超導(dǎo)材料介紹課件

超導(dǎo)材料介紹超導(dǎo)材料介紹超導(dǎo)概述超導(dǎo)電性的基本特征超導(dǎo)材料的種類超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介超導(dǎo)概述超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介一、超導(dǎo)概述昂內(nèi)斯(中間白衣者)在他所創(chuàng)立的低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)昂內(nèi)斯(1853～1926)荷蘭低溫物理學(xué)家1908年成功地液化了氦氣，1911年發(fā)現(xiàn)了某些金屬在液氦溫度下電阻突然消失，即“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象，于1913年獲諾貝爾獎(jiǎng)。HgInSnPb4.15K3.4K3.7K7.2K氧氮氮90.2K77.3K4.2/1.7K一、超導(dǎo)概述昂內(nèi)斯(中間白衣者)在他昂內(nèi)斯(1853～1957年巴丁、庫(kù)珀和施里弗合作創(chuàng)建了超導(dǎo)微觀理論(BCS)，于1972年獲諾貝爾獎(jiǎng)。這一理論能對(duì)超導(dǎo)電性作出正確的解釋，并極大地促進(jìn)了超導(dǎo)電性和超導(dǎo)磁體的研究與應(yīng)用。1957年巴丁、庫(kù)珀和施里弗合作創(chuàng)建了超導(dǎo)微觀理論(BCS)約瑟夫森和賈埃弗的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于研制高性能的半導(dǎo)體和超導(dǎo)體元器件具有很高的應(yīng)用價(jià)值，并導(dǎo)致超導(dǎo)電子學(xué)的建立。約瑟夫森和賈埃弗的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于研制高性能的半導(dǎo)體和超導(dǎo)體元器件1986年繆勒和柏德諾茲發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧體系高溫超導(dǎo)化合物。于1987年獲得若貝爾獎(jiǎng)。這一研究成果導(dǎo)致了多種液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，并宣告了超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用時(shí)代即將到來(lái)。1986年繆勒和柏德諾茲發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧體系高溫超導(dǎo)化合物。于金茲伯格萊格特阿布里科索夫2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的阿力克謝·阿布里科索夫、俄國(guó)莫斯科萊伯多夫物理研究所的維塔利·金茲伯格和美國(guó)伊利諾斯大學(xué)教授安東尼·萊格特，以獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)诔瑢?dǎo)和超流理論方面的先驅(qū)性貢獻(xiàn)。金茲伯格萊格特吳茂昆朱經(jīng)武趙忠賢陳立泉釔鋇銅氧化合物,1987年2月，92K鍶鑭銅氧(1987年初，48.6K)、鋇鑭銅氧、釔鋇銅氧系材料，鉍系超導(dǎo)體吳茂昆朱經(jīng)武趙忠賢陳立泉釔鋇銅氧化合物,1987年2月，9二、超導(dǎo)電性的基本特征ZeroResistance - NoPowerLossMeissnerEffect - ActasMagnet

