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超导材料介绍第第1 1页页第第2 2页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第3 3页页一、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(18531926)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第第4 4页页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。第第5 5页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。第第6 6页页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。第第7 7页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。第第8 8页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，铋系超导体第第9 9页页二、超导电性的基本特征ZeroResistance-NoPowerLossMeissnerEffect-ActasMagnetCriticalProperties-Tc,Jc,HcJosephsonEffects-ElectronTunnelling第第1010页页1.1.零电阻效应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第1111页页2.2.迈斯纳效应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第1212页页超导态为什么会出现完全抗磁性呢？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。第第1313页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。第第1414页页临界温度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3.3.超导体的临界参数超导体的临界参数第第1515页页超导隧道结（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。4.4.超导隧道效应超导隧道效应第第1616页页电阻（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物体是否为超导体的实验判据第第1717页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)的比热容实例第第1818页页两类超导体 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（第一类（I I型）超导体型）超导体0TcTH Hc超导态正常态第二类（第二类（II II型）超导体型）超导体第第1919页页第二类超导体HTTcNHc2SMeissnerMixedHc1第二类超导体的相图第二类超导体的相图0,0=rB0,0=rB第第2020页页Fluxpenetratesabovethelower critical field Hlower critical field Hc1c1Superconductivitysurvivesuptotheupper critical field Hupper critical field Hc2c2TypeIITypeIIMostalloys,HTS,MgB2.混合态TTc0HHc1TTcHc1HHc2第第2121页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10-610-9m；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。第第2222页页超导体的能隙能隙随温度变化的曲线02D正常态超导态费米能正常态超导态费米能D2能量T0K,0KTTc第第2323页页三、超导材料的种类第第2424页页周期表中的元素超导体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。第第2525页页科学家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。第第2626页页合金超导体组成元素都具有超导性合金合金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合金La2C3C8KMgB2Tc(K)5.911.09.539第第2727页页化化合合物物超超导导体体第第2828页页从应用角度对超导材料分类强磁场（电）超导材料强磁场电）超导材料超导电子材料（弱电）超导电子材料（弱电）高温超导材料高温超导材料镧、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）第第2929页页（1 1）稀土）稀土214214家族家族。化学通式一般写为(R,Ba)(R,Ba)2 2CuOCuO4-x4-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 2）稀土）稀土123123家族家族。化学通式为RBaRBa2 2CuCu3 3OO7-x7-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。第第3030页页铋超导家族的化学通式为BiBi2 2SrSr2 2CaCan-1n-1CuCun nOO2n+42n+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 3）铋铋超超导导家族家族第第3131页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TlTl2 2BaBa2 2CaCan-1n-1CuCun nOO2n+42n+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)Tl(Ba,Sr)2 2CaCan-1n-1CuCun nOO2n+32n+3，n1,2,3。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 4）铊铊超超导导家族家族第第3232页页汞超导家族的化学通式为HgBaHgBa2 2CaCan-1n-1CuCun nOO2n+2+x2n+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 5）汞超）汞超导导家族家族第第3333页页第第3434页页高温超导线材的制备工艺 第第3535页页Nature2001,410,63-64MgB2第第3636页页第第3737页页第第3838页页MgB2的结构FromO.JepsenasappearedinCanfieldet.al.PhysicsToday,March2003,p.34HexagonalAlB2typestructure(P6/mmm)AlternatinglayersofhexagonalMgandhoneycombB第第3939页页FermiSurface2DBondingpx,py()3DBondingpz()3DAntibondingpz()(quasi)2Dcylindersderivedfrom orbitals3Dsheetsfromorbitalstwosuperconductinggaps:6.8meV,1.8meV第第4040页页MgB2的性质第第4141页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,2001,292,2462T Tc c=15K=15K第第4242页页u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；u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；u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、超导材料的应用第第4343页页1.1.磁悬浮列车磁悬浮列车中德总理乘坐上海磁浮列车上海磁浮列车http:/ 种农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用下，能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特性等。一般而言，磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响比较大，其作用机制是：磁场基因酶代谢结构与功能。实验研究的结果表明，经过强磁场作用的农作物种子，其最终产量将能够提高5-10%。第第5858页页扫雷11.11.其它应用其它应用超导电磁炮超导芯片超导飞船医用MRIhttp:/