高溫超導(dǎo)材料的研究及應(yīng)用進(jìn)展

1、高溫超導(dǎo)材料的研究 與應(yīng)用進(jìn)展報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容1.1 超導(dǎo)的發(fā)展超導(dǎo)的發(fā)展 卡末林昂尼斯 Kamerlingh Onnes正常導(dǎo)體的電阻率：正常導(dǎo)體的電阻率： 超導(dǎo)：超導(dǎo)：低溫下的奇跡低溫下的奇跡 ) t1 (0 19111911年荷蘭物理學(xué)家昂尼年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)，用液氮將汞冷卻到斯發(fā)現(xiàn)，用液氮將汞冷卻到4.2K時(shí)，其電阻率時(shí)，其電阻率00，這種，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為“超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象”。 1.1.1 超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)v 在發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)性后，昂在發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)性后，昂尼斯又對(duì)多種金屬、合金、尼斯又對(duì)多種金屬、合金、化合物材料進(jìn)行低溫下的化合物材料進(jìn)行低溫下的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們中的許多實(shí)驗(yàn)

2、，發(fā)現(xiàn)它們中的許多都具有在低溫下電阻消失、都具有在低溫下電阻消失、感應(yīng)電流長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象。感應(yīng)電流長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象。由于在通常條件下導(dǎo)體都由于在通常條件下導(dǎo)體都有電阻，昂尼斯就稱有電阻，昂尼斯就稱這種這種低溫下失去電阻的現(xiàn)象為低溫下失去電阻的現(xiàn)象為超導(dǎo)超導(dǎo)。昂尼斯也因此榮獲。昂尼斯也因此榮獲19131913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 21 MTC超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備階段準(zhǔn)備階段 1962年英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫森發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性又一宏觀效應(yīng)即超導(dǎo)隧道效應(yīng)1973年發(fā)現(xiàn)鈮三鍺（Nb3Ge）的TC為23.2k，該記錄保持了十幾年直至高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)。第二階段第二階段19581985第一階段

3、第一階段1986年至今年至今德籍英國(guó)物理學(xué)家倫敦兄弟二人根據(jù)二流體模型建立，它反映了超導(dǎo)零電阻性質(zhì)、超導(dǎo)電流和磁場(chǎng)的關(guān)系。倫敦方程和麥克斯韋方程解釋了邁斯納效應(yīng)第一階段第一階段19111957超導(dǎo)微觀理論階段超導(dǎo)微觀理論階段 1933年邁斯納和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性-邁斯納效應(yīng)1935年超導(dǎo)電動(dòng)力學(xué)方程即倫敦方程建立1950年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)同位素效應(yīng)，即1955年BCS超導(dǎo)理論高溫超導(dǎo)豐產(chǎn)期高溫超導(dǎo)豐產(chǎn)期1986年制備出年制備出Tc高于高于30K的超導(dǎo)材料（的超導(dǎo)材料（La-Ba-Cu-O）一系列含銅氧化物超導(dǎo)一系列含銅氧化物超導(dǎo)體的體的Tc突破突破77K1993年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)Hg-Ba-C

4、a-Cu-O的的Tc=134K2001年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)MgB2，是，是最具實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)之一最具實(shí)用價(jià)值的超導(dǎo)之一鐵基高溫超導(dǎo)等的發(fā)現(xiàn)鐵基高溫超導(dǎo)等的發(fā)現(xiàn)第三階段第三階段1986年至今年至今1.1.2 超導(dǎo)的發(fā)展史超導(dǎo)的發(fā)展史1.1.3 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的發(fā)展簡(jiǎn)史超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的發(fā)展簡(jiǎn)史lFe基超導(dǎo)體（高壓）Company Logo1.1.3 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的發(fā)展簡(jiǎn)史超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的發(fā)展簡(jiǎn)史1.2 超導(dǎo)體的基本特性超導(dǎo)體的基本特性零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)1.2.1 零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)u零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象：將超導(dǎo)體冷將超導(dǎo)體冷卻到某一臨界溫度（卻到某一臨界溫度（TC）以）以下時(shí)電阻突然降為

5、零的現(xiàn)象下時(shí)電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。稱為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。常態(tài)常態(tài)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài) ( )T0210TRTRTnmnS 零電阻是超導(dǎo)體的一個(gè)基本特性，零電阻是超導(dǎo)體的一個(gè)基本特性，那么能否將超導(dǎo)體理解為電阻為零的那么能否將超導(dǎo)體理解為電阻為零的理想導(dǎo)體？理想導(dǎo)體？ 直到直到1933年，邁斯納等在超導(dǎo)體年，邁斯納等在超導(dǎo)體上發(fā)現(xiàn)了上發(fā)現(xiàn)了完全抗磁性，完全抗磁性，也稱為也稱為邁斯納邁斯納效應(yīng)。效應(yīng)。人們才意識(shí)到，超導(dǎo)體不能理人們才意識(shí)到，超導(dǎo)體不能理解為電阻為零的理想導(dǎo)體。解為電阻為零的理想導(dǎo)體。1.2.2 完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）EjtBE000HBB理

6、想導(dǎo)體理想導(dǎo)體在穩(wěn)恒情況下，電導(dǎo)率在穩(wěn)恒情況下，電導(dǎo)率 ，由，由 可知可知 E =0.由法拉由法拉第感應(yīng)定律第感應(yīng)定律 可得可得 H=0 R 0加磁場(chǎng)加磁場(chǎng)冷卻冷卻去磁場(chǎng)去磁場(chǎng)去磁場(chǎng)去磁場(chǎng)加磁場(chǎng)加磁場(chǎng)冷卻冷卻B 0 R 0B 0 R=0B 0 R=0H=0 R=0B=0 R=0B=0 R=0在完全理想的導(dǎo)體中不可能有隨時(shí)間變化的在完全理想的導(dǎo)體中不可能有隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，即原有的磁通量不會(huì)消失也不會(huì)增加磁場(chǎng)，即原有的磁通量不會(huì)消失也不會(huì)增加。結(jié)論：理想導(dǎo)體的磁性結(jié)論：理想導(dǎo)體的磁性與加磁場(chǎng)的歷史有關(guān)。與加磁場(chǎng)的歷史有關(guān)。超導(dǎo)體超導(dǎo)體不管加磁場(chǎng)的次序如何，只要超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)不管加磁場(chǎng)

7、的次序如何，只要超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零，這就是超導(dǎo)的邁斯納效應(yīng)。部的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零，這就是超導(dǎo)的邁斯納效應(yīng)。H=0 R 0加磁場(chǎng)加磁場(chǎng)冷卻冷卻去磁場(chǎng)去磁場(chǎng)去磁場(chǎng)去磁場(chǎng)加磁場(chǎng)加磁場(chǎng)冷卻冷卻B 0 R 0H=0 R=0B=0 R=0B=0 R=0結(jié)論：超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總是為零，與加磁場(chǎng)的歷史無(wú)關(guān)結(jié)論：超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總是為零，與加磁場(chǎng)的歷史無(wú)關(guān)。B=0 R=0B=0 R=0 超導(dǎo)的完全抗磁性是因?yàn)橥獯艌?chǎng)的磁化使超導(dǎo)體表面產(chǎn)生超導(dǎo)的完全抗磁性是因?yàn)橥獯艌?chǎng)的磁化使超導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在超導(dǎo)體內(nèi)，感應(yīng)電流在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好和外磁場(chǎng)相抵產(chǎn)生的

8、磁場(chǎng)正好和外磁場(chǎng)相抵消消，導(dǎo)致超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零。，導(dǎo)致超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零。0)(0MHB邁斯納效應(yīng)說(shuō)明超導(dǎo)體是完全抗磁體邁斯納效應(yīng)說(shuō)明超導(dǎo)體是完全抗磁體1HM超導(dǎo)態(tài)的磁化率為超導(dǎo)態(tài)的磁化率為：constTMC1.2.3 同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)1950年，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一種超導(dǎo)元素的各種同位素的年，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一種超導(dǎo)元素的各種同位素的臨臨界溫度和原子質(zhì)量界溫度和原子質(zhì)量有如下關(guān)系：有如下關(guān)系： 由于不同的同位素中電子的分布是相同的，因而同位素效應(yīng)就表明雖然超導(dǎo)電性是由電子運(yùn)動(dòng)引起的，但必須考慮原子核作用。把晶格振動(dòng)（聲子）與電子聯(lián)系起來(lái)，啟發(fā)人們認(rèn)識(shí)到電子 聲子的相互作用是超導(dǎo)電性的根源。稱為稱為同

