超導材料介紹

1、超導材料介紹第第1頁頁第第2頁頁超超 導導 材材 料料 簡簡 介介第第3頁頁一、超一、超 導導 概概 述述昂內(nèi)斯(中間白衣者)在他所創(chuàng)立的低溫實驗室內(nèi)昂內(nèi)斯昂內(nèi)斯(18531926) 荷蘭低溫物理學家荷蘭低溫物理學家1908年成功地液化了氦氣，年成功地液化了氦氣，1911年發(fā)現(xiàn)了年發(fā)現(xiàn)了某些金屬在液氦溫度下電阻突然消失，即某些金屬在液氦溫度下電阻突然消失，即“超導電性超導電性”現(xiàn)象，現(xiàn)象，于于 1913年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎。HgInSnPb4.15K3.4K3.7K7.2K氧氮氮90.2K77.3K4.2/1.7K第第4頁頁1957年巴丁、庫珀和施里弗合作創(chuàng)建了超導微觀理論年巴丁、庫珀和施

2、里弗合作創(chuàng)建了超導微觀理論(BCS)，于，于1972年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎。這一理論能對超導電性。這一理論能對超導電性作出正確的解釋，并極大地促進了超導電性和超導磁體作出正確的解釋，并極大地促進了超導電性和超導磁體的研究與應用。的研究與應用。第第5頁頁約瑟夫森和賈埃弗的發(fā)現(xiàn)，對于研制高性能的半導體和超導體元器件具約瑟夫森和賈埃弗的發(fā)現(xiàn)，對于研制高性能的半導體和超導體元器件具有很高的應用價值，并導致超導電子學的建立。有很高的應用價值，并導致超導電子學的建立。第第6頁頁1986年繆勒和柏德諾茲發(fā)現(xiàn)了年繆勒和柏德諾茲發(fā)現(xiàn)了鋇鑭鋇鑭銅氧體系高溫超導化合物。于銅氧體系高溫超導化合物。于1987年獲得若

3、貝爾獎年獲得若貝爾獎。這一研究成果導致了多種液氮溫區(qū)高溫超導體材料。這一研究成果導致了多種液氮溫區(qū)高溫超導體材料的出現(xiàn)，并宣告了超導技術(shù)開發(fā)應用時代即將到來。的出現(xiàn)，并宣告了超導技術(shù)開發(fā)應用時代即將到來。第第7頁頁金茲伯格 萊格特 阿布里科索夫2003年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎授予美國阿爾貢國家實驗室的阿力克謝授予美國阿爾貢國家實驗室的阿力克謝阿阿布里科索夫、俄國莫斯科萊伯多夫物理研究所的維塔利布里科索夫、俄國莫斯科萊伯多夫物理研究所的維塔利金茲伯格金茲伯格和美國伊利諾斯大學教授安東尼和美國伊利諾斯大學教授安東尼萊格特，以獎勵他們在超導和超萊格特，以獎勵他們在超導和超流理論方面的先驅(qū)性貢

4、獻。流理論方面的先驅(qū)性貢獻。 第第8頁頁吳茂昆吳茂昆朱經(jīng)武朱經(jīng)武趙忠賢趙忠賢 陳立泉陳立泉釔鋇銅氧化合物釔鋇銅氧化合物,1987,1987年年2 2月，月，92K鍶鑭銅氧鍶鑭銅氧(1987年初，年初，48.6K)、鋇鑭銅氧、釔鋇銅氧系材料，、鋇鑭銅氧、釔鋇銅氧系材料，鉍系超導體鉍系超導體第第9頁頁二、超導電性的基本特征二、超導電性的基本特征Zero Resistance-No Power LossMeissner Effect-Act as Magnet Critical Properties-Tc, Jc, Hc Josephson Effects-Electron Tunnelling 第

