第三章 超導(dǎo)材料ppt課件

.,超導(dǎo)材料,第三章,.,.,3-1超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),荷蘭物理學(xué)家KammerlinghOnnes（1853-1926）,1895：空氣被液化-192（81K）1898：氫氣被液化-253（20K）1908：氦氣被液化-268.9（4.25K）,“絕對零度先生”,極低溫下電阻的可能變化,.,“Mercuryhaspassedintoanewstate，whichonaccountofitsextraordinaryelectricalpropertiesmaybecalledthesuperconductivestate.”,水銀電阻隨溫度的變化,Hg在4.2K時(shí)，電阻完全消失！,.,超導(dǎo)電性：低溫下失去電阻的性質(zhì)；超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)。,臨界溫度（Tc）：電阻消失時(shí)的溫度，即從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)的溫度；超導(dǎo)態(tài)：超導(dǎo)體在超低溫下電阻為零的狀態(tài)；正常態(tài)：當(dāng)溫度較高，電阻不為零的狀態(tài)。,幾個(gè)概念：,.,1986年：LaBaCuO（銅氧化物超導(dǎo)體）；Tc達(dá)35K；,3-2超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史,超導(dǎo)體發(fā)展簡史,液氫溫度（20K）,液氮溫度（77K）,1987年：YBaCuO；Tc為92K，進(jìn)入液氮溫區(qū)；,1993年：HgBaCaCuO；Tc為135K（高壓下163K）；,.,鐵基超導(dǎo)體LaO1-xFxFeAs：26K；SmO1-xFxFeAs：43K；PrO1-xFxFeAs：52K,新型超導(dǎo)體,1.電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物：最高Tc為12.5K；,有機(jī)超導(dǎo)體,？,MgB240K,2.摻雜C60：鉀摻雜18K；銣摻雜28K；銫銣摻雜33K；氯仿和溴仿結(jié)合C60117K；,4.摻雜了鉀和銣的菲：5K,3.氧化聚丙烯：300K700K；,.,3-3超導(dǎo)體的兩個(gè)基本電磁特性,電流在超導(dǎo)體中一旦形成，便能經(jīng)久不衰的持續(xù)下去，而無需電場的作用。,電阻,溫度,：起始轉(zhuǎn)變溫度,：中點(diǎn)溫度,：零電阻溫度,零電阻效應(yīng),.,2.完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）,當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，若周圍存在著磁場H，在超導(dǎo)體表面會感生出屏蔽電流，從而產(chǎn)生一個(gè)恰好能抵消外磁場的附加磁場，使外磁場完全不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，這種完全抗磁性又稱邁斯納效應(yīng)。,H,邁斯納效應(yīng)和零電阻現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)上判定一個(gè)材料是否為超導(dǎo)體的兩大要素。,B=0,超導(dǎo)體的定義：具有在一定的低溫下呈現(xiàn)出電阻等于零及排斥磁力線性質(zhì)的材料。,.,2.1穿透深度,B0,穿透深度約為10-510-6cm。,在外磁場中的超導(dǎo)體，從體外到超導(dǎo)體內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不會突然降為零，而是逐漸減小為零：,磁場強(qiáng)度降為B0/e處距離超導(dǎo)體表面距離，稱為穿透深度，通常用表示；,在X區(qū)間：認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度衰減到零；在0X區(qū)域，磁力線不能穿過，因此電流不能由超導(dǎo)體內(nèi)通過，只能在表面穿透深度的范圍內(nèi)流動(dòng)；,對于塊材：穿透深度遠(yuǎn)小于樣品的尺寸，可以忽略磁通的穿透，看成是完全抗磁性的；,穿透深度又定義為：超導(dǎo)體中電流流動(dòng)的表面層厚度。,對于粉末或者薄膜：磁通量的穿透變得非常重要，樣品內(nèi)有明顯的磁通密度分布，需要單獨(dú)進(jìn)行研究。,.,1）穿透深度緊密的依賴于溫度的變化：,Sn的穿透深度隨溫度的變化,影響穿透深度的因素,溫度遠(yuǎn)低于Tc：幾乎與溫度無關(guān)，不同材料具有不用0值；,溫度高于0.8Tc：穿透深度迅速增加；,溫度接近Tc：穿透深度趨于無窮大。,.,穿透深度隨溫度T的變化，常用如下的經(jīng)驗(yàn)公式：,0：材料在絕對零度時(shí)的穿透深度；t：溫度T與臨界溫度Tc的比值，即。,2）穿透深度還與材料的純度及外加磁場有關(guān)：超導(dǎo)體的非局域理論。