9、位素效應(yīng)同位素效應(yīng)NoImage多數(shù)情況下多數(shù)情況下21Company Logo1.3 超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)1 臨界溫度（TC）-超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。2 臨界電流密度（JC）-通過(guò)超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。3 臨界磁場(chǎng)（HC）-施加給超導(dǎo)體的磁場(chǎng)必須小于某一臨界磁場(chǎng)才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。 以上三個(gè)參數(shù)彼此關(guān)聯(lián)，其相互關(guān)系如右圖所示。1.4 第第類和類和第第類超導(dǎo)體類超導(dǎo)體v 第類超導(dǎo)體主要包括一些在常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等 ，該類超導(dǎo)體的熔點(diǎn)較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作軟超導(dǎo)體。其特征

10、是由正常態(tài)過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)沒(méi)有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。第類超導(dǎo)體由于其臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，因而沒(méi)有很好的實(shí)用價(jià)值。 第一類超導(dǎo)體第一類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體 除金屬元素釩、锝和鈮外，第II類超導(dǎo)體主要包括金屬化合物及其合金。 第類超導(dǎo)體和第類超導(dǎo)體的區(qū)別區(qū)別主要在于： 第II類超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)有一個(gè)中間態(tài)（混合有一個(gè)中間態(tài)（混合態(tài)）態(tài)）； 第類超導(dǎo)體的混合態(tài)中有磁混合態(tài)中有磁通線存在通線存在，而第類超導(dǎo)體沒(méi)有； 第類超導(dǎo)體比第類超導(dǎo)體有更高的臨界磁場(chǎng)更高的臨界磁場(chǎng)、更大的臨界更大的臨界電流密度和更高的臨界溫度電流密度和更高的臨界溫度。報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容2.1 超導(dǎo)體

11、的自由能超導(dǎo)體的自由能設(shè)超導(dǎo)樣品是均勻磁化的，磁化強(qiáng)度為設(shè)超導(dǎo)樣品是均勻磁化的，磁化強(qiáng)度為M，當(dāng)外參量有很小的變，當(dāng)外參量有很小的變化時(shí)（考慮溫度、壓力和磁場(chǎng)的變化），體系的吉布斯自由能密度化時(shí)（考慮溫度、壓力和磁場(chǎng)的變化），體系的吉布斯自由能密度的增量為：的增量為：當(dāng)當(dāng)M M為負(fù)時(shí)，表示抗磁，物體對(duì)外做功。等溫等壓時(shí)，為負(fù)時(shí)，表示抗磁，物體對(duì)外做功。等溫等壓時(shí)， 即：由于磁場(chǎng)的作用使磁矩為即：由于磁場(chǎng)的作用使磁矩為M M時(shí)，物體的自由能變化為時(shí)，物體的自由能變化為: :MdHVdpSdTdG0 dpdTMdHdGMdHGHG)0()(由于由于HMB4Company Logo4/HM281)0

12、 ,(),(HTgHTgss因?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)的因?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)的B=0B=0，則，則 , ,所以所以一般情況下，正常導(dǎo)體是非磁性的，在外加磁場(chǎng)中磁化強(qiáng)度很小，一般情況下，正常導(dǎo)體是非磁性的，在外加磁場(chǎng)中磁化強(qiáng)度很小，且變化不大。而且變化不大。而H=HH=HC C時(shí)，超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，所以有：時(shí)，超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，所以有：281)0 ,(),()0 ,(),(csCsnCnHTgHTgTgHTg2.2 超導(dǎo)體的熵超導(dǎo)體的熵MdHVdpSdTdG若考慮壓力和磁場(chǎng)不變，即若考慮壓力和磁場(chǎng)不變，即dp=dH=0，則：則：SdTdGPHTGS,)(由由 ，可得：，可得：281CsnHggdTdHHSSCCsn40超

13、導(dǎo)態(tài)的熵總是小于正超導(dǎo)態(tài)的熵總是小于正常態(tài)的熵，也就是說(shuō)超常態(tài)的熵，也就是說(shuō)超導(dǎo)態(tài)具有更高的有序度。導(dǎo)態(tài)具有更高的有序度。0( ,)( ,0)ccncsB dBs T Bs TdT2.3 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的潛熱和比熱變化超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的潛熱和比熱變化潛熱潛熱 一級(jí)相變一級(jí)相變 在磁場(chǎng)中，由正常態(tài)變到超導(dǎo)態(tài)要放熱，為一級(jí)相變?cè)诖艌?chǎng)中，由正常態(tài)變到超導(dǎo)態(tài)要放熱，為一級(jí)相變 在臨界溫度在臨界溫度Tc，Bc0，L=0；在在0 K, , L=0, 相變?yōu)槎?jí)相變！相變?yōu)槎?jí)相變！比熱比熱 二級(jí)相變二級(jí)相變 dTdsTdTdQc比熱比熱 dTdHHSSCCsn4所以所以 222)()()(4dTTdHdTTHdTH

14、TCCCCCnS 由于由于HC與溫度有關(guān)，當(dāng)與溫度有關(guān)，當(dāng)T=TC時(shí)，時(shí)，HC=0，但，但 ，所以，所以 。在零磁場(chǎng)中，當(dāng)。在零磁場(chǎng)中，當(dāng)T=TC時(shí)發(fā)生相變所對(duì)應(yīng)的比熱有跳時(shí)發(fā)生相變所對(duì)應(yīng)的比熱有跳躍。躍。 在零磁場(chǎng)下，在在零磁場(chǎng)下，在T=TC(0)時(shí)的相變?yōu)槎?jí)相變。時(shí)的相變?yōu)槎?jí)相變。0)(dTTdHC0nSCC報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容3.1 二流體模型二流體模型 前面我們介紹了超導(dǎo)態(tài)的零電阻現(xiàn)象，熵和比熱的變化前面我們介紹了超導(dǎo)態(tài)的零電阻現(xiàn)象，熵和比熱的變化特征。我們知道，磁場(chǎng)、溫度等可以破壞超導(dǎo)電性。因此，特征。我們知道，磁場(chǎng)、溫度等可以破壞超導(dǎo)電性。因此，超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)能量低的凝聚狀態(tài)超導(dǎo)態(tài)是

15、一個(gè)能量低的凝聚狀態(tài)有序化狀態(tài)。如何理解有序化狀態(tài)。如何理解超導(dǎo)態(tài)下電子的熵和比熱變化？這里我們用二流體模型來(lái)考超導(dǎo)態(tài)下電子的熵和比熱變化？這里我們用二流體模型來(lái)考慮上述問(wèn)題。慮上述問(wèn)題。 NSnnn)(1CSTTnnNSnn由由Gorter和和Casimir提出的二流體模型如下：提出的二流體模型如下： 超導(dǎo)體內(nèi)存在兩種電子超導(dǎo)體內(nèi)存在兩種電子正常電子正常電子，密度，密度nN，受晶格振動(dòng)等散射，有阻，受晶格振動(dòng)等散射，有阻超導(dǎo)電子超導(dǎo)電子, 密度密度nS，不受晶格振動(dòng)等散射，無(wú)阻，不受晶格振動(dòng)等散射，無(wú)阻 正常電子濃度和超導(dǎo)電子濃度皆是溫度的函數(shù)正常電子濃度和超導(dǎo)電子濃度皆是溫度的函數(shù), ,

