高温超导体钇钡铜氧.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,高温超导体钇钡铜氧,目 录,简介,1,基本结构,2,制备方法,3,性能及其应用,4,1.,简 介概念,超导材料，又称为超导体（superconductor）。当某导体在一温度下，可使电阻为零而称之。,两个特性：零电阻、抗磁性。,图,1.1,1.,简 介发现,1911,年，荷兰科学家卡末林昂内斯用液氦冷却汞，当温度下降到,4.2K（268.95）,时，水银的电阻完全消失。,这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。,1.,简 介发现,1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。,图,1.2,图,1.3,1.,简,介,发现,1987年1月，休斯顿大学的朱经武和阿拉巴马大学的吴茂昆，共同发现了钇钡铜氧，为首个超导温度在77K以上的材料，用相对便宜的液氮即可冷却。之前发现的超导体都必须用液氦（4.2K）或液氢冷却（20 K）。,图,1.4,图,1.5,2.,基本结构晶胞,YBCO为钙钛矿缺陷型层状结构，含有CuO-CuO,2,-CuO,2,-CuO交替的层，CuO,2,层可以有变形和皱褶。钇原子存在于CuO,2,和CuO,2,层中，BaO层则在CuO与CuO,2,两层之间。,图,2.1,2.,基本结构晶胞,Y ：1个,Ba,：2个,Cu,：81/8+81/4=3,O,：81/4+71/2=11/2,这是由于晶胞中的O有缺陷造成的。,图,2.1,2.,基本结构钙钛矿型,一般而言，氧化物超导体都是钙钛矿型结构派生出来的，称之为有缺陷的钙钛矿型化合物。此类化合物一般都具有理想的配比化学式ABO,3,A代表较大离子半径的阳离子；,B代表半径较小的过渡金属阳离子；,A和B离子的价态之和为+6。,图,2.2,2.,基本结构钙钛矿型,钙钛矿结构的化合物的组分可通过部分代替而在很宽的范围内发生变化，也就是说它们在一定的组分范围内可以生成很多保持钙钛矿型基本结构的新的化合物。,图,2.2,2.,基本结构钙钛矿型,用元素部分替代产生的新化合物虽然其结构没有发生变化，但是它们的物理特性往往会发生很大的改变，部分替代后的化合物的导电性、磁性、超导性等会发生很大的变化。,图,2.2,2.,基本结构钙钛矿型,铜氧化物的基本结构大都是层状钙钛矿结构。,这种结构或多或少地存在着氧缺位和,A,晶位阳离子的缺位。,图,2.3,2.,基本结构钙钛矿型,氧缺位的发生很普遍，数量也可以在很大的范围内变化。,A晶位的阳离子也容易出现缺位，同时造成氧过剩。,而B晶位上的阳离子与氧离子组成的八面体是ABO,3,型结构的框架，一般不出现缺位。,图,2.4,2.,基本结构,YBCO,图,2.5,简 介发现,123相：YBa2Cu3O7-（Y-123相或YBCO）；,制备方法研磨、压片,当炉子温度低于400，可以用钳子取出钇钡铜氧，放在绝缘板上冷却。,此类化合物一般都具有理想的配比化学式ABO3,124相：YBa2Cu3O8（Y-124相）；,性能极其应用抗磁性,制备方法研磨、压片,B代表半径较小的过渡金属阳离子；,A代表较大离子半径的阳离子；,基本结构钙钛矿型,(3)以每小时50的速度降温到400;,2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。,2K）或液氢冷却（20 K）。,简 介发现,YBCO系超导体有几种不同的相：,Ba ：2个,2.,基本结构,YBCO,自1986年发现铜氧化物高温超导体以来，已经有七大氧化物体系。,YBCO系超导体有几种不同的相：,123相：YBa,2,Cu,3,O,7-,（Y-123相或,YBCO,）；,247相：Y,2,Ba,4,Cu,7,O,15,（Y-247相）；,124相：YBa,2,Cu,3,O,8,（Y-124相）；,2.,基本结构,YBCO,在铜氧化合物超导体中，由于YBCO体系在结构上具有完整的CuO,2,和Cu-O链因而是理想的基础连接对象，也一直是人们关注的焦点之一。,图,2.6,图,2.7,3.,制备方法准备,400下在马弗炉中干燥反应试剂Y,2,O,3,、CuO、BaCO,3,两个小时。