5、第10頁頁在特定的溫度下材料的電阻突然消失的現(xiàn)象稱為超導（電）現(xiàn)象，發(fā)生這在特定的溫度下材料的電阻突然消失的現(xiàn)象稱為超導（電）現(xiàn)象，發(fā)生這一現(xiàn)象的溫度叫超導轉(zhuǎn)變溫度一現(xiàn)象的溫度叫超導轉(zhuǎn)變溫度Tc，也叫臨界溫度。材料失去電阻的狀態(tài)稱，也叫臨界溫度。材料失去電阻的狀態(tài)稱為超導態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)。具有超導態(tài)的材料稱為超導材料。為超導態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)。具有超導態(tài)的材料稱為超導材料。零電阻效應是超導態(tài)的一個基本特征。零電阻效應是超導態(tài)的一個基本特征。不同導體的電阻-溫度曲線水銀的零電阻效應第第11頁頁處在超導態(tài)的物體完全排斥磁場，即磁力線不能進入超導體內(nèi)部，這一特處在超導態(tài)的物體完

6、全排斥磁場，即磁力線不能進入超導體內(nèi)部，這一特征叫完全抗磁性，通常也叫做邁斯納效應，是超導態(tài)的另一個基本特征。征叫完全抗磁性，通常也叫做邁斯納效應，是超導態(tài)的另一個基本特征。超導體排斥力使永久磁環(huán)懸浮第第12頁頁外磁場在試樣表面產(chǎn)生感應電流（外磁場在試樣表面產(chǎn)生感應電流（b）。此電流所經(jīng)路徑電阻）。此電流所經(jīng)路徑電阻為零，故它所產(chǎn)生的附加磁場總是與外磁場大小相等，方向相為零，故它所產(chǎn)生的附加磁場總是與外磁場大小相等，方向相反，因而使超導體內(nèi)的合成磁場為零。由于此感應電流能將外反，因而使超導體內(nèi)的合成磁場為零。由于此感應電流能將外磁場從超導體內(nèi)擠出（磁場從超導體內(nèi)擠出（c），故稱磁抗感應電流，又

7、因其能起），故稱磁抗感應電流，又因其能起著屏蔽磁場的作用，又稱為屏蔽電流。著屏蔽磁場的作用，又稱為屏蔽電流。第第13頁頁超導態(tài)是一個超導態(tài)是一個熱力學平衡現(xiàn)熱力學平衡現(xiàn)象，抗磁性可象，抗磁性可逆；理想導體逆；理想導體的這種磁性質(zhì)的這種磁性質(zhì)與加場過程有與加場過程有關(guān)，不可逆。關(guān)，不可逆。第第14頁頁臨界溫度臨界溫度Tc臨界磁場臨界磁場Hc臨界電流密度臨界電流密度Jc一些金屬超導體臨界一些金屬超導體臨界磁場與溫度的關(guān)系磁場與溫度的關(guān)系維持超導狀態(tài)的必要條件維持超導狀態(tài)的必要條件第第15頁頁超導隧道結(jié)（約瑟夫森結(jié)）示意圖弱連接超導體：弱連接超導體：S-I-S兩超導體中間的絕緣（真空，兩超導體中間的

8、絕緣（真空，正常）層也能讓超導電流通過正常）層也能讓超導電流通過的現(xiàn)象叫超導隧道效應。的現(xiàn)象叫超導隧道效應。第第16頁頁電阻（率）-溫度曲線，磁化率-溫度曲線，比熱容-溫度曲線第第17頁頁水銀的零電阻效應MgB2的x-T曲線錫在正常態(tài)(N)和超導態(tài)(S)的比熱容第第18頁頁主要是合金和陶瓷超導體。它存在有兩個確定的臨界磁主要是合金和陶瓷超導體。它存在有兩個確定的臨界磁場，即下臨界場場，即下臨界場Hc1和上臨界場和上臨界場Hc2。允許磁場通過。允許磁場通過。它們具有完全的邁斯納效應（完它們具有完全的邁斯納效應（完全的抗磁性）。如果外部磁場過全的抗磁性）。如果外部磁場過強，就會破壞超導體的超導性能

9、。強，就會破壞超導體的超導性能。這類超導體只有兩個態(tài)，即低溫這類超導體只有兩個態(tài)，即低溫超導態(tài)和正常態(tài)。主要是金屬超超導態(tài)和正常態(tài)。主要是金屬超導體。導體。0TcTH Hc超導態(tài)超導態(tài)正常態(tài)正常態(tài)第第19頁頁HTTcNHc2SMeissnerMixedHc10, 0= = =r rB0,0= = r rB第第20頁頁Flux penetrates above the Superconductivity survives up to the Most alloys, HTS, MgB2.TTc0HHc1TTcHc1HHc2第第21頁頁超導現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導現(xiàn)象的物理本質(zhì)1957年由巴?。暧砂投?/p>