CriticalProperties - Tc,

Jc,Hc

JosephsonEffects - ElectronTunnelling二、超導(dǎo)電性的基本特征ZeroResistance - N1.零電阻效應(yīng)在特定的溫度下材料的電阻突然消失的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)（電）現(xiàn)象，發(fā)生這一現(xiàn)象的溫度叫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，也叫臨界溫度。材料失去電阻的狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)。具有超導(dǎo)態(tài)的材料稱為超導(dǎo)材料。零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的一個(gè)基本特征。不同導(dǎo)體的電阻-溫度曲線水銀的零電阻效應(yīng)1.零電阻效應(yīng)在特定的溫度下材料的電阻突然消失的現(xiàn)象稱為超2.邁斯納效應(yīng)處在超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，這一特征叫完全抗磁性，通常也叫做邁斯納效應(yīng)，是超導(dǎo)態(tài)的另一個(gè)基本特征。超導(dǎo)體排斥力使永久磁環(huán)懸浮2.邁斯納效應(yīng)處在超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)為什么會(huì)出現(xiàn)完全抗磁性呢？外磁場(chǎng)在試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)電流（b）。此電流所經(jīng)路徑電阻為零，故它所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)總是與外磁場(chǎng)大小相等，方向相反，因而使超導(dǎo)體內(nèi)的合成磁場(chǎng)為零。由于此感應(yīng)電流能將外磁場(chǎng)從超導(dǎo)體內(nèi)擠出（c），故稱磁抗感應(yīng)電流，又因其能起著屏蔽磁場(chǎng)的作用，又稱為屏蔽電流。超導(dǎo)態(tài)為什么會(huì)出現(xiàn)完全抗磁性呢？外磁場(chǎng)在試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)電流超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體的磁性質(zhì)的區(qū)別超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡現(xiàn)象，抗磁性可逆；理想導(dǎo)體的這種磁性質(zhì)與加場(chǎng)過(guò)程有關(guān)，不可逆。超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體的磁性質(zhì)的區(qū)別超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡現(xiàn)象，抗臨界溫度Tc臨界磁場(chǎng)Hc臨界電流密度Jc一些金屬超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)與溫度的關(guān)系維持超導(dǎo)狀態(tài)的必要條件3.超導(dǎo)體的臨界參數(shù)臨界溫度Tc一些金屬超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)與溫度的關(guān)系維持超導(dǎo)狀態(tài)的超導(dǎo)隧道結(jié)（約瑟夫森結(jié)）示意圖弱連接超導(dǎo)體：S-I-S兩超導(dǎo)體中間的絕緣（真空，正常）層也能讓超導(dǎo)電流通過(guò)的現(xiàn)象叫超導(dǎo)隧道效應(yīng)。4.超導(dǎo)隧道效應(yīng)超導(dǎo)隧道結(jié)（約瑟夫森結(jié)）示意圖弱連接超導(dǎo)體：S-I-S兩超導(dǎo)電阻（率）-溫度曲線，磁化率-溫度曲線，比熱容-溫度曲線物體是否為超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)判據(jù)電阻（率）-溫度曲線，磁化率-溫度曲線，比熱容-溫度曲線物體水銀的零電阻效應(yīng)MgB2的x-T曲線錫在正常態(tài)(N)和超導(dǎo)態(tài)(S)的比熱容

實(shí)例水銀的零電阻效應(yīng)MgB2的x-T曲線錫在正常態(tài)(N)和超導(dǎo)態(tài)兩類超導(dǎo)體主要是合金和陶瓷超導(dǎo)體。它存在有兩個(gè)確定的臨界磁場(chǎng)，即下臨界場(chǎng)Hc1和上臨界場(chǎng)Hc2。允許磁場(chǎng)通過(guò)。它們具有完全的邁斯納效應(yīng)（完全的抗磁性）。如果外部磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，就會(huì)破壞超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能。這類超導(dǎo)體只有兩個(gè)態(tài)，即低溫超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)。主要是金屬超導(dǎo)體。第一類（I型）超導(dǎo)體0TcTH

Hc超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)第二類（II型）超導(dǎo)體兩類超導(dǎo)體主要是合金和陶瓷超導(dǎo)體。它存在有兩個(gè)確定的臨界磁第二類超導(dǎo)體HTTcNHc2SMeissnerMixedHc1第二類超導(dǎo)體的相圖0,0==rB0,0=1rB第二類超導(dǎo)體HTTcNHc2SMeissnerMixedHcFluxpenetratesabovethelowercriticalfieldHc1Superconductivitysurvivesuptothe

uppercriticalfieldHc2TypeIIMostalloys,HTS,MgB2.混合態(tài)T<Tc0<H<Hc1T<TcHc1<H<Hc2Fluxpenetratesabovethelowe超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)1957年由巴?。˙ardeen）、庫(kù)珀（Cooper）和施里弗（Sehriffer）合作創(chuàng)建了超導(dǎo)微觀理論(BCS)。庫(kù)珀電子對(duì)庫(kù)珀電子對(duì)通過(guò)格波相互作用，其作用范圍為10-6～10-9m；每個(gè)庫(kù)珀電子對(duì)的總動(dòng)量相當(dāng)，這是零電阻產(chǎn)生的根源；材料變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，電子結(jié)為