16、溫度大于溫度大于TC時(shí)，所有電子時(shí)，所有電子 都是正常電子都是正常電子 超導(dǎo)電子是電子的一種有序狀態(tài)，其有序度可用下式表示：超導(dǎo)電子是電子的一種有序狀態(tài)，其有序度可用下式表示：正常電子受到晶格的散射，對(duì)熵有貢獻(xiàn)正常電子受到晶格的散射，對(duì)熵有貢獻(xiàn)超導(dǎo)電子處在一種低能量的有序狀態(tài)，電子不受晶格散射，又因?yàn)槭浅瑢?dǎo)電子處在一種低能量的有序狀態(tài)，電子不受晶格散射，又因?yàn)槭亲畹湍芰康挠行驙顟B(tài)，對(duì)熵沒(méi)有貢獻(xiàn)，即它們的熵等于零。最低能量的有序狀態(tài)，對(duì)熵沒(méi)有貢獻(xiàn)，即它們的熵等于零。超導(dǎo)態(tài)是某個(gè)有序化狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)表明轉(zhuǎn)入超導(dǎo)前后材料的結(jié)構(gòu)不變，超導(dǎo)態(tài)是某個(gè)有序化狀態(tài)，而實(shí)驗(yàn)表明轉(zhuǎn)入超導(dǎo)前后材料的結(jié)構(gòu)不變，因此，有

17、序化是發(fā)生在電子上的。因此，有序化是發(fā)生在電子上的。對(duì)于超導(dǎo)的電子，對(duì)熵沒(méi)有貢獻(xiàn)，因而其對(duì)比熱對(duì)于超導(dǎo)的電子，對(duì)熵沒(méi)有貢獻(xiàn)，因而其對(duì)比熱(C=TdS/dT) )也沒(méi)有也沒(méi)有貢獻(xiàn)貢獻(xiàn), ,而是來(lái)自如下兩個(gè)部分：而是來(lái)自如下兩個(gè)部分：1)1)正常電子的貢獻(xiàn)正常電子的貢獻(xiàn)2 2)超導(dǎo)電子吸收熱量轉(zhuǎn)化成正常的電子這一過(guò)程對(duì)比熱有貢獻(xiàn)。超導(dǎo)電子吸收熱量轉(zhuǎn)化成正常的電子這一過(guò)程對(duì)比熱有貢獻(xiàn)。超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電性超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電性是如何產(chǎn)生的呢？是如何產(chǎn)生的呢？ 在常溫下，金屬原子失去外層電子，自由電子無(wú)序地充滿在正離子周圍。在電壓作用下，自由電子的定向運(yùn)動(dòng)就形成電流。 對(duì)于不完整晶體，晶體中的雜質(zhì)、缺陷、晶

18、面等結(jié)構(gòu)上的不完整性以及晶體原子因熱振動(dòng)而偏離平衡位置都會(huì)導(dǎo)致電子偏離周期性勢(shì)場(chǎng)。這種偏離使電子波受到散射，這就是經(jīng)典理論中電阻的來(lái)源。常導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)常導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)3.2 BCS理論理論BCSBCS理論理論v 1957年由約翰年由約翰巴丁（巴?。↗.Bardeen）、里昂）、里昂庫(kù)珀庫(kù)珀（L.N.Cooper）和羅伯特）和羅伯特施里弗（施里弗（J.R.Schrieffer）提出）提出BCSBCS理論理論庫(kù)珀電子對(duì)庫(kù)珀電子對(duì) ：電子動(dòng)量相等、自旋方向相反電子動(dòng)量相等、自旋方向相反 在超導(dǎo)體內(nèi)部，由于電子和點(diǎn)陣之間的相互作用，在超導(dǎo)體內(nèi)部，由于電子和點(diǎn)陣之間的相互作用，在電子與電子之間產(chǎn)生

19、了吸引力，這種吸引力使傳導(dǎo)在電子與電子之間產(chǎn)生了吸引力，這種吸引力使傳導(dǎo)電子兩兩結(jié)成電子對(duì)，稱為電子兩兩結(jié)成電子對(duì)，稱為庫(kù)珀電子對(duì)庫(kù)珀電子對(duì)。 庫(kù)珀電子對(duì)的能量低于兩個(gè)正常電子的能量之和，因而超庫(kù)珀電子對(duì)的能量低于兩個(gè)正常電子的能量之和，因而超導(dǎo)態(tài)的能量低于正常態(tài)。在導(dǎo)態(tài)的能量低于正常態(tài)。在絕對(duì)零度絕對(duì)零度時(shí)，全部電子都結(jié)成庫(kù)珀時(shí)，全部電子都結(jié)成庫(kù)珀電子對(duì)，按照量子力學(xué)的電子對(duì)，按照量子力學(xué)的物質(zhì)波物質(zhì)波概念，由于庫(kù)珀對(duì)的動(dòng)量很小，概念，由于庫(kù)珀對(duì)的動(dòng)量很小，所以它的所以它的波長(zhǎng)很長(zhǎng)波長(zhǎng)很長(zhǎng)，不會(huì)受到晶格缺陷和雜質(zhì)的散射，從而可，不會(huì)受到晶格缺陷和雜質(zhì)的散射，從而可以無(wú)阻礙地流動(dòng)。以無(wú)阻礙地流

20、動(dòng)。溫度降低 電子不再單獨(dú)運(yùn)動(dòng) 結(jié)合成“電子對(duì)”電子對(duì)按一定方向暢通無(wú)阻地流動(dòng)晶格的振動(dòng)電子對(duì)結(jié)合愈牢固不同電子對(duì)之間作用力愈弱溫度愈低Company Logo電子電子聲子如何相互作用？聲子如何相互作用？庫(kù)珀對(duì)的形成庫(kù)珀對(duì)的形成 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電子通過(guò)晶格時(shí)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電子通過(guò)晶格時(shí)，電子與離子點(diǎn)陣之間的庫(kù)侖作用電子與離子點(diǎn)陣之間的庫(kù)侖作用使使晶格畸變晶格畸變，畸變場(chǎng)使第二個(gè)電，畸變場(chǎng)使第二個(gè)電子受到吸引。從結(jié)果看來(lái)是第一子受到吸引。從結(jié)果看來(lái)是第一個(gè)電子個(gè)電子吸引吸引第二個(gè)電子。第二個(gè)電子。兩個(gè)電子通過(guò)聲子的傳遞發(fā)生間兩個(gè)電子通過(guò)聲子的傳遞發(fā)生間接相互作用，接相互作用，動(dòng)量守恒動(dòng)量守恒： 初態(tài)和終態(tài)

21、能量守恒，而在交換聲子的過(guò)程中能量不守恒，因?yàn)槌鯌B(tài)和終態(tài)能量守恒，而在交換聲子的過(guò)程中能量不守恒，因?yàn)楦鶕?jù)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，中間態(tài)的壽命很短，它的能量的不確定性就很大，根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，中間態(tài)的壽命很短，它的能量的不確定性就很大，這個(gè)過(guò)程叫做虛過(guò)程，交換的聲子稱為這個(gè)過(guò)程叫做虛過(guò)程，交換的聲子稱為虛聲子虛聲子。 借助借助二級(jí)微擾理論二級(jí)微擾理論對(duì)電子間通過(guò)交換虛聲子而產(chǎn)生相互作用進(jìn)行對(duì)電子間通過(guò)交換虛聲子而產(chǎn)生相互作用進(jìn)行計(jì)算，理論證明，在某種條件下計(jì)算，理論證明，在某種條件下電子是可以互相吸引電子是可以互相吸引的。的。1k2k)exp(2)(2VEgDFE考慮費(fèi)米面上的兩個(gè)電子，波矢分別為考慮費(fèi)米面