10、（Bardeen）、庫珀（）、庫珀（Cooper）和施里）和施里弗（弗（Sehriffer）合作創(chuàng)建了超導微觀理論）合作創(chuàng)建了超導微觀理論(BCS) 。庫珀庫珀電子對電子對庫珀電子對通過格波相互作用，庫珀電子對通過格波相互作用， 其作用范圍為其作用范圍為10-610-9m；每個庫珀電子對的總動量相當，每個庫珀電子對的總動量相當， 這是零電阻產(chǎn)生的根源；這是零電阻產(chǎn)生的根源；材料變?yōu)槌瑢B(tài)后，電子結(jié)為材料變?yōu)槌瑢B(tài)后，電子結(jié)為 庫珀對，能量降低庫珀對，能量降低2，稱其為，稱其為 超導體的能隙。超導體的能隙。第第22頁頁超導體的能隙超導體的能隙能隙隨溫度變化的曲線能隙隨溫度變化的曲線 02D正常態(tài)

11、正常態(tài)超導態(tài)超導態(tài)費米能費米能正常態(tài)正常態(tài)超導態(tài)超導態(tài)費米能費米能D2能能 量量T0K, 0KTTc第第23頁頁三、超三、超 導導 材材 料的種類料的種類第第24頁頁大多數(shù)過渡元素和稀土元素都具有超導性；堿金屬、銅、銀、金，以及大多數(shù)過渡元素和稀土元素都具有超導性；堿金屬、銅、銀、金，以及一些鐵磁和反鐵磁元素未發(fā)現(xiàn)其超導電性。元素超導體中，鈮具有最高一些鐵磁和反鐵磁元素未發(fā)現(xiàn)其超導電性。元素超導體中，鈮具有最高臨界轉(zhuǎn)化溫度臨界轉(zhuǎn)化溫度(9.2K)(9.2K)；只有釩、鈮和鉭屬于第二類，其他元素均屬第一；只有釩、鈮和鉭屬于第二類，其他元素均屬第一類類; ; 大多數(shù)超導合金和化合物則屬于第二類。大

12、多數(shù)超導合金和化合物則屬于第二類。第第25頁頁科學家科學家2002年發(fā)現(xiàn)以钚為基礎的新的超導體族年發(fā)現(xiàn)以钚為基礎的新的超導體族 美國能源部洛斯阿拉莫斯科學實驗室、佛羅里達大學和德國鈾后元素美國能源部洛斯阿拉莫斯科學實驗室、佛羅里達大學和德國鈾后元素研究所，以約翰研究所，以約翰爾拉奧博士為首的科學家小組首次發(fā)現(xiàn)钚的超導效爾拉奧博士為首的科學家小組首次發(fā)現(xiàn)钚的超導效應，證實钚、鈷和鎵的合金在溫度為應，證實钚、鈷和鎵的合金在溫度為18.5K時會變成超導體。時會變成超導體。 第第26頁頁 組成元素都具有超導性組成元素都具有超導性合金合金Nb3SnNbTiV3GaNb3GeTc (K)18.19.516

13、.523.2 組成元素只有一種是超導元素或都不具有超導性組成元素只有一種是超導元素或都不具有超導性合金合金La2C3C8KMgB2Tc (K)5.911.09.539第第27頁頁第第28頁頁鑭、釔、鉍、鉈等系列氧化物陶瓷及一些長鏈或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機物鑭、釔、鉍、鉈等系列氧化物陶瓷及一些長鏈或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機物鈮鈦（鈮鈦（NbTi）合金，）合金，Nb3Sn等金屬間化合物等金屬間化合物銅穩(wěn)定化多芯扭絞超導線材Nb3Sn的截面1234Tc=18.2K超導微波器件（超導微波器件（YBCO高溫超導薄膜）高溫超導薄膜） 超導量子干涉器件（超導量子干涉器件（SQUID）第第29頁頁?；瘜W通式一般寫為，R表示某一