,.,磁懸浮,2.2邁斯納效應(yīng)的應(yīng)用,省能源、低噪音、高時(shí)速；,1999年，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車時(shí)速已達(dá)552公里，創(chuàng)世界鐵路時(shí)速最高記錄。,.,1.臨界溫度Tc,3-4超導(dǎo)的三個(gè)臨界條件,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，超導(dǎo)體最重要的參數(shù)之一，提高Tc是超導(dǎo)研究最主要的目標(biāo)；常用的超導(dǎo)體Tc的測量方法：1）測量電阻（R）隨溫度（T）的變化：R-T曲線；2）測量磁化率（x）隨溫度（T）的變化：x-T曲線；,加壓可以提高超導(dǎo)體的臨界溫度：HgBaCaCuO的Tc為135K，加壓后變?yōu)?63K。,零電阻效應(yīng),邁斯納效應(yīng),.,2.臨界磁場強(qiáng)度Hc,在小于Tc的一定溫度下，外加磁場強(qiáng)度大于某一特定值Hc時(shí)，超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Hc被稱為臨界磁場強(qiáng)度。,臨界磁場是溫度的函數(shù)，記為Hc（T）；,不同的超導(dǎo)體，它們的Hc（T）曲線盡管有差異，但都非常相似：T=0K：Hc最大；T=Tc：Hc=0;0TTc：Hc（T）隨溫度升高而減小。,.,Hc(0)：0K時(shí)的臨界磁場，超導(dǎo)體任何溫度下的臨界磁場可以由Hc(0)和Tc確定。,Hc（T）曲線都可以近似的表示為：,（1特斯拉=104奧斯特),.,超導(dǎo)體的相圖,臨界溫度Tc和臨界磁場Hc是超導(dǎo)體的本征參數(shù)，只跟材料的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。,超導(dǎo)態(tài),正常態(tài),.,超導(dǎo)體分為兩類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；,第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）：只有一個(gè)臨界磁場Hc，除鈮、釩、锝以外的元素超導(dǎo)體，主要用于固體物理和超導(dǎo)理論研究。,第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體）：存在兩個(gè)臨界磁場，下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2，鈮、釩、锝及合金、化合物和高溫超導(dǎo)體，具有實(shí)用價(jià)值。,HHc1：第二類超導(dǎo)體也表現(xiàn)出完全抗磁性；,.,Hc1HHc2：,隨著外磁場的增加，圓柱形正常區(qū)的面積并不擴(kuò)大，只是數(shù)目增加，即貫穿的磁力線數(shù)增加。,處于混合態(tài)的第二類超導(dǎo)體仍具有抗磁性（不完全），電阻仍為零；,進(jìn)入超導(dǎo)體的磁力線數(shù)增多到使圓柱形區(qū)域彼此接觸，超導(dǎo)區(qū)消失，材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。,.,Hc1下臨界磁場：超導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)第一根磁通線時(shí)的外加磁場的大??；,Hc2上臨界磁場：超導(dǎo)體完全變?yōu)檎B(tài)時(shí)的外加磁場的大小。,第二類超導(dǎo)體相圖,.,3.臨界電流密度Jc,處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體，通過其中的電流超過一定值Ic時(shí)，超導(dǎo)態(tài)將被破壞，變成具有電阻的正常導(dǎo)體，這一定值Ic就稱為超導(dǎo)體的臨界電流。,西耳斯比定則：在無外加磁場時(shí)，臨界電流Ic在超導(dǎo)體表面產(chǎn)生的磁場恰好等于臨界磁場Hc；,臨界電流密度Jc=臨界電流Ic/超導(dǎo)體流通截面積。,第二類超導(dǎo)體不遵守西耳斯比定則。,.,第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。,1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力,.,第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。,Current,1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力,.,第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運(yùn)動(dòng)，使樣品變成有阻的正常態(tài)。