22、上的兩個(gè)電子，波矢分別為 和和電子間相互作用電子間相互作用庫(kù)倫排斥作用庫(kù)倫排斥作用由于交換虛聲子而誘導(dǎo)的吸引作用由于交換虛聲子而誘導(dǎo)的吸引作用當(dāng)因交換虛聲子而誘導(dǎo)的吸引作用超過(guò)庫(kù)侖排當(dāng)因交換虛聲子而誘導(dǎo)的吸引作用超過(guò)庫(kù)侖排斥作用，兩電子間表現(xiàn)出斥作用，兩電子間表現(xiàn)出凈的吸引作用凈的吸引作用凈吸引作用使得兩個(gè)電子結(jié)合成一個(gè)復(fù)合體，其能量比兩個(gè)獨(dú)立的自凈吸引作用使得兩個(gè)電子結(jié)合成一個(gè)復(fù)合體，其能量比兩個(gè)獨(dú)立的自由電子能量由電子能量 低，這個(gè)復(fù)合體束縛態(tài)就是庫(kù)珀對(duì)，其結(jié)合能為：低，這個(gè)復(fù)合體束縛態(tài)就是庫(kù)珀對(duì)，其結(jié)合能為：FE2D:平均聲子能量平均聲子能量g(EF):費(fèi)米面附近的態(tài)密度費(fèi)米面附近的態(tài)密

23、度V:電電聲耦合強(qiáng)弱系數(shù)聲耦合強(qiáng)弱系數(shù)何種電子可以形成庫(kù)珀對(duì)？何種電子可以形成庫(kù)珀對(duì)？?jī)蓚€(gè)電子的初波矢為：兩個(gè)電子的初波矢為： 和和 因結(jié)合虛聲子分別散射到因結(jié)合虛聲子分別散射到 和和 散射過(guò)程中動(dòng)量守恒：散射過(guò)程中動(dòng)量守恒：由于散射過(guò)程中電子能量的改變只在費(fèi)米球外由于散射過(guò)程中電子能量的改變只在費(fèi)米球外 范圍內(nèi)，因而散范圍內(nèi)，因而散射前后的波矢應(yīng)落在半徑為射前后的波矢應(yīng)落在半徑為KF之外厚度為之外厚度為 的球殼內(nèi)。的球殼內(nèi)。2k1k1k2kDkDFDkmk很明顯，滿足動(dòng)量守恒的電子只能是圖很明顯，滿足動(dòng)量守恒的電子只能是圖中陰影區(qū)繞中陰影區(qū)繞K為軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)而成的小圓環(huán)為軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)而成的小圓環(huán)體積

24、中的電子體積中的電子Company Logo何種電子可以形成庫(kù)珀對(duì)？何種電子可以形成庫(kù)珀對(duì)？當(dāng)兩個(gè)當(dāng)兩個(gè)費(fèi)米球殼重合費(fèi)米球殼重合，球殼內(nèi)所有電，球殼內(nèi)所有電子都參與聲子交換的散射，體系能量子都參與聲子交換的散射，體系能量最低。兩電子波矢大小相等方向相反，最低。兩電子波矢大小相等方向相反，是庫(kù)珀對(duì)的最佳狀態(tài)。是庫(kù)珀對(duì)的最佳狀態(tài)。如何基于庫(kù)珀對(duì)的概念描述超導(dǎo)電性？如何基于庫(kù)珀對(duì)的概念描述超導(dǎo)電性？v 當(dāng)超導(dǎo)體為非載流狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是庫(kù)柏對(duì)還是正常態(tài)電子當(dāng)超導(dǎo)體為非載流狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是庫(kù)柏對(duì)還是正常態(tài)電子在動(dòng)量空間分布是均勻的，沒(méi)有擇優(yōu)方向，所以無(wú)電流存在動(dòng)量空間分布是均勻的，沒(méi)有擇優(yōu)方向，所以無(wú)電流存

25、在；在；v 在載流情況下，庫(kù)柏對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量不為零，所有庫(kù)柏對(duì)都在載流情況下，庫(kù)柏對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量不為零，所有庫(kù)柏對(duì)都獲得了一個(gè)大小相等的質(zhì)心動(dòng)量；獲得了一個(gè)大小相等的質(zhì)心動(dòng)量；v 聲子對(duì)對(duì)庫(kù)柏對(duì)中電子的散射只是將一個(gè)庫(kù)柏對(duì)變成了另聲子對(duì)對(duì)庫(kù)柏對(duì)中電子的散射只是將一個(gè)庫(kù)柏對(duì)變成了另一個(gè)庫(kù)柏對(duì)，并改變庫(kù)柏對(duì)的整體動(dòng)量，所以載流庫(kù)柏對(duì)一個(gè)庫(kù)柏對(duì)，并改變庫(kù)柏對(duì)的整體動(dòng)量，所以載流庫(kù)柏對(duì)所產(chǎn)生的電流是無(wú)電阻的；所產(chǎn)生的電流是無(wú)電阻的；v 拆散一個(gè)庫(kù)柏對(duì)需要一個(gè)最低能量，所以較小的電流密度拆散一個(gè)庫(kù)柏對(duì)需要一個(gè)最低能量，所以較小的電流密度的能量不足以拆散庫(kù)柏對(duì)。的能量不足以拆散庫(kù)柏對(duì)。3.3 約瑟夫森效應(yīng)約瑟

26、夫森效應(yīng)電子能穿透比它動(dòng)能更高的勢(shì)電子能穿透比它動(dòng)能更高的勢(shì)壘，是因?yàn)樗哂胁▌?dòng)的特性，壘，是因?yàn)樗哂胁▌?dòng)的特性，勢(shì)壘穿透的波動(dòng)圖像如圖勢(shì)壘穿透的波動(dòng)圖像如圖電子可以借助于隧道機(jī)理通過(guò)勢(shì)壘電子可以借助于隧道機(jī)理通過(guò)勢(shì)壘層從一邊到另一邊，形成可測(cè)量的層從一邊到另一邊，形成可測(cè)量的電流，這一效應(yīng)稱為電流，這一效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)Company Logo 如果在兩塊Al夾入一層很薄的勢(shì)壘（10-10m），當(dāng)在兩塊Al之間加上電勢(shì)差后，就有電流流過(guò)絕緣層，這就是正常金屬的隧道效應(yīng)。 如果其中的Al進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就稱為約瑟夫森結(jié)約瑟夫森結(jié)。1962年，劍橋大學(xué)的博士后約瑟夫森的計(jì)算表明，當(dāng)絕緣層小于

27、1.5210-9m時(shí)，除了前面所述的正常電子的隧道電流外，還會(huì)出現(xiàn)一種與庫(kù)珀電子對(duì)相聯(lián)系的隧道電流，而且?guī)扃觌娮訉?duì)穿越勢(shì)壘后，仍保持其配對(duì)的形式仍保持其配對(duì)的形式。這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象，稱為約瑟夫遜效應(yīng)。約瑟夫遜效應(yīng)。3.4 約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森效應(yīng)報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容四、高溫超導(dǎo)材料四、高溫超導(dǎo)材料4.1 高溫超導(dǎo)材料基本概念高溫超導(dǎo)材料基本概念v高溫超導(dǎo)材料：高溫超導(dǎo)材料：臨界溫度臨界溫度Tc達(dá)到液氮溫度（達(dá)到液氮溫度（77K ）以上）以上的超導(dǎo)材料。的超導(dǎo)材料。v1987年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，Tc90K，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破了液氦，解決了阻，

28、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破了液氦，解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。v高溫氧化物超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：高溫氧化物超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 具有層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu) 晶格結(jié)構(gòu)中存在Cu-O 層面高溫超導(dǎo)體的導(dǎo)電平面 氧含量和分布對(duì)性能有重要影響B(tài)SCCO/YBCO晶體結(jié)構(gòu)四、高溫超導(dǎo)材料四、高溫超導(dǎo)材料4.2 高溫超導(dǎo)理論高溫超導(dǎo)理論四、高溫超導(dǎo)材料四、高溫超導(dǎo)材料4.2.1 RVB理論理論-共振價(jià)鍵理論共振價(jià)鍵理論 主要考慮到了高溫銅氧化物的幾個(gè)重要特征主要考慮到了高溫銅氧化物的幾個(gè)重要特征:低載低載流子濃度，強(qiáng)交換相互作用，半滿情形的流子濃度，強(qiáng)交換相互作用，半滿情形的Mott絕絕緣體行為

