超导材料

超导材料SuperconductorMaterials2020/2/24超导历史1908年，昂纳斯(Onnes)制得液氦，1911年，昂纳斯(Onnes)首次发现了超导现象1933年，迈斯纳(Meissner)效应被发现1950年，美国科学家F.M.定克斯书和C.A雷诺兹分别独立发现了同位素效应1957年，巴丁(Bardeen)、库柏(Cooper)和施瑞弗(Schrieffer)基于电子和声子的相互作用，建立了BCS理论50年代至60年代，第二类超导体和约瑟夫逊(Josephson)效应被发现60年代至80年代低温超导有了一定的应用规模超导历史1986年，柏诺兹(J.G.Bednorz)和缪勒(K.A.Muller)发现La-Ba-Cu-O超导体，Tc=35K1987.2朱经武(美国体斯顿大学)发现YBaCuO超导体，Tc=80-92k1987.2赵忠贤(中国科学院物理所)宣布YBaCuO组分Tc=100K1988.1前田(日本国家众届研究所)发现BiSrCaCuO，Tc=115K1988.2盛正直、M.Hermman(赫曼)(美国阿尔堪萨斯大学)发现TaBaCaCuO超导体，Tc=125超导实验现象（一）零电阻现象：当温度T降至某一数值Tc或以下时，超导体的电阻突然变为零，这就是超导体的零电阻现象。超导体在电阻消失前的状态称为常导状态；电阻消失后的状态称为超导状态。汞在掖氦温度附近电阻的变化行为零电阻现象电阻率ρ与温度T的关系1.纯金属晶体;2.含杂质和缺陷的金属晶体;3.超导体超导实验现象（二）完全抗磁性（Meissner效应）：在超导状态下，超导体内磁感应强度B≡0。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个基本特征。超导实验现象（三）超导态的比热容的指数形式意味着超导态能谱中存在能隙Eg)/exp(TbTaCcescgbkTE2超导实验现象（四）同位素效应（IsotopeEffect）：超导临界转变Tc与原子质量的平方根成反比说明超导电性的根源来自于电子-声子相互作用。)2/1(1MTc超导实验现象（五）约瑟夫逊(Josephson)隧道效应：Cooper电子对穿越势垒后仍保持着配对状态直流约瑟夫效应交流约瑟夫效应超导的微观图像超导能隙电子-声子相互作用库柏电子对相干长度超导能隙由超导态的比热容可知，超导态的电子能谱中存在一个半宽度为Δ的能量间隔，在这个能量间隔内禁止电子占据，人们把2Δ或Δ称为超导态的能隙。电子-声子相互作用同位素效应说明，超导电性是与电子和声子的相互作用密切相关的库柏电子对库柏(Cooper)证明：当2个电子间存在净的吸引作用时，不管这种吸引多么微弱，那么，在费米面附近就存在一个动量大小相等、方向相反且自旋相反的束缚态；它的能量比2个独立的电子总能量低，这种2个电子对的束缚态称为库柏对。相干长度库柏对是由吸引力束缚在一起的两个电子。实际上这种吸引作用并不强，其结合能仅相当于超导能隙的量级。利用测不准关系，可估计出一个库柏对的尺寸约为10-4cm左右，这个尺寸相当于晶格常数的10万倍。由此可见，一个库柏对在空间延展的范围是很大的，在这空间范围内存在着许多个库柏对互相重叠交叉的分布。库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子，不像两个正常电子那样，完全互不相关的独立运动，而是存在着一种关联性，库柏对的尺寸正是这种关联效应的空间尺度，称为BCS相干长度。BCS超导微观理论1.超导电性来源于电子间通过声子作媒介所产生的相互吸引作用，当这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成束缚对，也就是库柏电子对，从而导致超导电性的出现。库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大多数电磁学性质都是这种库相对活动的结果。2.