釔鋇銅氧超導性能的研究

1、海 南 師 范 大 學本 科 生 畢 業(yè) 論 文題目：釔鋇銅氧超導性能的研究姓 名： 蒙志富學 號： 200906101134專 業(yè)： 物理學年 級： 2009級系 別： 物理系完成日期： 2013年5月指導教師： 沈振江(副教授)本科生畢業(yè)論文（設計）獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)論文（設計）是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，本論文中沒有抄襲他人研究成果和偽造數據等行為 。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。論文（設計）作者簽名： 日期： 本科生畢業(yè)論文（設計）使用授權聲明海南師范大學有權保留并向國

2、家有關部門或機構送交畢業(yè)論文（設計）的復印件和磁盤，允許畢業(yè)論文（設計）被查閱和借閱。本人授權海南師范大學可以將本畢業(yè)論文（設計）的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復印手段保存、匯編畢業(yè)論文（設計）。論文（設計）作者簽名： 日期： 指 導 教 師 簽 名： 日期： 目 錄第1章 釔鋇銅氧簡介、晶體結構- 4 -11 YBCO簡介- 4 -12 釔鋇銅氧晶體結構- 5 -第2章 高溫超導的發(fā)展- 6 -第3章 釔鋇銅氧超導性能的機理，與其他高溫超導機理的對比- 8 -3.1超導體的三個臨界參量- 8 -3.2超導體的基本性質- 9 -3.3 釔鋇銅氧超導機理探討-

3、10 -3.3.1 傳統(tǒng)超導理論（BCS理論）- 10 -3.3.2 釔鋇銅氧超導機理的探討- 10 -第4章 釔鋇銅氧超導性能的主要研究方向、研究成果、應用前景- 12 -4.1 YBCO研究現狀- 12 -4.2 YBCO研究成果- 13 -4.2.1 YBCO高溫超導塊材- 13 -4.2.2 YBCO超導帶材- 13 -4.3 YBCO的應用- 14 -4.3.1 YBCO超導材料的商業(yè)優(yōu)勢- 14 -4.3.2 YBCO超導帶材的制備與應用- 15 -4.3.3 YBCO超導儲能的研究- 15 -4.3.4 YBCO高溫超導體的應用前景- 16 -第5章 總結展望- 16 -參考文獻

4、：- 18 -釔鋇銅氧超導性能的研究作者：蒙志富 指導教師：沈振江 副教授（海南師范大學物理系，?？?，571158）摘 要 釔鋇銅氧，作為第二代高溫超導材料，有著很高的商業(yè)價值，自發(fā)現以來便受到各國科學家的熱衷研究。YBCO自發(fā)現至今已20多年，其超導性能的研究應用也取得了不錯的成果，但其超導機制同其他高溫超導機理一樣至今仍不能得到一個令人信服的結果。本文從超導的發(fā)展歷史出發(fā)，闡述了YBCO的結構特點，探討其超導機理并對其研究現狀以及應用前景做了綜述。關鍵詞：釔鋇銅氧，YBCO，高溫超導YBCO superconducting propertiesAuthor: Meng Zhi Fu Ins

5、tructor: Associate Professor Chen Zhenjiang(Hainan Normal University, Haikou, 571158)Abstract：YBCO, as second-generation high-temperature superconducting materials, has a high commercial value, since the discovery will be keen to research by scientists from various countries. YBCO self-discovery has

6、 been more than 20 years, the research and application of superconducting properties also achieved good results, but its mechanism of superconductivity with other high-temperature superconducting mechanism still can not get a convincing results. Departure from the history of the development of super

7、conductivity on the structural characteristics of the YBCO, to investigate the mechanism of superconductivity and reviewed its current research and application prospects.Keywords: YBCO, YBCO high-temperature superconducting第1章 釔鋇銅氧簡介、晶體結構11 YBCO簡介釔鋇銅氧，又稱釔鋇銅氧化物、YBCO，它是化學式YBa2Cu5O7。摩爾質量為666.19g/mol,密度