29、緣體行為。 二維二維CuO2面的物理本質(zhì)同一維反鐵磁鏈一樣，費(fèi)面的物理本質(zhì)同一維反鐵磁鏈一樣，費(fèi)米液體圖像不再適用，且低能激發(fā)態(tài)時(shí)自旋自由米液體圖像不再適用，且低能激發(fā)態(tài)時(shí)自旋自由度和電荷自由度分離，分別為帶電荷而無(wú)自旋的度和電荷自由度分離，分別為帶電荷而無(wú)自旋的空穴和帶空穴和帶1/2自旋而不帶電荷的自旋子。自旋而不帶電荷的自旋子。四、高溫超導(dǎo)材料四、高溫超導(dǎo)材料 4.2.2 極化子極化子-雙極化子機(jī)制雙極化子機(jī)制v 極化子極化子-雙極化子模型是雙極化子模型是BCS模型的一種延伸模型的一種延伸,在藕合較弱在藕合較弱時(shí)，與時(shí)，與BCS理論一致；隨藕合的增強(qiáng)，理論一致；隨藕合的增強(qiáng)，Tc增加更快，

30、呈增加更快，呈現(xiàn)一上升曲線?，F(xiàn)一上升曲線。v 兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)兩個(gè)優(yōu)點(diǎn): （1）Tc作為藕合的函數(shù)，它有一作為藕合的函數(shù)，它有一極大峰值極大峰值，可以高達(dá)，可以高達(dá)100 K。這也同實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符，突破了。這也同實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符，突破了BCS關(guān)于關(guān)于Tc 40 K的限制的限制; （2）它可以和銅氧化物相圖中最佳摻雜對(duì)應(yīng)起來(lái)。）它可以和銅氧化物相圖中最佳摻雜對(duì)應(yīng)起來(lái)。 與庫(kù)拍對(duì)比較與庫(kù)拍對(duì)比較, 雙極化子概念似乎更接近實(shí)際情況但從雙極化子概念似乎更接近實(shí)際情況但從物理本質(zhì)來(lái)看物理本質(zhì)來(lái)看, 雙極化子假說(shuō)并沒(méi)有超出雙極化子假說(shuō)并沒(méi)有超出BCS理論的框架理論的框架。四、高溫超導(dǎo)材料四、高溫超導(dǎo)材料4.2.3 激子

31、機(jī)制激子機(jī)制 這是針對(duì)這是針對(duì)新超導(dǎo)體的低維結(jié)構(gòu)特征新超導(dǎo)體的低維結(jié)構(gòu)特征而提出的一種理論。而提出的一種理論。 激子模型中認(rèn)為激子模型中認(rèn)為電子對(duì)之間是通過(guò)交換電子型的元激發(fā)電子對(duì)之間是通過(guò)交換電子型的元激發(fā)(玻色子玻色子)來(lái)產(chǎn)生相互吸引作用，從而產(chǎn)生電子對(duì)形成超導(dǎo)來(lái)產(chǎn)生相互吸引作用，從而產(chǎn)生電子對(duì)形成超導(dǎo)。金屬中費(fèi)米面上的電子隧道到半導(dǎo)體層的禁帶中，通過(guò)金屬中費(fèi)米面上的電子隧道到半導(dǎo)體層的禁帶中，通過(guò)交換半導(dǎo)體中的激子而產(chǎn)生吸引。交換半導(dǎo)體中的激子而產(chǎn)生吸引。 對(duì)于對(duì)于YBCO類高溫超導(dǎo)體，按這種理論計(jì)算得到的類高溫超導(dǎo)體，按這種理論計(jì)算得到的Tc值值和實(shí)驗(yàn)值較相符。但是這一理論并未完全能得

32、到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)值較相符。但是這一理論并未完全能得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，至今證，至今YBCO的外延膜中沒(méi)有找到激子譜線。的外延膜中沒(méi)有找到激子譜線。四、高溫超導(dǎo)材料四、高溫超導(dǎo)材料4.2.4 等離子體機(jī)制等離子體機(jī)制v 固體可視為以正離子晶格為背景的電子氣固體可視為以正離子晶格為背景的電子氣, 二者在宏觀尺二者在宏觀尺度上保持電中性。如果某處的電子密度發(fā)生起伏度上保持電中性。如果某處的電子密度發(fā)生起伏, 則長(zhǎng)程則長(zhǎng)程庫(kù)侖作用將會(huì)使這種電荷漲落（即局部電中性的破壞）庫(kù)侖作用將會(huì)使這種電荷漲落（即局部電中性的破壞）, 以波的形式傳播出去以波的形式傳播出去, 形成電荷密度波（形成電荷密度波（CDW)。這種電

33、這種電荷振蕩的元激發(fā)量子叫做荷振蕩的元激發(fā)量子叫做“ 等離激元等離激元”（Plasmon）, 是一種類似于聲子的玻色子。是一種類似于聲子的玻色子。v 與電聲子機(jī)制類似與電聲子機(jī)制類似, 兩個(gè)電子可以通過(guò)交換兩個(gè)電子可以通過(guò)交換Plasmon 而而產(chǎn)生引力產(chǎn)生引力, 形成庫(kù)珀對(duì)形成庫(kù)珀對(duì), 并且由于等離子體振蕩頻率高并且由于等離子體振蕩頻率高, 相相應(yīng)的應(yīng)的Tc 也應(yīng)該較高。也應(yīng)該較高。 作為一種全電子機(jī)制作為一種全電子機(jī)制, 該理論也能該理論也能解釋弱同位素效應(yīng)。解釋弱同位素效應(yīng)。v 該機(jī)制的該機(jī)制的局限性局限性是必須假定存在嚴(yán)格二維的等離子體振蕩是必須假定存在嚴(yán)格二維的等離子體振蕩。因?yàn)樵谌?/p>

34、維情況下的。因?yàn)樵谌S情況下的Plasmon 頻譜存在能隙頻譜存在能隙, 相應(yīng)的相應(yīng)的虛交換過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)。虛交換過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)。報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容五、制備方法五、制備方法5.1 制備方法分類制備方法分類五、制備方法五、制備方法5.2 塊材制備方法塊材制備方法5.2.1 粉末熔化工藝（粉末熔化工藝（PMP）制備）制備YBCO塊體塊體 PMP法是由法是由西北有色金屬研究院西北有色金屬研究院發(fā)明的一種熔化生長(zhǎng)工發(fā)明的一種熔化生長(zhǎng)工藝。藝。 采用采用Y2BaCuO5（簡(jiǎn)稱（簡(jiǎn)稱211）、）、BaCuO2（011）和）和CuO（ 0 0 1 ） 三 種 粉 末 作 為 先 驅(qū) 物 ， 按 定 義 組 分）

35、三 種 粉 末 作 為 先 驅(qū) 物 ， 按 定 義 組 分Y:Ba:Cu=1:2:3比例充分比例充分混合混合；冷壓成坯料，將坯料快速；冷壓成坯料，將坯料快速加熱加熱至至1030，保溫保溫15min，使，使011粉末粉末熔化熔化，然后通過(guò)，然后通過(guò)一個(gè)較大溫度梯度的溫區(qū)（一個(gè)較大溫度梯度的溫區(qū)（40-70/cm）緩冷緩冷（0.5-8/h），使固相），使固相211粉末與周圍液相直接粉末與周圍液相直接結(jié)晶結(jié)晶成具有取向成具有取向的的123相導(dǎo)體。相導(dǎo)體。五、制備方法五、制備方法5.2.1 粉末熔化工藝（粉末熔化工藝（PMP）制備）制備YBCO塊體塊體 原料原料211相粉末粒度相粉末粒度易于控制易于控

36、制，可與液相充分反應(yīng)，最后，可與液相充分反應(yīng)，最后得到的晶體中不存在得到的晶體中不存在011和和001相；剩余精細(xì)彌散的相；剩余精細(xì)彌散的211相相引入大量位錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán)作為有效磁通釘扎中心，抑制微裂引入大量位錯(cuò)和位錯(cuò)環(huán)作為有效磁通釘扎中心，抑制微裂紋的產(chǎn)生，具有高密度精細(xì)的孿晶帶，消除弱連接，使紋的產(chǎn)生，具有高密度精細(xì)的孿晶帶，消除弱連接，使Jc值大幅提高。值大幅提高。 PMP法制備的法制備的YBCO塊體其塊體其Jc超過(guò)了超過(guò)了104A/cm2（77K，1T）。）。五、制備方法五、制備方法五、制備方法五、制備方法5.2.2 頂部籽晶生長(zhǎng)法（頂部籽晶生長(zhǎng)法（TSMTG）制備大尺寸）制備大尺寸YB

