高溫超導(dǎo)材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展-研究生課程PPT

1、高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展高溫超導(dǎo)材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展匯 報(bào) 人：學(xué) 號(hào)：匯報(bào)時(shí)間：2017年1月8號(hào)4高溫超導(dǎo)材料的概念123高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素高溫超導(dǎo)材料的制備工藝5高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景1、高溫超導(dǎo)材料的概念、高溫超導(dǎo)材料的概念l超導(dǎo)材料：是指具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。l高溫超導(dǎo)材料：是指具有高臨界的轉(zhuǎn)變溫度(Tc)，并且能在液氮溫度條件下工作的一種超導(dǎo)材料，這種材料性能非常好，用途非常廣泛。這是一種氧化物材料，多以銅為主要元素，具

2、有陶瓷的性質(zhì)。同時(shí)，也有不含銅的高溫超導(dǎo)材料，主要是鋇鉀鉍氧體系。l高溫超導(dǎo)材料有著其他普通材料不具有的特性，零電阻、完全抗磁性、高臨界轉(zhuǎn)變溫度等特殊性質(zhì)，將使高溫超導(dǎo)材料在生活生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2、高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀目前的高溫超導(dǎo)材料目前的高溫超導(dǎo)材料目前高溫超導(dǎo)材料主要是：釔系(92 K)、鉍系(110 K)、鉈系(125 K)和汞系(135 K)以及新發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)體二硼化鎂(39 K)。其中最有實(shí)用價(jià)值的是鉍系、釔系(YBCO)和二硼化鎂(MgB)。近年來，超導(dǎo)材料和超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，鉍系氧化物(鉍鍶鈣銅氧，BSCCO)和釔系氧化物(釔

3、鋇銅氧，YBCO)材料的發(fā)現(xiàn)使高溫超導(dǎo)材料走入實(shí)用化階段?；诟邷爻瑢?dǎo)材料的交流損耗低及高載流能力等特點(diǎn)，其在電力、通信、工業(yè)、國防等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。2、高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀高溫超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)狀高溫超導(dǎo)材料在其他方面的進(jìn)展高溫超導(dǎo)材料在其他方面的進(jìn)展四類高溫超導(dǎo)材料釔系鉍系鉈系汞系以YBa2Cu3Oy為代表，各向異性最小，但它具有很高的臨界電流密度Jc。各向異性最大，鉍系的絲材開發(fā)最好，其中鉍系的2223相的材料是絲材的主要產(chǎn)品。鉈系各向異性居于前兩者之間，臨界溫度Tc高達(dá)130k，但是易揮發(fā)而且有毒，所以開發(fā)較少。汞系各向異性介于稀土類和鉍系之間，和鉈系臨界溫度相當(dāng)，也易揮發(fā)

4、而有毒，因此開發(fā)也很少。3、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素u交流損耗是一個(gè)影響高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用的重要因素交流損耗是一個(gè)影響高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用的重要因素繞制磁體所用的超導(dǎo)帶材自身的均勻性也是影響其臨界電流的一個(gè)重要因素，所以減小運(yùn)輸過程中的電流的損耗是一個(gè)必須要注意的問題。高溫超導(dǎo)磁體的臨界電流被定義成引發(fā)該磁體失超的最小電流，高溫超導(dǎo)磁體的自場比單根超導(dǎo)帶材的自場要大得多，磁體各個(gè)位置的磁場大小和方向各不相同，所以很難用理論的方法準(zhǔn)確計(jì)算磁體的臨界電流，所以對(duì)于高溫超導(dǎo)磁體而言，磁場是影響高溫超導(dǎo)的一個(gè)關(guān)鍵因素。3、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素u

5、磁場是影響高溫超導(dǎo)材料研究的一個(gè)重要因素磁場是影響高溫超導(dǎo)材料研究的一個(gè)重要因素趙忠賢院士小組與物理所表面實(shí)驗(yàn)室合作，研究了超導(dǎo)Pb薄膜的尺寸量子限制效應(yīng)對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和其他物性的調(diào)劑作用。這個(gè)結(jié)果說明，只要很好的控制與厚度相關(guān)的量子尺寸效應(yīng)，可以調(diào)制薄膜的超導(dǎo)性質(zhì)和其他物理性質(zhì)。3、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素u量子限制效應(yīng)對(duì)超導(dǎo)薄膜性質(zhì)的影響量子限制效應(yīng)對(duì)超導(dǎo)薄膜性質(zhì)的影響對(duì)MgB2、NbN等薄膜遠(yuǎn)紅外光學(xué)性質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)表面等離子的體現(xiàn)象和增強(qiáng)透射現(xiàn)象；用超導(dǎo)體做成的人造材料的增強(qiáng)透射譜隨著超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)而發(fā)生改變。這可能將為研究物質(zhì)的特性找到了一種新的研究方法

6、。3、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素、影響高溫超導(dǎo)材料研究的因素u薄膜表面等離子激元和增強(qiáng)透射效應(yīng)薄膜表面等離子激元和增強(qiáng)透射效應(yīng)4、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝l 脈沖激光沉積法脈沖激光沉積法1.脈沖激光沉積（Pulsed Laser Deposition，PLD），也被稱為脈沖激光燒蝕（pulsed laser ablation，PLA），是一種利用激光對(duì)物體進(jìn)行轟擊，然后將轟擊出來的物質(zhì)沉淀在不同的襯底上，得到沉淀或者薄膜的一種手段。2.PLD一般可以分為以下四個(gè)階段： 激光輻射與靶的相互作用 熔化物質(zhì)的動(dòng)態(tài) 熔化物質(zhì)在基片的沉積 薄膜在基片表面的成核（nucleation

