K.Tang,G.D.Li,J.S.Chen,Nature2000,408,50Science,2001,292,2462Tc=15K第41页用超导材料作成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解决人类的能源和交通问题；用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：四、超导材料的应用第42页1.磁悬浮列车中德总理乘坐上海磁浮列车上海磁浮列车第43页日本超导磁悬浮列车MAGLEV超导磁悬浮列车导轨超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型(MagneticallyLevitatedTrains)第44页磁悬浮列车结构模型第45页电磁悬浮系统（ElectroMagne