37、CO/REBCO塊材塊材 YBCO塊材用于磁懸浮、超導(dǎo)永磁體或電流導(dǎo)體等領(lǐng)塊材用于磁懸浮、超導(dǎo)永磁體或電流導(dǎo)體等領(lǐng)域，要求盡可能滿足兩個(gè)方面：域，要求盡可能滿足兩個(gè)方面： 塊材為單疇且尺寸盡可能大塊材為單疇且尺寸盡可能大 單疇塊材的單疇塊材的Cu-O面盡可能平行于樣品表面面盡可能平行于樣品表面 目前采用目前采用TSMTG法制備的最大直徑的法制備的最大直徑的YBCO塊材為塊材為100mm（日本（日本Nippon Steel），但技術(shù)上讓難控制），但技術(shù)上讓難控制 為滿足大尺寸及異型材的要求，超導(dǎo)塊體制件的連接為滿足大尺寸及異型材的要求，超導(dǎo)塊體制件的連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生 用高溫超導(dǎo)黏合劑

38、（粉末）黏合兩塊樣品，低溫處理用高溫超導(dǎo)黏合劑（粉末）黏合兩塊樣品，低溫處理黏合；直接將兩塊樣品壓接，高溫下處理完成連接。黏合；直接將兩塊樣品壓接，高溫下處理完成連接。五、制備方法五、制備方法2004年日本采用多籽晶引導(dǎo)方法制備出的100mm的DyBCO塊材西北有色金屬研究院批量制備的YBCO超導(dǎo)塊材（ 30mm ）五、制備方法五、制備方法5.3 線、帶材制備方法線、帶材制備方法將適當(dāng)配比的前驅(qū)體粉填將適當(dāng)配比的前驅(qū)體粉填充到金屬（如銀）充到金屬（如銀）套管內(nèi)，套管內(nèi)，拉拔拉拔至一定尺寸（圓形或至一定尺寸（圓形或六角形線）之后截成多股六角形線）之后截成多股芯線，再次裝入芯線，再次裝入銀套管內(nèi)銀

39、套管內(nèi)拉拔拉拔至直徑在至直徑在12mm左右，左右，然后然后軋制軋制成寬成寬35mm、厚、厚0.200.30mm的線材，經(jīng)的線材，經(jīng)過(guò)過(guò)熱處理熱處理或多次反復(fù)的形或多次反復(fù)的形變熱處理，使晶粒沿一定變熱處理，使晶粒沿一定面擇優(yōu)取向，形成所謂的面擇優(yōu)取向，形成所謂的形變織構(gòu)，得到最終成品形變織構(gòu)，得到最終成品帶材。帶材。五、制備方法五、制備方法5.3.1 粉末套管法（粉末套管法（PIT）制備）制備Bi2223超導(dǎo)帶材超導(dǎo)帶材鉍系線材制備流程西北有色金屬研究院生產(chǎn)的Bi2223帶材（300m，Ic=90A）五、制備方法五、制備方法5.3.1 Bi2223超導(dǎo)帶材性能提升超導(dǎo)帶材性能提升 過(guò)壓合成技術(shù)

40、改善晶粒連結(jié)性、提高帶材載流能力過(guò)壓合成技術(shù)改善晶粒連結(jié)性、提高帶材載流能力 磁光分析表明，磁光分析表明，Bi2223帶材芯部的局部區(qū)域帶材芯部的局部區(qū)域Jc可達(dá)可達(dá)30*104A/cm2（77K）。）。 美國(guó)超導(dǎo)公司和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及威斯康星大學(xué)聯(lián)美國(guó)超導(dǎo)公司和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及威斯康星大學(xué)聯(lián)合研發(fā)過(guò)壓熱處理技術(shù)，該技術(shù)采用特制的流通氣氛高合研發(fā)過(guò)壓熱處理技術(shù)，該技術(shù)采用特制的流通氣氛高壓熱處理爐，在保持帶材熱處理氣氛（氧分壓）恒定的壓熱處理爐，在保持帶材熱處理氣氛（氧分壓）恒定的情況下，帶材熱處理受壓可達(dá)情況下，帶材熱處理受壓可達(dá)520MPa；過(guò)壓處理后的；過(guò)壓處理后的帶材相對(duì)密度可

41、達(dá)帶材相對(duì)密度可達(dá)9599%。 過(guò)壓熱處理大幅度降低殘余二相粒子含量，提高晶粒連過(guò)壓熱處理大幅度降低殘余二相粒子含量，提高晶粒連續(xù)性，臨界電流可提高3050%，在77K下，自場(chǎng)情況下Ic達(dá)到182A，Jc達(dá)69.6kA/cm2。Bi2223帶材中帶材中Jc的分布的分布普通燒結(jié)和過(guò)壓燒結(jié)樣品的SEM照片日本住友電工采用過(guò)壓工藝制備的日本住友電工采用過(guò)壓工藝制備的1600m長(zhǎng)長(zhǎng)的的Bi2223帶材帶材五、制備方法五、制備方法五、制備方法五、制備方法5.3.2 YBCO涂層導(dǎo)體制備涂層導(dǎo)體制備 相比相比Bi2223材料，材料，YBCO材料材料在液氮溫區(qū)具有更高的在液氮溫區(qū)具有更高的Jc及更好的高場(chǎng)性

42、能及更好的高場(chǎng)性能，作為第二代高溫超導(dǎo)帶材更競(jìng)，作為第二代高溫超導(dǎo)帶材更競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 YBCO涂層導(dǎo)體的涂層導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：金屬基帶依次外延雙軸：金屬基帶依次外延雙軸織構(gòu)的氧化物阻隔層（阻止金屬與織構(gòu)的氧化物阻隔層（阻止金屬與YBCO擴(kuò)散）和擴(kuò)散）和YBCO超導(dǎo)層。超導(dǎo)層。五、制備方法五、制備方法YBCO涂層導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)日本NCCC涂層導(dǎo)體研究中心改進(jìn)阻隔層制備方式采用IBAD/PLD技術(shù)制備涂層導(dǎo)體五、制備方法五、制備方法CeO2為YBCO織構(gòu)生長(zhǎng)提供優(yōu)良底板CeO2沉積速度比IBAD快10倍CeO2層面內(nèi)取向顯著提高Ni5W是RABiTS技術(shù)制備雙軸取向基帶的最佳選擇五、制備方

43、法五、制備方法v 日 本 藤 倉(cāng) 公 司 已 在日 本 藤 倉(cāng) 公 司 已 在 P L D - C e O 2 / I B A D -Gd2Zr2O7/Hastelloy基帶上制備出長(zhǎng)度達(dá)基帶上制備出長(zhǎng)度達(dá)105m和和217m涂層導(dǎo)體，載流性能分別為涂層導(dǎo)體，載流性能分別為126A/cm-寬度和寬度和88A/cm-寬度。寬度。v 美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了200WXeCl準(zhǔn)分子準(zhǔn)分子激光器，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出多束激光、沉積多層氧化物的激光器，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出多束激光、沉積多層氧化物的連續(xù)連續(xù)PLD設(shè)備，制備出設(shè)備，制備出212m、 245A/cm-寬度的涂寬