8、4.45.3 g/cm3熔點大于600的黑色固體，是著名的超導體，屬于第二代高溫超導材料，而且是第一個制造臨界溫度在液氮沸點以上的材料。自1911年荷蘭物理學家Heike Karnerlingh Onnes第一次在汞中發(fā)現超導現象（臨界轉變溫度為4.2K）以來，在隨后的幾十年里，超導臨界轉變溫度的最高紀錄只有23.2K,是來自在錫的合金中，進展一直相當緩慢。到了1986年4月，通過用Ba2+、Sr2+ Ca2+替代La2CuO4中的La3+，Zurich大學IBM實驗室的J.Georg Bednorz和 K.Alex Muller有了新的發(fā)現，他們找到了臨界溫度超過了30K的銅氧化物超導體。第

9、二年的1987年，超導體的研究又有了另一個突破性的進展。美國休斯頓大學的朱經武領導的研究小組以及中科院物理所的趙忠賢研究小組分別獨立觀測到臨界轉變溫度在90K以上的超導現象，而趙的小組首先公布了這種超導材料是釔、鋇、銅和氧的化合物，其中釔、鋇、銅的原子百分比為1：2：3，這便是釔鋇銅氧。這使得以廉價的冷卻方式研究超導成為可能，也因此引發(fā)了全世界對新高溫超導材料的研發(fā)熱潮。12 釔鋇銅氧晶體結構YBCO為鈣鈦礦缺陷型層狀結構，含有CuO-CuO2-CuO2-CuO交替的層，CuO2層可以有變形和皺褶。釔原子存在于CuO2和CuO2層中，BaO層則在CuO與CuO2兩層之間。其結構圖如下圖1所示：

10、圖1 釔鋇銅氧晶體結構上圖1中（a）、（b）、（c）分別表示的是釔鋇銅氧晶體正交相結構（=0）、正交相向四方相結構相變（=0.5）、四方相結構（=1）的情況。由于釔鋇銅氧晶體中的氧原子含量會隨環(huán)境的溫度和氧分壓的變化而變化，通常將其寫作YBa2Cu3O7-，0 1. =0時為其理想組分，空間群為Pmmm，晶格常數a=0.3817nm,b=0.3883nm,c=1.1633nm. 0.5時，其結構向四方相轉變，將逐漸喪失超導性。大多數銅氧化物高溫超導材料特殊的晶體結構使其具有各向異性，其主要原因是由于這些材料的晶體結構都屬于夾層結構，分別由電導層和絕緣層組成，而電導和超導只作用于CuO2層上，這

11、使得點陣常數a和b，比較接近，c則隨層狀結構變化而變化。第2章 高溫超導的發(fā)展高溫超導一般認為是臨界溫度在液氮以上銅基氧化物超導體，而此前發(fā)現的臨界溫度在液氮以下的超導體稱為低溫超導體。一般超導合金在接近絕對零度時其電阻逐漸消失，如此低的溫度使其在應用上會遇到許多問題。而更加具有實際商業(yè)價值的高溫超導材料研究便很快成為現代科學的熱門課題。1986年以前的超導研究為發(fā)現高溫超導積累了理論和實驗的大量極為重要的知識儲備。盡管在1986年以前的幾十年里超導臨界溫度提高緩慢，連臨界溫度最高的鈮三鍺也只有區(qū)區(qū)2322K，而柏諾茲（Bednorz）和（繆勒）Muller于1986年發(fā)現臨界溫度約為30K的

12、銅氧化物超導體，為進一步發(fā)現液氮區(qū)高溫超導材料的發(fā)現開辟了道路。其實氧化物超導體的發(fā)現可追溯到1973年約翰斯頓等人發(fā)現的Li1-xTi2-xO4其超導轉變溫度為13.7K,以及1975年斯萊特等人發(fā)現的轉變溫度為13K的BaPb1-xBixO3超導體,雖然該轉變溫度還不如當時Nb3Ge高，但以當時公認尺度來看也不算低，因此，在此方向上依然有人研究超導體。柏諾茲（Bednorz）和繆勒（Muller）早在1986年4月就投稿給德國物理雜志宣布他們發(fā)現的BaxLa5-xCu5O(3-y)(其中x=1或0.75)可能在高于30K的溫區(qū)具有超導性，但由于這篇報道只談到零電阻效應而未提及邁斯納效應，因