14、種稀土元素。至少有十種稀土元素可以用來合成這個家族的超導態(tài)。這個化學分子式中含兩個（R，Ba）類原子，一個Cu原子，4個氧原子，所以被稱為214結(jié)構(gòu)。在晶格中，R和Ba的位置是等價的，所以這里把它們看作一類原子。由于一般地講，在晶格中存在著氧原子少缺，所以在分子式中寫成O4-x。這個家族的超導轉(zhuǎn)變溫度約為這個家族的超導轉(zhuǎn)變溫度約為36K。 目前已被發(fā)現(xiàn)的高溫超導體目前已被發(fā)現(xiàn)的高溫超導體銅基氧化物超導體分為五大家族銅基氧化物超導體分為五大家族?；瘜W通式為，R同樣表示某個稀土元素。至少有13種稀土元素可以用來合成這個家族的超導體。因為這個家族的分子式中金屬元素的個數(shù)分別為金屬元素的個數(shù)分別為1，

15、2和和3，所以人們把這三種家族稱為123超導體家族。因為元素的增多，人們習慣上不再把氧原子寫出來表示這個家族。由于這個家族被發(fā)現(xiàn)的第一個成員的稀土元素是釔（Y），所以人們也常把123家族稱為釔家族。123家族的超導轉(zhuǎn)變家族的超導轉(zhuǎn)變溫度為溫度為90K左右左右。 第第30頁頁鉍超導家族的化學通式為，n=2,3。也就是說這個家族有兩個成員，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。習慣上稱為鉍2212相和鉍2223相。鉍鉍2212相的超導轉(zhuǎn)變溫度為相的超導轉(zhuǎn)變溫度為85K，鉍鉍2223相的超導轉(zhuǎn)變溫度為相的超導轉(zhuǎn)變溫度為110K。在鉍2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料

16、的超導性能會得到改善。第第31頁頁鉈超導家族是高溫超導體中最大的家族。又可分為兩個分族。第一個分族的分子通式為，n=1,2,3。這個家族有三個主要成員，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超導轉(zhuǎn)變溫度為90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超導轉(zhuǎn)變溫度為110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超導轉(zhuǎn)變溫度為125K。因這一分族的每個這一分族的每個成員的分子式里都含有兩個成員的分子式里都含有兩個Tl原子，在晶體結(jié)構(gòu)上對應兩個鉈原子層原子，在晶體結(jié)構(gòu)上對應兩個鉈原子層，所以人們又把這個分族叫做鉈雙層分族。 另一個分族的化學分子通式為

17、， n=1,2,3。這個通式中的(Ba,Sr)表示這個位置可以是Ba也可以是Sr。當這個位置的原子是Sr時，Ca可以被某一種稀土元素（R）部分取代。能參與取代的稀土元素達15種之多。這個家族的主要成員在晶體結(jié)構(gòu)上有三個，即1201相，1212相和1223相。因為每個相的(Ba,Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr，所以結(jié)構(gòu)上的三個相在化學組成上就分成了TlBa2CuO5, TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7；TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O9 6個成員。而每個含Sr的成員的Ca又可以被稀土元素取代。所以這個分族有成員幾十個。因這個分族每一個

18、分子中只含這個分族每一個分子中只含一個鉈原子，即在晶格中只有一層鉈原子，所以人們又常把這個分族稱為鉈一個鉈原子，即在晶格中只有一層鉈原子，所以人們又常把這個分族稱為鉈單層分族單層分族。鉈單層分族的1201相、1212相和1223相的超導轉(zhuǎn)變溫度分別為45K，95K和120K。 第第32頁頁汞超導家族的化學通式為，n=1,2,3。因這個家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下標上有+x。這個家族的主要成員有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，這三個相的轉(zhuǎn)變溫度分別為85K，120K和133K。其中122