44、度的涂層導(dǎo)體材料。層導(dǎo)體材料。v 目前以真空技術(shù)為基礎(chǔ)的涂層導(dǎo)體制備速度已達(dá)到目前以真空技術(shù)為基礎(chǔ)的涂層導(dǎo)體制備速度已達(dá)到510m/h，但即使達(dá)到或超過(guò)，但即使達(dá)到或超過(guò)10m/h的目標(biāo)，也與的目標(biāo)，也與滿足工程化批量生產(chǎn)的制備速度有一定的差距。滿足工程化批量生產(chǎn)的制備速度有一定的差距。v 非真空的化學(xué)溶液沉積技術(shù)（非真空的化學(xué)溶液沉積技術(shù)（CSD）可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的快）可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的快速、廉價(jià)制備。速、廉價(jià)制備。五、制備方法五、制備方法美 國(guó) 超 導(dǎo) 公 司 與美 國(guó) 超 導(dǎo) 公 司 與Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作在優(yōu)化作在優(yōu)化TFA-MOD方法先驅(qū)物的基礎(chǔ)上，方法先驅(qū)物的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)

45、出全化學(xué)溶液制開(kāi)發(fā)出全化學(xué)溶液制備涂層導(dǎo)體的工藝。備涂層導(dǎo)體的工藝。左圖為在左圖為在CeO2/YSZ/Y2O3阻阻隔層上制備隔層上制備90m長(zhǎng)帶，長(zhǎng)帶，Ic達(dá)達(dá)168A/cm-寬度。寬度。低廉的低廉的MOD法完全法完全可以制備高性能長(zhǎng)帶可以制備高性能長(zhǎng)帶。五、制備方法五、制備方法日本日本ISTEC-SRL開(kāi)發(fā)的連續(xù)開(kāi)發(fā)的連續(xù)MOD-TFA制備制備采用采用MOD技術(shù)，利用輥對(duì)輥的方式制備技術(shù)，利用輥對(duì)輥的方式制備YBCO層，保證了長(zhǎng)度和寬度方向的層，保證了長(zhǎng)度和寬度方向的均勻反應(yīng)。均勻反應(yīng)。在基帶背面用在基帶背面用PLD沉積一層沉積一層Gd2Zr2O7，抵消基帶正面，抵消基帶正面Gd2Zr2O7

46、造成的弓形造成的弓形彎曲，避免涂層的不均勻性；彎曲，避免涂層的不均勻性；通過(guò)模擬爐內(nèi)氣體流動(dòng)和晶粒生長(zhǎng)情況，在通過(guò)模擬爐內(nèi)氣體流動(dòng)和晶粒生長(zhǎng)情況，在YBCO成相處理階段采用高流速氣成相處理階段采用高流速氣體，避免氣相邊界層厚度和晶粒生長(zhǎng)速度的不均勻性。體，避免氣相邊界層厚度和晶粒生長(zhǎng)速度的不均勻性。報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容六、應(yīng)用及前景六、應(yīng)用及前景v 高溫超導(dǎo)材料與技術(shù)作為一個(gè)具有巨大潛在商業(yè)應(yīng)用前景高溫超導(dǎo)材料與技術(shù)作為一個(gè)具有巨大潛在商業(yè)應(yīng)用前景的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，一直是高技術(shù)領(lǐng)域中的主要熱點(diǎn)之一，在的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，一直是高技術(shù)領(lǐng)域中的主要熱點(diǎn)之一，在能源、信息、交通、科學(xué)儀器、醫(yī)療技術(shù)、國(guó)防、重大科能

47、源、信息、交通、科學(xué)儀器、醫(yī)療技術(shù)、國(guó)防、重大科學(xué)工程學(xué)工程等方面有著重要應(yīng)用。等方面有著重要應(yīng)用。v 對(duì)超導(dǎo)材料的實(shí)用化有三個(gè)方面的要求：對(duì)超導(dǎo)材料的實(shí)用化有三個(gè)方面的要求： 第一、超導(dǎo)材料的第一、超導(dǎo)材料的三個(gè)臨界參數(shù)三個(gè)臨界參數(shù)必須達(dá)到應(yīng)用要求的水平；必須達(dá)到應(yīng)用要求的水平； 第二、超導(dǎo)材料必須具有第二、超導(dǎo)材料必須具有滿足工程應(yīng)用的形狀結(jié)構(gòu)、機(jī)械特性和滿足工程應(yīng)用的形狀結(jié)構(gòu)、機(jī)械特性和物理特性物理特性，強(qiáng)電應(yīng)用必須是多芯導(dǎo)線，以抑制磁通跳躍和熱激活，強(qiáng)電應(yīng)用必須是多芯導(dǎo)線，以抑制磁通跳躍和熱激活。超導(dǎo)線材也必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以滿足基于磁體應(yīng)用必。超導(dǎo)線材也必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，

48、以滿足基于磁體應(yīng)用必須達(dá)到的應(yīng)力應(yīng)變特性。同時(shí)，交流場(chǎng)合的應(yīng)用要求降低線材中須達(dá)到的應(yīng)力應(yīng)變特性。同時(shí)，交流場(chǎng)合的應(yīng)用要求降低線材中由于各物理機(jī)制導(dǎo)致的損耗。由于各物理機(jī)制導(dǎo)致的損耗。 第三、超導(dǎo)材料工作在低溫環(huán)境，所以必須考慮超導(dǎo)材料的第三、超導(dǎo)材料工作在低溫環(huán)境，所以必須考慮超導(dǎo)材料的性價(jià)性價(jià)比比。六、應(yīng)用及前景六、應(yīng)用及前景6.1 高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用6.1.1 電子學(xué)強(qiáng)電應(yīng)用電子學(xué)強(qiáng)電應(yīng)用德國(guó)德國(guó)IPT研制的研制的200kJ/160kW高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，擁有兩萬(wàn)千瓦的功率超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，擁有兩萬(wàn)千瓦的功率超導(dǎo)電纜中科院電工研究所研制的中科院電工研究

49、所研制的26kV26kVA/400V/16VA/400V/16V高溫超導(dǎo)變壓器高溫超導(dǎo)變壓器強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域特點(diǎn)對(duì)電力工業(yè)的作用和影響超導(dǎo)限流器集檢測(cè)、觸發(fā)和限流于一身；反應(yīng)速度和恢復(fù)速度快；對(duì)電網(wǎng)無(wú)副作用提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，改善供電可靠性，保護(hù)電氣設(shè)備，降低建設(shè)成本和改造費(fèi)用，增加電網(wǎng)的輸送容量超導(dǎo)電纜功率疏松密度高；損耗小、體積小、重量輕；單位長(zhǎng)度阻抗??；液氮冷卻實(shí)現(xiàn)低壓大電流密度輸電，符合環(huán)保和節(jié)能的發(fā)展要求，減少城市用地，縮短電氣距離超導(dǎo)變壓器單機(jī)極限容量高；損耗小、容積小、重量輕；液氮冷卻減少占地，符合環(huán)保和節(jié)能的發(fā)展要求，快速進(jìn)行功率補(bǔ)償超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)反應(yīng)速度快；轉(zhuǎn)換速率高；可短時(shí)間向電網(wǎng)提

50、供大功率提高大電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，改善電能品質(zhì)，改善供電可靠性超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)單機(jī)極限容量高；損耗小、容積小、重量輕；減少損耗，減少占地超導(dǎo)發(fā)電機(jī)單機(jī)極限容量高；損耗小、容積小、重量輕；同步電抗小減少損耗，減少占地，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性6.1.1 電子學(xué)強(qiáng)電應(yīng)用電子學(xué)強(qiáng)電應(yīng)用6.1.2 電子學(xué)弱電應(yīng)用電子學(xué)弱電應(yīng)用 由超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)制成的由超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)制成的超導(dǎo)量子干涉器超導(dǎo)量子干涉器 (SQUID)磁磁強(qiáng)計(jì)強(qiáng)計(jì)是極其靈敏的磁場(chǎng)探測(cè)儀器，它可以分辨相當(dāng)于是極其靈敏的磁場(chǎng)探測(cè)儀器，它可以分辨相當(dāng)于十億分之一的地磁場(chǎng)變化，廣泛用于科學(xué)研究、生物十億分之一的地磁場(chǎng)變化，廣泛用于科學(xué)研究、生物磁磁(腦磁、心磁腦