13、而并未引起同行的足夠重視，直到同年十月他們在再次投稿中聲明肯定了樣品有邁斯納效應并在日本東京大學內田等人于11月和12月投稿宣布在（La,Ba）2CuO4-y中觀察到轉變溫度約30K，并肯定有邁斯納效應，柏諾茲（Bednorz）和（繆勒）Muller的研究成果才得到公認。1987年是超導研究豐收年，1月初，由日本川崎國立分子研究所發(fā)現的超導體具有43K的臨界溫度，不久，中國科學院物理研究所報道制出了高溫超導體小組發(fā)現的鋇鑭銅氧系和鍶鑭銅氧系超導體其臨界溫度也分別達到了46.3K和486K。1987年2月6日，美國朱經武等人向物理評論簡報投稿宣布（Y1-xBax）2 CuOy(x=0.4,y4)

14、 系統(tǒng)于8093K溫區(qū)獲得穩(wěn)定的超導轉變。1987年2月24日，中國科學院物理所宣布趙忠賢等人獲得超導轉變溫度為92.8K,出現零電阻溫度為78.5K的BaxY5-xCu5O5(3-y) 超導材料，現在公認的化學式為YBa2Cu3O7-x也就是現在所說的釔鋇銅氧,俗稱123系。超導轉變溫度約為93K的釔鋇銅氧超導的化合物是在1987年由朱經武和趙忠賢幾乎同時發(fā)現。1988年初日本Maeda等制成了鉍鍶鈣銅氧化物高溫超導材料，其超導轉變溫度比釔鋇銅氧高出10K以上，幾乎同時美國Arkansas大學宣布制成鉈鋇鈣銅氧化物新高溫超導材料，其起始超導轉變溫度達到了123K。1989年發(fā)現了電子型（n型

15、）高溫銅氧化物超導體，日本的Tokura等人宣布Nd2-xCexCuO4-y當0.14<x<0.18時有超導電性，在x=0.15時，超導轉變溫度為24K，以后隨x的增加超導轉變溫度下降，當x約為0.18時，超導電性消失。自1988年開始，高溫銅氧化物材料開始進入應用研究階段并已取得理想的效果。1988年首次制出高溫超導薄膜，1989年首次制出超導線，到了1990年則首次繞制成高溫超導線圈。1993年用高溫超導線圈制出交流同步馬達，隨后的幾年內，前面開始研發(fā)應用的材料繼續(xù)取得突破性數據，性能不斷提高。1995年，可彎曲釔鋇銅氧涂層超導帶問世，兩年后，米級長度的YBCO帶也相繼制成。1

16、998年，用RABiTS-PLD法制出的YBCO涂層超導帶臨界電流密度已達到1.8MA/cm2,3.0MA/cm2?！?】Akimitsu等人2001年新發(fā)現的MgB2為中等超導轉變溫度的超導體約為40K 。2003年，Souma等人報道：硼化鎂為雙能隙超導體。2008年2月，日本科學家發(fā)現首先發(fā)現氟摻雜鑭氧鐵砷化合物在臨界溫度為26K時具有超導特性，同年3月25日，中國科技大學陳先輝領導的科研小組有報告氟摻雜釤氧鐵砷化合物在43K時也變成超導體。近年來，高溫超導材料的發(fā)展一直沒停止過，并由單一的銅氧化物向簡單化物發(fā)展，形成多種方向共同發(fā)展的局面。表1 部分高溫超導體及發(fā)現年代第3章 釔鋇銅氧

