功能材料PPT系列：超导材料

超导材料固体的导电原理自由电子理论理论要点优缺点能带理论理论要点优缺点引入新概念－空穴近代导电理论近代导电理论理论依据：上述两个理论均以自由电子为研究对象，忽略离子的作用(看作绝对静止)；实际上离子(T≠0K)在其平衡位置附近做热震动。晶格离子间存在相互作用，使其在某个离子部位受到的热扰动，最终可通过离子链传递到整个晶格离子上，使整个晶格系统发生集体震动，其能量增减的单位叫声子。因此电子和晶格离子间的相互作用就叫电子－声子相互作用。电子和声子的相互作用，可演变成我们熟悉的球体碰撞模型。电子和声子发生碰撞，把一份能量传递给晶格，产生一个声子(非弹性)；或者使其运动的方向发生改变，即使其沿电场方向的运动加速收到影响(弹性)；二者的效果，都表现为材料的电导率降低，产生电阻。电子－声子相互作用产生电阻材料缺陷产生电阻实际材料中总有缺陷，不管是点、线、面缺陷，都会破获晶体材料的势场。电子也会收到缺陷的散射，才生电阻。或者说当缺陷存在时，会使电子的散射增加。当电子收到足够的无序散射时，单电子的薛定谔方程的解会由离域得得变成定域的，即使载流子的状态由导体转变成绝缘体。导体的R－T特性及原因T特别小时，温度极低，离子振动若，声子少，因此电阻主要由缺陷散射产生，与缺陷浓度成比例，所以保持在相对稳定的水平上。T增高，声子增加，电子－声子相互作用明显，因此R表现出很强的温度依赖性。超导现象的发现1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时，发现当温度低于4.2K时，水银电阻突然消失为０。物质在超低温下，突然失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称为超导体。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。提示：固体按导电状态分为：导体、半导体和绝缘体，没有超导体。零电阻现象和迈斯纳效应超导体和理想导体的零电阻性本质不同磁悬浮的小球IＴ０１２３各种材料的电阻率与温度的关系1.纯金属2.含杂质和缺陷的金属3.超导体超导态的两大基本属性：零电阻性迈斯纳效应超导体具有完全抗磁性，即迈斯纳效应约瑟夫森效应－超导量子隧道效应当两个超导体之间有一很薄的绝缘层时（约1nm），由于绝缘层两边的超导体中电子对的相关性，绝缘层会允许库柏电子对通过，使整个隧道结在一定的范围内呈现出单块超导体的特性，这就是约瑟夫森效应。超导材料的临界参数Tc－临界温度TTc，ρ＝o，具有超导性；TTc，ρ≠0，失去超导性。右图Tc(Hg)＝4.2K。R/R04.004.104.204.304.400.00000.00050.00100.00150.0020T/K临界温度低温下汞的电阻温度关系超导体从正常态过渡到超导态的转变叫正常-超导转变，转变时的温度Tc称为该超导体的临界温度。Hc－临界磁场强度使超导态转变成正常态的最小磁场Hc(T)叫做此温度下该超导体的临界磁场。所有金属的Hc-T曲线几乎有相同的形状，经验公式为：H0－经验系数Tc-磁场为零时的临界温度Jc－临界电流密度当超导电流超过某临界值Jc时，也可使金属从超导态恢复到正常态．若TTc,并有HHc时，Jc＝f(T,H)，即Jc是T和H的函数，如右图所示.Jc实质是无阻负载的最大电流密度。超导材料的种类按迈斯纳效应分：第一类超导体：除V、Nb、Ru外，所有的元素超导体。第二类超导体：化合物超导体，加上V、Nb、Ru。超导能隙电子-声子相互作用BCS超导微观图象超导体的导电机理超导能隙由由图可见：超导态时，在费米能级Ef附近，有一半宽度为∆的能量间隔，在此间隔内禁止电子占据，把2∆或∆称为超导态的能隙。0K，能隙下边缘以下的各能态全被电子占据，而上边缘以上的各能态全空。该状态为超导基态。区分：和半导体或绝缘体中的禁带加以区别？T=0K，频率为ν的电磁波照射到超导体上时，能隙△的存在，只有当照射频率满足下式时，激发过程才会发生：此时，超导体就会开始强烈的吸收电磁波。临界频率一般处于微波或远红外频谱部分。2hv当，相当于把△看成零。超导体在这些频段的行为，同正常金属没有什么差别。这可以解释临界磁场的存在；另外，还发现不同的超导体具有不通的能隙大小，且△随温度升高逐渐变窄，直至温度升高到某一值时，能隙会消失为零。这时超导态就转变成为常导态。这和的存在临界温度相符合。也是与半导体中的禁带宽度的区别。2hv电子－声子相互作用材料中的微观粒子：电子、离子可产生三种两两相互作用电子－离子电子－电子离子－离子研究发现，超导电性即合电子特性有关，又受离子的特性影响，因此有理由推测：电子－声子相互作用是超导电性产生的根源。电子－声子相互作用正常导体的电阻效应超导体的无阻效应BCS理论由巴丁、库柏和施里弗三人共同建立(BCS)，后被广为接受，称为现代超导微观理论，它揭示出超导电性的微观本质。其中以库柏的贡献最为显著，他提出了超导电子的束缚态，及库柏电子对。费米能级：被电子占据和不被电子占据的能级分界线。由于电子云的球对称性分布，因此又把费米能级称为费米球面。处于基带时，正常导体的费米球面为清晰的明确的，它将电子占据的态和未被占据的态截然分开；而超导体却没有清晰的费米球面，它是模糊的，或则费米球面转变成具有一定宽幅的费米球带。这是因为在费米球面附近的电子，本来可能具有比Ef更高的能量，但它们可能按一定的方式两两结合成对，并对外释放能量，使系统能量降低到费米能级以下。2()EEeEfVBCS理论：超导态时，电子分为两部分：常导电子、超流电子。费米球面深处，电子呈常导态，和常导体中的电子无异；费米球面附近，电子按相反的动量和自旋两两结合成库柏对，呈超流电子。0TTc，部分电子对被拆开，变成常导电子，未拆开的电子对结合变弱；T↗，更多的电子被拆开，未拆开的电子对结合更弱；T＝Tc，所有电子对均被拆开，超导体回复常导态。无阻的原因库柏对的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。库相对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子，不像两个正常电于那样，完全互不相关的独立运动，而是存在着一种关联性。从动量角度看，在超导基态中，各库柏对中单个电子的动量(或速度)可以不同，但每个库柏对总是保持总动量为零的对态，因此，所有库柏对都凝聚在零动量上。当正常的金属载流时，因为电子会受到散射而改变动量，使载流子沿电场方向的加速受到阻碍从而出现电阻；超导体时，虽然组成库柏对的电子也会受到不断地散射．但在散射过程中，库柏对的总动量维持不变，所以电流没有变化，呈无阻状态。习题：1.什么是结晶学符号？2.晶面(晶棱)符号的确定原则是什么？并画图说明(101)/[101]的物理意义？3.阐述金刚石的晶体结构，并附图说明。4.试用能带理论解释什么是导体、半导体和绝缘体？