51、磁、心磁)、無(wú)損探傷及大地電磁測(cè)量等領(lǐng)域，是、無(wú)損探傷及大地電磁測(cè)量等領(lǐng)域，是高溫超導(dǎo)體最早走向?qū)嵱没念I(lǐng)域之一。高溫超導(dǎo)體最早走向?qū)嵱没念I(lǐng)域之一。 高溫超導(dǎo)材料在微波頻段的表面電阻接近零，用它制高溫超導(dǎo)材料在微波頻段的表面電阻接近零，用它制出的出的濾波器濾波器幾乎達(dá)到理想的濾波性能。移動(dòng)通信領(lǐng)域幾乎達(dá)到理想的濾波性能。移動(dòng)通信領(lǐng)域采用超導(dǎo)濾波系統(tǒng)，具有信號(hào)損失少、基站接收靈敏采用超導(dǎo)濾波系統(tǒng)，具有信號(hào)損失少、基站接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)人體健康危害小等優(yōu)點(diǎn)。度高、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)人體健康危害小等優(yōu)點(diǎn)。 此外還在數(shù)字計(jì)算機(jī)、陀螺儀、紅外探測(cè)器等方面擁此外還在數(shù)字計(jì)算機(jī)、陀螺儀、紅外探測(cè)

52、器等方面擁有廣泛的應(yīng)用。有廣泛的應(yīng)用。我國(guó)研制的高溫超導(dǎo)濾波器我國(guó)研制的高溫超導(dǎo)濾波器在在CDMA移動(dòng)通信基站移動(dòng)通信基站6.1.3 交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸 利用超導(dǎo)技術(shù)可以產(chǎn)生高速列車的磁懸浮。利用超導(dǎo)技術(shù)可以產(chǎn)生高速列車的磁懸浮。磁懸浮列車磁懸浮列車具有低噪具有低噪音、無(wú)污染、安全舒適和高速高效等優(yōu)點(diǎn)。音、無(wú)污染、安全舒適和高速高效等優(yōu)點(diǎn)。2003 年年 1月月 4 日世界日世界首條商業(yè)運(yùn)行磁懸浮專線在上海正式開(kāi)通首條商業(yè)運(yùn)行磁懸浮專線在上海正式開(kāi)通 ，設(shè)計(jì)時(shí)速為，設(shè)計(jì)時(shí)速為 505km, 運(yùn)行時(shí)速可達(dá)運(yùn)行時(shí)速可達(dá) 430km。磁懸浮列車磁懸浮列車6.1.3 交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸-磁懸浮列車磁懸浮列

53、車電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)使鉛碗表面感應(yīng)使鉛碗表面感應(yīng)出了出了持續(xù)電流持續(xù)電流。根據(jù)楞次。根據(jù)楞次定律，電流的磁場(chǎng)將對(duì)磁定律，電流的磁場(chǎng)將對(duì)磁棒產(chǎn)生斥力，磁棒越靠近棒產(chǎn)生斥力，磁棒越靠近鉛碗，斥力就越大。最后鉛碗，斥力就越大。最后這斥力可以大到足以抵消這斥力可以大到足以抵消磁棒所受重力而使它懸浮磁棒所受重力而使它懸浮在空中。超導(dǎo)體的電阻準(zhǔn)在空中。超導(dǎo)體的電阻準(zhǔn)確為零，因此，一旦它內(nèi)確為零，因此，一旦它內(nèi)部產(chǎn)生電流后，部產(chǎn)生電流后，只要保持只要保持超導(dǎo)狀態(tài)不變超導(dǎo)狀態(tài)不變，其電流就，其電流就不會(huì)減小。這種電流稱為不會(huì)減小。這種電流稱為持續(xù)電流。持續(xù)電流。6.1.3 交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸-磁懸浮列車磁懸浮列車

54、向?qū)к壨姾?，由于電向?qū)к壨姾?，由于電磁感?yīng)現(xiàn)象，在線圈里磁感應(yīng)現(xiàn)象，在線圈里產(chǎn)生電流，地面上線圈產(chǎn)生電流，地面上線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性與列車產(chǎn)生的磁場(chǎng)極性與列車上的電磁體極性總是保上的電磁體極性總是保持相同持相同同樣，在側(cè)面裝有側(cè)向同樣，在側(cè)面裝有側(cè)向電磁體（車體上）與側(cè)電磁體（車體上）與側(cè)向?qū)к墸奋壣希?，它向?qū)к墸奋壣希?，它們之間的磁極極性相反，們之間的磁極極性相反，故互相吸引故互相吸引6.1.3 交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸-磁懸浮列車磁懸浮列車在位于軌道兩側(cè)的線圈里流動(dòng)的交流電，能將線圈變?yōu)殡娫谖挥谲壍纼蓚?cè)的線圈里流動(dòng)的交流電，能將線圈變?yōu)殡姶朋w。由于它與列車上的超導(dǎo)電磁體的相互作用，就使列磁體

55、。由于它與列車上的超導(dǎo)電磁體的相互作用，就使列車開(kāi)動(dòng)起來(lái)。車開(kāi)動(dòng)起來(lái)。同推進(jìn)原理相同，當(dāng)列車需要減速時(shí)，就在相當(dāng)于定子的同推進(jìn)原理相同，當(dāng)列車需要減速時(shí)，就在相當(dāng)于定子的懸浮電磁鐵中通入反相交變電流這樣產(chǎn)生的與列車行進(jìn)方懸浮電磁鐵中通入反相交變電流這樣產(chǎn)生的與列車行進(jìn)方向相反磁場(chǎng)就會(huì)給列車一制動(dòng)力，使得列車減速。向相反磁場(chǎng)就會(huì)給列車一制動(dòng)力，使得列車減速。六、應(yīng)用及前景六、應(yīng)用及前景6.1.4 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 超導(dǎo)技術(shù)可以應(yīng)用在超導(dǎo)技術(shù)可以應(yīng)用在核磁共振核磁共振（NMR）裝置上。核磁）裝置上。核磁共振成像技術(shù)是一種非常精確的、非侵入式的方法對(duì)共振成像技術(shù)是一種非常精確的、非侵入式的方法對(duì)人體

56、內(nèi)部器官進(jìn)行成像人體內(nèi)部器官進(jìn)行成像 ，它精度高，它精度高 ，可以獲得患者身，可以獲得患者身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立體圖像。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立體圖像。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明 ，對(duì)，對(duì)人的身體沒(méi)有傷害。人的身體沒(méi)有傷害。6.1.5 軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域 與艦船電力推動(dòng)相關(guān)技術(shù)（推進(jìn)與變速負(fù)載）與艦船電力推動(dòng)相關(guān)技術(shù)（推進(jìn)與變速負(fù)載） 潛艇和運(yùn)載工具采用電力推動(dòng)潛艇和運(yùn)載工具采用電力推動(dòng)，有利于提高其隱蔽性和，有利于提高其隱蔽性和動(dòng)力適應(yīng)性，采用先進(jìn)的元器件能應(yīng)用與未來(lái)武器上。動(dòng)力適應(yīng)性，采用先進(jìn)的元器件能應(yīng)用與未來(lái)武器上。 其他應(yīng)用其他應(yīng)用 包括掃雷艇用直接制冷低溫超導(dǎo)變壓器（包括掃雷艇用直接制冷低溫超導(dǎo)變壓器（LTS）磁體；）磁體；電磁武器，飛機(jī)起飛等用的超導(dǎo)磁性儲(chǔ)能系統(tǒng)（電磁武器，飛機(jī)起飛等用的超導(dǎo)磁性儲(chǔ)能系統(tǒng)（SMES）；船用防彈系統(tǒng)用無(wú)電子激光器等。）；船用防彈系統(tǒng)用無(wú)電子激光器等。6.1.6 最新研究進(jìn)展最新研究進(jìn)展vHTS SMES在中國(guó)電網(wǎng)中的應(yīng)用在中國(guó)電網(wǎng)中的應(yīng)用 高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)（高溫超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)（HTS SMES）是一種具）是一種具有響應(yīng)速度快、大功率容量?jī)?yōu)點(diǎn)的新興技術(shù)，可有響應(yīng)速度快、大功率容