,Current,1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力,.,2）第二類超導(dǎo)體中的釘扎作用,釘扎作用可以有效的提高臨界電流密度Jc，在第二類超導(dǎo)體中產(chǎn)生晶格缺陷或摻入雜質(zhì)：,內(nèi)部存在缺陷的第二類超導(dǎo)體，稱為非理想的第二類超導(dǎo)體；在非理想的第二類超導(dǎo)體中，晶格缺陷或雜質(zhì)會阻礙磁力線運(yùn)動(dòng)的作用，稱為釘扎作用。,用各種粒子（中子或各種離子）輻照高溫超導(dǎo)體后，其Jc可提高兩個(gè)數(shù)量級；,工業(yè)生產(chǎn)的NbTi線，臨界電流密度210-410-5A/cm2，一根沒有缺陷的NbTi線，臨界電流密度幾乎為零。,.,臨界電流常用測量方法：,臨界電流是溫度和磁場的函數(shù)，談到材料的臨界電流時(shí)，必須指明磁場和溫度；對于第二類超導(dǎo)體，臨界電流與材料的顯微結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。,1）增加通過超導(dǎo)體的電流，測量樣品的電阻，電阻從零突變?yōu)橛邢拗禃r(shí)的電流即為臨界電流。,2）增加通過超導(dǎo)體的電流，測量每厘米樣品長度上的電壓，當(dāng)電壓為1V時(shí)的電流即為臨界電流。,.,超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù),臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度之間相互關(guān)聯(lián)；只有當(dāng)溫度、磁場和電流都小于臨界值時(shí)，才能出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象；,實(shí)用超導(dǎo)材料，要求這三個(gè)參數(shù)越高越好。,.,3-5超導(dǎo)體的BCS理論,1957年，美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施瑞弗提出了超導(dǎo)的微觀理論：BCS理論；三人獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,.,1）超導(dǎo)相變前后晶體結(jié)構(gòu)不變-超導(dǎo)相變是電子態(tài)相變,超導(dǎo)相變不影響晶格點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)，超導(dǎo)體發(fā)生正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)相變前后，晶格結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。,1.建立BCS理論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),Tl2Ba2Ca2Cu3O10在150K、13K的中子粉末衍射譜，Tc約為125K。,但這并不表示超導(dǎo)相變與晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和振動(dòng)無關(guān)!,.,2）電子比熱躍遷超導(dǎo)態(tài)存在能隙,超導(dǎo)電子比熱的指數(shù)規(guī)律與存在能隙的單電子體系比熱很類似，揭示超導(dǎo)態(tài)存在能隙，稱為超導(dǎo)能隙，記作。,存在能隙的單電子體系：,正常態(tài)電子：,超導(dǎo)態(tài)電子：,T=Tc時(shí)，電子比熱發(fā)生陡變,一個(gè)電子從正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，能量降低了，體系能量下降，,說明電子之間存在相互吸引作用。,.,Hg等超導(dǎo)體的同位素的臨界溫度Tc與同位素質(zhì)量M之間滿足：,3）同位素效應(yīng),同位素效應(yīng)表明，晶格振動(dòng)對超導(dǎo)態(tài)電子的行為有重要影響，電子聲子相互作用起決定性作用。,M-1/2,：同位素效應(yīng)系數(shù)。,同一種超導(dǎo)元素的各種同位素的臨界溫度與同位素的原子質(zhì)量有關(guān)；,.,2.電子對的形成,電子-聲子相互作用把兩個(gè)電子耦合在一起形成電子對，這種耦合就像兩個(gè)電子之間相互吸引一樣，電子-聲子相互作用越強(qiáng)，電子對間的吸引力就越大；,通過電子聲子相互作用形成電子對,Cooper首先證明費(fèi)米面附近的電子通過電-聲相互作用結(jié)合成電子對，因此超導(dǎo)體中電子對也稱Cooper對。,.,關(guān)于Cooper電子對的說明：,1）（p，-p）電子對：配對的電子自旋相反，且具有大小相等，方向相反的動(dòng)量。,Cooper對,2）相干長度兩個(gè)電子不會在相距過遠(yuǎn)的地方發(fā)生配對，這個(gè)距離的極限稱為相干長度；,純金屬的相干長度為1m的數(shù)量級；如在金屬中摻入雜質(zhì)，相干長度變短。