,3,和相应量的Y,2,O,3,、CuO(Y:Ba:Cu=1:2:3)。,图,3.1,3.,制备方法研磨、压片,在干净的乳钵中研磨反应物直至没有见到白色的片状固体(大约需要10min)。模压13个混合物小圆片(d=13mm，厚12mm)，置于氧化铝舟中。,图,3.2,3.,制备方法加热,使用程序控制的电炉按下列步骤进行加热：,(1)加热到930，维持12h;,(2)冷却到500，维持1h;,(3)以每小时50的速度降温到400;,(4)冷却到室温。,当炉子温度低于400，可以用钳子取出钇钡铜氧，放在绝缘板上冷却。,3.,制备方法贮存,贮存方法：,储存在阴凉、干燥的地方，并保持贮藏器密封。避免与强氧化物、潮湿接触。确保工作间有良好的通风或排气装置。,超导体,零电阻,Text,抗磁性,Text,零电阻,抗磁性,量子隧道,效应,4.,性能极其应用,零电阻,Text,抗磁性,Text,4.,性能极其应用电应用,昂尼斯持久电流实验：,1954年，为了证实超导体电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，当温度升到高于Tc时，圆环由超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大，感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持久电流实验。,零电阻,Text,抗磁性,Text,4.,性能极其应用电应用,大电流应用：,超导体最理想的应用是在城市商业用电输送系统当中充当电缆带材。常规电缆的输送损耗5-8%。然而由于费用过高和冷却系统难以达到现有要求导致实用化困难重重。,但现在已经有部分地点进行了试运行。2001年五月，丹麦首都哥本哈根大约150,000居民使用上了由超导材料传送的生活用电。,零电阻,Text,抗磁性,Text,4.,性能极其应用电应用,大电流应用：,2001年夏，Pirelli公司为底特律一个能源分局完成了可以输送1亿瓦特功率电能的三条400英尺长高温超导电缆。这也是 第一条将电能通过超导材料输送给用户的商用电缆。2006年7月住友商事电子在 能源部和纽约能源研究发展委员会的支持下进行了一项示范工程超导DI-BSCCO电缆首次入网运行。到目前为止该电缆承担着70,000个家庭的供电需求并且未出现过任何问题。,零电阻,Text,抗磁性,Text,4.,性能极其应用电应用,电子学应用-超导磁体计算机：,高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。,确保工作间有良好的通风或排气装置。,避免与强氧化物、潮湿接触。,247相：Y2Ba4Cu7O15（Y-247相）；,钙钛矿结构的化合物的组分可通过部分代替而在很宽的范围内发生变化，也就是说它们在一定的组分范围内可以生成很多保持钙钛矿型基本结构的新的化合物。,95）时，水银的电阻完全消失。,一般而言，氧化物超导体都是钙钛矿型结构派生出来的，称之为有缺陷的钙钛矿型化合物。,A代表较大离子半径的阳离子；,这种结构或多或少地存在着氧缺位和A晶位阳离子的缺位。,2001年五月，丹麦首都哥本哈根大约150,000居民使用上了由超导材料传送的生活用电。,3和相应量的Y2O3、CuO(Y:Ba:Cu=1:2:3)。,1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。,2K）或液氢冷却（20 K）。,2001年五月，丹麦首都哥本哈根大约150,000居民使用上了由超导材料传送的生活用电。,95）时，水银的电阻完全消失。,在干净的乳钵中研磨反应物直至没有见到白色的片状固体(大约需要10min)。,零电阻,Text,抗磁性,Text,4.,性能极其应用电应用,图,4.1,图,4.2,零电阻,Text,抗磁性,Text,4.,性能极其应用抗磁性,迈斯纳效应：,放在磁场中的球形锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。而磁场在穿过普通导体的时候产生磁化的电流对会有电阻损耗，所以磁化电流产生的磁场要削弱，磁场线能够穿过它。,图,4.3,零电阻,Text,抗磁性,Text,4.,性能极其应用抗磁性,图,4.4,图,4.5,图,4.6,