7、）與生成 4、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝易獲得期望化學(xué)計(jì)量比的多組分薄膜，即具有良好的保成分性； 沉積速率高，試驗(yàn)周期短，襯底溫度要求低，制備的薄膜均勻； 工藝參數(shù)任意調(diào)節(jié)，對(duì)靶材的種類沒有限制； 發(fā)展?jié)摿薮螅哂袠O大的兼容性； 便于清潔處理，可以制備多種薄膜材料。PLDPLD特點(diǎn)：特點(diǎn)： 4、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝一種利用有機(jī)金屬熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長薄膜的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。該方法現(xiàn)在主要用于化合物半導(dǎo)體的氣相生長上。用該法制備薄膜時(shí)，作為含有化合物半導(dǎo)體元素的原料化合物，必須滿足常溫穩(wěn)定且易處理，在室溫附近有適當(dāng)?shù)恼魵鈮?，反?yīng)的副產(chǎn)物不應(yīng)妨

8、礙晶體生長，不應(yīng)污染生長層等條件。 該方法也存在一些缺點(diǎn)：難以進(jìn)行原位監(jiān)測生長過程，許多有機(jī)金屬化合物蒸氣有毒、易燃；反應(yīng)溫度低，因此有時(shí)在氣相中就發(fā)生反應(yīng)。l 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法（金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）4、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝、高溫超導(dǎo)材料的制備工藝 分子束外延是種物理沉積單晶薄膜方法。在超高真空腔內(nèi)，源材料通過高溫蒸發(fā)、輝光放電離子化、氣體裂解，電子束加熱蒸發(fā)等方法，產(chǎn)生分子束流。入射分子束與襯底交換能量后，經(jīng)表面吸附、遷移、成核、生長成膜。分子束外延是一種新的晶體生長技術(shù)，簡記為MBE。 分子束外延的優(yōu)點(diǎn)就是能夠制備超薄層的半導(dǎo)體材料；外延材料表面形貌好，而且面積

9、較大均勻性較好；可以制成不同摻雜劑或不同成份的多層結(jié)構(gòu)；外延生長的溫度較低，有利于提高外延層的純度和完整性；利用各種元素的粘附系數(shù)的差別，可制成化學(xué)配比較好的化合物半導(dǎo)體薄膜 l 分子束外延法（分子束外延法（MBE）5、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用在電力工程方面的應(yīng)用超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革。超導(dǎo)電磁動(dòng)力船，此實(shí)驗(yàn)船已在日本成功測試。動(dòng)用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以研制成磁懸浮列車

10、，車輛不受地面阻力的影響，可高速運(yùn)行，車速達(dá)500km/h以上，若讓超導(dǎo)磁懸浮列車在真空中運(yùn)行，車速可達(dá)1600 km/h，利用超導(dǎo)體制成無摩擦軸承，用于發(fā)射火箭，可將發(fā)射速度提高3倍以上。5、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景超導(dǎo)量子干涉儀用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)帷⑹?、各種礦藏的位置和儲(chǔ)量，并可用于地震預(yù)報(bào)。超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用 超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù)，可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等。核磁共振斷層掃描儀高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)

11、材料的應(yīng)用5、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景高溫超導(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，在能源、信息、交通、科學(xué)儀器、醫(yī)療技術(shù)、國防、重大科學(xué)工程等方面有著重要應(yīng)用。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)材料的三個(gè)臨界參數(shù)必須達(dá)到應(yīng)用要求的水平； 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。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)用必須達(dá)到的應(yīng)力應(yīng)變特性。同時(shí)，交流場合的應(yīng)用要求降低線材中

12、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)材料的性價(jià)比。高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用5、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景1、成本高2、臨界電流、臨界磁場提高困難3、制造長距離超導(dǎo)線材有難度4、加強(qiáng)了對(duì)新的超導(dǎo)體的探索：碳基（AxC60,18K）、MgB2（40K）、鐵基（LnOFePn，55K）等超導(dǎo)材料 高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用過程中的問題高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用過程中的問題5、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景節(jié)省大量資金緩解環(huán)境污染超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)電纜預(yù)預(yù) 測測低電力低能耗靈敏度度高釔鋇銅超導(dǎo)薄膜-應(yīng)

13、用于諧振器、濾波器、天線等有源器件商品化商品化低電力低能耗釔鋇銅超導(dǎo)超導(dǎo)塊材-用于磁懸浮、儲(chǔ)能飛輪等方面即即 將將實(shí)業(yè)化實(shí)業(yè)化預(yù)計(jì)在2050年左右會(huì)形成1800-2500億美元的超導(dǎo)市場，其中高溫超導(dǎo)占一半高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展前景高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展前景5、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景、高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景n 超導(dǎo)技術(shù)將成為 21 世紀(jì)的寵兒，而超導(dǎo)材料也將深入千家萬戶。超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和普及將會(huì)在世界能源方面發(fā)揮不朽的作用，將會(huì)為世界每年免去不必要的邊緣耗散。如果能用上超導(dǎo)材料，那每年消耗的能量將不可估量。如果這些能量被合理地利用起來對(duì)人類的發(fā)展不可謂不大，或者每年為這些能量的耗散而投入的不必要的資金，用于資助那些苦難的、急需救助的國家與人民，那意義不可謂不大。超導(dǎo)材料的普及必將是一場材料大革命，其意義并不會(huì)亞于其他科技革命