,.,幾種物質(zhì)在0K下的超導(dǎo)相干長度,.,3）超導(dǎo)電子對不能互相獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，它們通過動(dòng)量彼此關(guān)聯(lián)，成為有序的集體；因此超導(dǎo)電子對在運(yùn)動(dòng)時(shí)，不像正常電子那樣，會被晶體缺陷和聲子散射而產(chǎn)生電阻，呈現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象。,4）超導(dǎo)電子對的束縛能為2，這是破壞電子對所需的最小能量；溫度越高，被破壞的電子對越多，電子對被完全破壞時(shí)對應(yīng)的溫度即超導(dǎo)臨界溫度。,Schrieffer將電子對的物理圖像和當(dāng)時(shí)流行的舞蹈Frug作了類比，在這種舞蹈中跳舞者在舞池中相互分離，中間隔了許多其它人，但是他們始終是一對。,.,3.BCS理論,超導(dǎo)電性源于固體中電子的配對；,電子配對的相互作用源于電子和晶格振動(dòng)間的相互作用；,配對發(fā)生在自選相反，總動(dòng)量為零的兩個(gè)電子之間。,BCS理論預(yù)言，超導(dǎo)臨界溫度的極限是30K；BCS理論不適用于高溫超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；,隨著超導(dǎo)電性研究的深入和超導(dǎo)材料的發(fā)展，BCS理論表現(xiàn)出越來越多的不足。,.,3-6約瑟夫遜效應(yīng),1.單電子的量子隧道效應(yīng)：,由于微觀粒子具有粒子和波動(dòng)二象性，即使粒子的動(dòng)能小于勢壘高度V0，仍然有一定的機(jī)會貫穿勢壘到達(dá)另一側(cè)。,.,約瑟夫遜,2.電子對的隧道效應(yīng),當(dāng)兩塊超導(dǎo)體夾著一層很?。?3nm）的絕緣層時(shí)，超導(dǎo)電子對可以穿過中間的絕緣層，出現(xiàn)電子對隧道效應(yīng)，稱為約瑟夫遜效應(yīng)。,？,.,約瑟夫遜（SIS）結(jié),I,IIc：SIS結(jié)超導(dǎo)態(tài)被破壞，結(jié)上出現(xiàn)有限的電壓。,.,4.約瑟夫遜效應(yīng)的應(yīng)用,最理想的約瑟夫遜結(jié)是SIS結(jié)，由于高溫超導(dǎo)體的相干長度太短，要求中間絕緣層的厚度不能超過2nm，在制備技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，因此到目前為止，世界上還沒有做出SIS結(jié)；,SIS結(jié),如果把中間的絕緣層換成金屬（N）做成SNS結(jié)，電子對更容易隧穿，金屬層可以做到幾十到幾百納米，現(xiàn)在實(shí)用的是SNS結(jié)。,SNS結(jié),.,弱磁探測,心臟磁圖的測量,超導(dǎo)磁力儀,約瑟夫遜結(jié)可做成超導(dǎo)量子干涉器（SQUID），用于探測微弱磁場，靈敏度達(dá)10-11高斯，可測地球磁場的十億分之一：,軍事：可以發(fā)現(xiàn)深水潛艇；,勘探：可找到有價(jià)值的礦床和弱磁性礦；,醫(yī)學(xué)：人體心磁(10-510-6G)，腦磁（10-810-9G）等等都可以探測。,.,超導(dǎo)芯片,超導(dǎo)計(jì)算機(jī),用一磁場可使約瑟夫遜結(jié)從零壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎籂顟B(tài)，約瑟夫遜結(jié)的這一特性便可作成計(jì)算機(jī)的開關(guān)元件，開關(guān)速度達(dá)10-12秒，比半導(dǎo)體的開關(guān)速度快100倍，而能耗比半導(dǎo)體元件約小1000倍，為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了途徑。,.,3-7高溫超導(dǎo)材料,高溫超導(dǎo)體（High-temperaturesuperconductor-HTS）：asuperconductorwithaTchigherthanthehighestvalueexpectedfromconventionalBCStheorybasedonphonon-mediatedparing.,.,1.高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu),銅氧化物超導(dǎo)體具有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：,晶體缺陷濃度很高。,.,2.高溫超導(dǎo)材料的特殊性質(zhì),載流子濃度較低，約1021/cm3；普通超導(dǎo)體約為1022/cm3；,相干長度特別短，約為10-7cm；普通超導(dǎo)體的相干長度約為10-4cm；,弱同位素效應(yīng)，說明電-聲相互作用不再是主要作用。,高溫超導(dǎo)體除具有零電阻效應(yīng)、邁斯納效應(yīng)、約瑟夫遜效應(yīng)外，還呈現(xiàn)出一些特殊性質(zhì)：,.,3.高溫超導(dǎo)的機(jī)理研究,Anderson：非聲子效應(yīng)的RVB模型激子機(jī)制電子負(fù)中心模型雙極化子模型,高溫超導(dǎo)現(xiàn)象仍是凝聚態(tài)物理中的一大未解