元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。BCS超导微观理论3.在绝对零度下，对于超导态，低能量的即在费米球内部深处的电子，仍与处在正常态中的一样。但在费米面附近的电子，则在吸引力作用下，按相反的动量和自旋全部结成库柏对，也就是凝聚的超导电子，在有限温度下，一方面出现一些不成对的单个激发电子，相当于所谓正常的电子；另一方面库柏对吸引力减弱，结合程度变差。温度越高，成对的电子数越少，结合程度越差。当达到临界温度时，库柏对全部拆散成单个的正常电子，超导态即转变成正常态了。用BCS理论解释超导性质零电阻、能隙和相干长度临界温度的测算对热容的解释对磁通量子的解释零电阻、能隙和相干长度的解释在超导态情况下，载流子是库柏电子对。库柏对的电子虽然受到散射，但在过程中，总动量不变，电流就不会变，相当于无阻状态能隙就是破坏一个库柏对所需要的能量，至少2Δ相干长度也即是组成库柏对的两个电子之间的长度对热容的解释热容与温度的关系式可以用BCS理论给出的能隙概念来解释。当T＜Tc一定程度时，能隙2Δ(T)实际上与温度无关。这时破坏一个库柏对需要2Δ(0)，是恒定的。在这个温度范围内，根据统计物理学，被破坏的库柏对的对数与成正比，也就是说，在超导态下电子热容与温度成指数关系。TKBe/)0(超导体的3个临界参数临界温度Tc：导体由正常态转变为超导态的温度；临界磁场Hc：破坏超导态所需的最小磁场强度。临界电流Ic：破坏超导电性所需的最小极限电流，亦是产生临界磁场的电流，也就是超导态允许流动的最大电流，叫做临界电流。Ic和Hc的关系：Ic=ρHc/2ρ为环形回路的半径三个临界参数的关系第一类超导体主要特性是，在磁场只到达Hc临界磁场之前，具有完全的导电性和可逆的迈斯纳效应。这类超导体包括除钒、银、钽以外的其他超导元素。HBMHcHMHBHMHHc00,0,0)(,,第二类超导体这类超导体的主要持征是有两个临界磁场，即下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。第二类导体包括钒、铌、钽以及大多数合金和化合物超导体低温超导体低温超导体是相对于氧化物超导体而言，其临界温度Tc33K，并且其超导机理可用BCS理论解释，也称为常规超导体或传统超导体元素超导体合金超导体化合物超导体元素超导体在所有的元素中，约有半数具有超导电性元素超导体除V，Nb，Ta以外均属于第一类超导体，这类超导体的临界磁场很低，其超导状态相容易受磁场影响而遭受破坏，很难实用化铋〔Bi)在常压下不是超导体，但在高压下可形成各种不同的高压相比BiⅡ、BiⅢ、BiⅣ，它们都呈超导电性另有一部分元素在经过特殊工艺处理(如制备薄膜、电磁波辐照、离子注入等)后显示出超导电性铜、铁、钠在迄今能达到的低温条件下未发现呈现超导电性周期表中的超导元素合金超导体较高的临界温度和特别高的临界磁场及临界电流密度，塑性好、易于大量生产、成本低Nb-Zr合金Nb-Ti合金三元合金：Nb-Zr-Ti、Nb-Ti-Ta、Nb-Ti-Hf、V-Zr-HfNbTi超导棒材NbTi/Cu多芯复合线NbTi超导丝化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临界磁场(Hc)都较高，超过10T的超导磁体只能用化合物系超导材料。化合物超导材料按其晶格类型可分为B1型(NaCl型)、A15型，C15型(拉威斯型)目前实用的化合物超导材料只有Nb3Sn、V3Ga两种，其他化合物由于加工成线材困难，不能实用Nb3Sn、V3Ga超导线材的制备方法超导材料的应用开发新能源超导受控热核反应堆超导磁流体发电节能：超导输电超导发电机和电动机超导变压器超导磁悬浮列车超导材料的应用超导储能：由于超导体电阻为零，在其回路中通入电流，电流应永不衰减。即可以将电能存贮于超导线圈中。科学研究医学生物：NMR成像其他：“约瑟夫逊”器件电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。