17、超導性能的機理，與其他高溫超導機理的對比作為超導體，除了自身的特點外還有著一些共同特性：3.1超導體的三個臨界參量1、超導體的臨界溫度Tc在一定值的溫度下突然進入一個新的物態(tài)，其電阻實際變?yōu)榱悖蛘哒f電阻突然下降到難以測量的程度，這種具有特殊電性質的物質狀態(tài)稱為超導態(tài)，這種物質稱為超導體。超導體剛進入超導態(tài)的溫度叫作超導臨界溫度，用Tc表示。2、 超導體的臨界電流密度Jc實驗表明，如果在不加磁場的情況下，當通過超導體的電流大到一定程度時，也將會破壞超導態(tài)這個電流值叫作臨界電流密度，用Ic表示。Ic的大小隨溫度T的高低而變化，在Tc在下Ic為零。3、 超導體的臨界磁場Hc正常情況下，處于超導態(tài)的

18、超導體具有邁斯納效應，即完全抗磁性，但如果給處于超導態(tài)的超導材料持續(xù)增強磁場，當強度大于某一Hc值時，該超導體將從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)， Hc則稱為臨界磁場。根據超導體的Hc的個數不同可將超導體分為兩類：第一類超導體和第二類超導體，第一類超導體只有一個Hc,第二類超導體則有兩個Hc,分別記為：Hc1(T)（上臨界磁場）和Hc2(T)（下臨界磁場）圖2 第一類超導體和第二類超導體對于第二類超導體當H<Hc1(T),T<Tc時，樣品處于邁斯納超導態(tài)；當Hc1(T)<H<Hc2(T)時，樣品處于超導混合態(tài)，在該狀態(tài)下具有零電阻效應，但不具備完全抗磁性；當H>Hc2(T)時，

19、樣品處于正常態(tài)。以下為兩類超導體H和T關系圖：圖：Tc、Jc、Hc三者關系3.2超導體的基本性質零電阻效應超導體處于超導態(tài)時其內部電阻實際變?yōu)榱愕默F象稱為超導的零電阻效應。邁斯納（Meissnei）效應完全抗磁對于超導體來說，不論是先降溫后加磁場，還是先加磁場而后降溫，只要樣品溫度過渡到了超導態(tài)，在樣品周圍的磁場都發(fā)生了變化，磁力線被完全推到了超導體之外，即無論過渡到超導態(tài)的途徑如何，只要T<Tc，超導體內的磁感應強度總為零，具有完全抗磁性，這后來被稱為邁斯納效應。同位素效應超導體的臨界溫度與同位素質量有關，同一種元素，同位素質量較高的其臨界溫度Tc較低，稱為同位素效應.MTc=常數 （

20、1）上式中，M為同位素的質量，=0.503.3 釔鋇銅氧超導機理探討3.3.1 傳統(tǒng)超導理論（BCS理論）1957年美國人巴丁、庫柏和施瑞弗在電子和聲子相互作用的基礎上建立了低溫超導的微觀理論（即BCS理論），解釋了超導電性的起源，闡明了超導的本質。所謂BCS理論，是解釋常規(guī)超導體的超導電性的微觀理論。該理論以其發(fā)明者巴?。↗.Bardeen）、庫珀（L.V.Cooper）施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。BCS是典型的弱耦合理論， 把超導現象看做一種宏觀量子效應，認為電子間如果存在電子與晶格相互作用產生的吸引力大于電子間的庫倫排斥力而使電子間呈現一種凈的吸收作用，那么它

21、們就能夠形成一個束縛態(tài)，這種束縛態(tài)時兩個電子組成電子對偶，稱之為庫珀對，庫柏對對超導電流的形成起決定性作用。在BCS理論提出的同時，尼科萊·勃格留波夫（Nikolai Bogoliubov）也獨立的提出了超導電性的量子力學解釋，他使用的勃格留波夫變換至今仍為人們所常用。3.3.2 釔鋇銅氧超導機理的探討現今，人們對高溫超導機制仍未形成共識，與傳統(tǒng)BCS超導體相比，高溫銅氧化物超導體的性質有共性也有特殊性兩面，就高溫超導氧化物而言，其特殊性更顯著，因而高溫超導氧化物超導機制是否也適用于BCS理論也值得探討。對于高溫超導機制的特殊性，人們對通過繼續(xù)完善BCS理論抑或是建立全新的理論去解釋