19、3相中的133K是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的在常壓下最高的超導臨界轉(zhuǎn)變溫度。高溫超導體是金屬氧化物，在本質(zhì)上是陶瓷材料，所以有的人將其稱為陶瓷超導材料。第第33頁頁第第34頁頁 高溫超導線材的制備工藝高溫超導線材的制備工藝 第第35頁頁Nature 2001, 410, 63-64MgB2第第36頁頁第第37頁頁第第38頁頁MgB2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)From O. Jepsen as appeared in Canfield et. al. Physics Today, March 2003, p.34 Hexagonal AlB2 type structure (P 6/m m m) Alternating

20、 layers of hexagonal Mg and honeycomb B第第39頁頁2D Bonding px,py ()3D Bonding pz ()3D Antibonding pz () (quasi) 2D cylinders derived from orbitals 3D sheets from orbitals two superconducting gaps:6.8 meV, 1.8 meV第第40頁頁MgB2的性質(zhì)的性質(zhì)第第41頁頁沸石晶體內(nèi)的超導納米碳管沸石晶體內(nèi)的超導納米碳管王寧博士王寧博士(左）用電鏡觀察納米左）用電鏡觀察納米碳管，旁為湯子康博士。碳管，旁為湯子

21、康博士。電鏡下的納米碳管電鏡下的納米碳管 N. Wang, Z. K. Tang, G. D. Li, J. S. Chen, Nature 2000, 408, 50Science, 2001, 292, 2462第第42頁頁u用超導材料作成磁性極強的超導磁鐵，用于核聚變研用超導材料作成磁性極強的超導磁鐵，用于核聚變研究和制造大容量儲能裝置、高速加速器、超導發(fā)電機和究和制造大容量儲能裝置、高速加速器、超導發(fā)電機和超導列車，以解決人類的能源和交通問題；超導列車，以解決人類的能源和交通問題；u用超導材料薄片制作約瑟夫遜器件，用于制造高速電用超導材料薄片制作約瑟夫遜器件，用于制造高速電子計算機和靈

22、敏度極高的電磁探測設備；子計算機和靈敏度極高的電磁探測設備；u用超導體產(chǎn)生的磁場來研究生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)及用于對用超導體產(chǎn)生的磁場來研究生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)及用于對人的各種復雜疾病的治療。人的各種復雜疾病的治療。從目前的研究情況來看，超導技術(shù)的應用可分成三類：從目前的研究情況來看，超導技術(shù)的應用可分成三類：四、超四、超 導導 材材 料的應用料的應用第第43頁頁中德總理乘坐上海磁浮列車中德總理乘坐上海磁浮列車上海磁浮列車上海磁浮列車http:/ (Magnetically Levitated Trains )第第45頁頁第第46頁頁 電磁懸浮系統(tǒng)（Electro Magnetic System）:依靠在機

23、車上的電磁鐵和導軌上的鐵磁軌道相互吸引產(chǎn)生懸浮,屬吸力懸浮系統(tǒng),并主要應用于德國常導磁懸浮列車系列.(左圖) 電力懸浮系統(tǒng)（Electro Dynamic System）:將磁鐵使用在運動的機車上以在導軌上產(chǎn)生感應電流,進而產(chǎn)生電磁斥力以支撐和導向列車.屬斥力懸浮系統(tǒng),并主要應用于日本超導磁懸浮列車系列.(右圖)第第47頁頁2005年年5月月14日，由西南交通大學研制的世界第一臺高日，由西南交通大學研制的世界第一臺高溫超導磁懸浮列車首次公開亮相成都市首屆科技節(jié)。溫超導磁懸浮列車首次公開亮相成都市首屆科技節(jié)。第第48頁頁超導材料最誘人的應用是發(fā)電超導材料最誘人的應用是發(fā)電、輸電和儲能。、輸電和儲

24、能。由于超導材料在超導狀態(tài)由于超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得就可以獲得1010萬高斯以上的穩(wěn)萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導體做磁態(tài)強磁場。而用常規(guī)導體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗要消耗3.53.5兆瓦的電能及大量的兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。冷卻水，投資巨大。超導磁體可用于制作交流超導磁體可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導輸電線路等。超導輸電線路等。第第49頁頁超導磁鐵應用于國際空間站超導磁鐵應用于國際空間站阿爾法磁譜儀 (AMS-02)：尋找反