22、高溫超導機制也存在不同意見，持不同見解的大概分為費米液體派和非費米液體派，前面所探討過的BCS理論是在費米液體正常態(tài)的框架上建立起來的機制。電聲子機制：該機制認為，在超導體內兩電子間由于交換聲子而產生了吸引作用，當這種吸引作用大于電子本身的庫倫排斥作用時，兩電子就形成電子對引起超導電性。同位素效應對探索超導機制有特殊意義。高溫銅氧化物超導體的同位素效應指數遠小于0.5，這使得許多人提出了非電聲超導機制或混合超導機制。激子機制：所謂激子，是指由于一直電子系統(tǒng)的極化所導致的能量激發(fā)。勒特耳認為超導體內的凈吸引力是使兩電子間交換激子而產生吸引作用而不是之前所說的利用交換聲子使兩電子產生吸引。如果這種

23、激子機制能產生兩電子間的凈吸引力，那么將可以預期出現超導態(tài)。盡管理論上做了很多設想，但迄今為止還沒有試驗事實能夠肯定激子超導機制。美國的P.M.Anderson是反對用費米液體描寫高溫超導體的代表之一，他提出了共價鍵態(tài)理論來說明高溫超導機制。共振價鍵理論（RVB態(tài)）這一理論是基于高溫氧化物的低維性、反鐵磁的鄰近性和載流子密度低等特點提出的。該理論認為電荷與自旋自由度分離，這與費米液體的基本點不同，在相鄰原子上，自旋相反的兩軌道電子形成共價鍵，而這些共價鍵可以在兩個以上的位置之間共振?！肮舱駜r鍵理論”（RVB）是一種由實空間定域配對轉變?yōu)槟芰靠臻g的非局域配對機制。共振價鍵理論中，無電子型的準粒子

24、，而電子的強關聯(lián)是導致系統(tǒng)電荷和自旋自由度相分離的原因，從而有空穴子和自旋子兩種元激發(fā)。雙成分理論【2】：我國著名物理學家章立源提出的雙成分理論認為，巡游載流子形成的庫珀對與近局域對彼此相互相干作用從而誘導增進了超導態(tài)中的有效配對位勢，從而形成高溫超導。其他理論其他超導理論如Nesting模型、反鐵磁費米液體模型、自旋口袋（spin bag）模型、任意子模型等等理論也是著名的超導理論但如前所說，這些眾說紛紜的理論都能在一定程度上說明一些超導現象，但也沒能給人足夠的證據其適用于釔鋇銅氧高溫超導機理，可見，目前已存在的理論要么是在傳統(tǒng)的BCS理論的框架上進行擴展，要么另辟蹊徑發(fā)展一種全新理論。但至

25、今仍未見一種能夠解釋高溫超導如釔鋇銅氧足以令人信服的理論，看來釔鋇銅氧的高溫超導機理的探索還需要進一步發(fā)展。高溫超導微觀機制的探索與研究還在進行中，雖已取得了不少進展，但目前業(yè)已存在的超導微觀機理過于單一的理論都很難得到所有試驗結果的一致認可。于是人們提出對于低溫超導起主導作用的是電聲子作用機制，而在高溫超導有電聲子作用，但起主導作用的不再是電聲子作用機制，而可能是某種非聲子機制?？傊壳案邷爻瑢C制還未形成一個令人普遍認同的理論。以下是一些材料的超導機制：第4章 釔鋇銅氧超導性能的主要研究方向、研究成果、應用前景4.1 YBCO研究現狀釔鋇銅氧至被發(fā)現以來，以其獨有的特性吸引了眾多科研人員

26、對其投入研究。根據釔鋇銅氧超導特點，世界各國主要集中于超導體塊材、超導體帶材或涂層等方面的研究。目前，高溫超導體研究人員仍面臨許多挑戰(zhàn)，如釔鋇銅氧超導體晶粒取向不一致，晶界連接脆弱，以及對實際應用來說，臨界轉變溫度仍然較低等，這些問題都需要科技人員的繼續(xù)研究。表2 國際涂層材料發(fā)展現狀4.2 YBCO研究成果4.2.1 YBCO高溫超導塊材經過二十幾年的研究，無論YBCO超導機理還是發(fā)展應用都取得了一定的成果，目前YBCO材料應用研究已進入生產驗證階段，不久將實現商業(yè)應用，而最有可能進入應用的當屬YBCO塊材。4.2.2 YBCO超導帶材經過各國科研機構的努力，釔鋇銅氧超導帶材的研究應用取得了

27、不少進展。20世紀90年代人們主要選擇了BSCCO及YBCO高溫超導材料來制造帶材或線材，其中后者成為后來的主要發(fā)展對象。制造實用帶材必須要有足夠達到電流密度，而阻礙電流密度提高主要有兩大因素：一是材料內部存在弱連接，使制作出來的帶材質地過于脆弱：二是設法做出強磁通釘扎以使磁通線能抵抗洛倫茲力的推動來減少能量損耗。美國和日本的一些公司基于用YBCO為材料制作超導帶材的研究正積極展開。人們獲得高電流密度連續(xù)長超導電線的愿望不久將得以實現。圖3 YBCO超導帶材結構圖4.3 YBCO的應用4.3.1 YBCO超導材料的商業(yè)優(yōu)勢YBCO高溫超導線帶材在強電應用領域的實用技術成為各國研究的重點。就目前

28、的成熟技術，第一代高溫超導帶材發(fā)展已進入一個瓶頸區(qū)。Bi系超導材料物理上的本征特性（低不可逆場，低載流能力）決定了該種材料在液氮區(qū)的應用極為有限。由于需要大量的銀作為包套材料生產該材料的成本昂貴也大大地限制了其使用。因此，近年來第一代帶材發(fā)展緩慢，國外已基本放棄對該材料的研究，而美國也已宣布，將在2007年后逐步停止生產。圖4 鉍系和釔系高溫超導體的溫度和不可逆場的關系YBa2Cu3O7-x（Y系）高溫超導材料具有高Tc，高不可逆場，高載流能力，低交流損耗，制備方法相對簡單，原材料價格低廉等優(yōu)點，這使其很有可能取代第一代鉍系高溫超導材料而成為未來主宰高溫超導市場的新力軍。目前，世界各國都爭相把

29、超導研究的重點放在該類超導材料的研究上。表3 YBCO涂層導體各層材料及相關應用4.3.2 YBCO超導帶材的制備與應用第二代超導帶材(Y系)由金屬基帶、隔離層、貴金屬層、超導層等組成。由于存在小角度晶界及表面粗糙度等缺陷會嚴重影響帶材的性能，需要在原子級尺度上控制晶格的生長來制備YBCO超導帶材。目前第二代超導釔鋇銅氧超導薄膜已進入商業(yè)化階段，主要應用于諧振器、濾波器、天線等有源器件。如最近我國由清華大學研制成功的濾波器系統(tǒng)已實現移動通信的商業(yè)化運行。4.3.3 YBCO超導儲能的研究近年來，隨著超導技術，尤其是高溫超導技術的不斷發(fā)展，新型的超導儲能技術的世界范圍內已取得飛速的發(fā)展。各種先進

30、的超導儲能裝置都已陸續(xù)研制，并成功應用于解決電力系統(tǒng)中的電壓中斷、低頻振蕩等各種電能質量問題，從理論和實驗角度都驗證了超導儲能技術的可行性和實用性。除了在現代電力系統(tǒng)中的應用研究外，目前世界上眾多研究結構對超導儲能技術在電磁彈射、不間斷電源、混合動力汽車等多個技術領域上的應用研究也取得了較好的發(fā)展，開發(fā)了大量的實驗裝置?？偠灾瑢δ芗夹g正逐步從實驗研究階段走向實用化、商業(yè)化進程。表4 目前正在試驗或運行的超導電纜系統(tǒng)4.3.4 YBCO高溫超導體的應用前景YBCO作為第二代高溫超導材料其應用前景必然可觀，現今以釔鋇銅氧涂層為基礎的高溫超導帶材已研發(fā)成功并逐漸實現實用化，而YBCO塊材的研發(fā)也在緊鑼密鼓地展開，相信不久的將來即可