庫(kù)珀對(duì)，能量降低2△，稱其為

超導(dǎo)體的能隙。超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)1957年由巴?。˙ardeen）、庫(kù)珀（超導(dǎo)體的能隙能隙隨溫度變化的曲線02D正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)費(fèi)米能正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)費(fèi)米能D2能量T＝0K,0K<T<Tc超導(dǎo)體的能隙能隙隨溫度變化的曲線02D正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)費(fèi)米能正三、超導(dǎo)材料的種類三、超導(dǎo)材料的種類周期表中的元素超導(dǎo)體大多數(shù)過(guò)渡元素和稀土元素都具有超導(dǎo)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(dǎo)電性。元素超導(dǎo)體中，鈮具有最高臨界轉(zhuǎn)化溫度(9.2K)；只有釩、鈮和鉭屬于第二類，其他元素均屬第一類;

大多數(shù)超導(dǎo)合金和化合物則屬于第二類。周期表中的元素超導(dǎo)體大多數(shù)過(guò)渡元素和稀土元素都具有超導(dǎo)性；堿科學(xué)家2002年發(fā)現(xiàn)以钚為基礎(chǔ)的新的超導(dǎo)體族美國(guó)能源部洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、佛羅里達(dá)大學(xué)和德國(guó)鈾后元素研究所，以約翰·爾拉奧博士為首的科學(xué)家小組首次發(fā)現(xiàn)钚的超導(dǎo)效應(yīng)，證實(shí)钚、鈷和鎵的合金在溫度為18.5K時(shí)會(huì)變成超導(dǎo)體?？茖W(xué)家2002年發(fā)現(xiàn)以钚為基礎(chǔ)的新的超導(dǎo)體族美國(guó)能源部洛斯合金超導(dǎo)體組成元素都具有超導(dǎo)性合金Nb3SnNbTiV3GaNb3GeTc(K)18.19.516.523.2組成元素只有一種是超導(dǎo)元素或都不具有超導(dǎo)性合金La2C3C8KMgB2Tc(K)5.9~11.09.539合金超導(dǎo)體組成元素都具有超導(dǎo)性合金Nb3SnNbTiV3Ga化合物超導(dǎo)體化合物超導(dǎo)體從應(yīng)用角度對(duì)超導(dǎo)材料分類強(qiáng)磁場(chǎng)（電）超導(dǎo)材料超導(dǎo)電子材料（弱電）高溫超導(dǎo)材料鑭、釔、鉍、鉈等系列氧化物陶瓷及一些長(zhǎng)鏈或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)物鈮鈦（NbTi）合金，Nb3Sn等金屬間化合物銅穩(wěn)定化多芯扭絞超導(dǎo)線材Nb3Sn的截面1234Tc=18.2K超導(dǎo)微波器件（YBCO高溫超導(dǎo)薄膜）超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）從應(yīng)用角度對(duì)超導(dǎo)材料分類強(qiáng)磁場(chǎng)（電）超導(dǎo)材料超導(dǎo)電子材料（弱（1）稀土214家族?；瘜W(xué)通式一般寫為(R,Ba)2CuO4-x，R表示某一種稀土元素。至少有十種稀土元素可以用來(lái)合成這個(gè)家族的超導(dǎo)態(tài)。這個(gè)化學(xué)分子式中含兩個(gè)（R，Ba）類原子，一個(gè)Cu原子，4個(gè)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(jià)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(gè)家族的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為36K。

目前已被發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體——銅基氧化物超導(dǎo)體分為五大家族（2）稀土123家族?；瘜W(xué)通式為RBa2Cu3O7-x，R同樣表示某個(gè)稀土元素。至少有13種稀土元素可以用來(lái)合成這個(gè)家族的超導(dǎo)體。因?yàn)檫@個(gè)家族的分子式中金屬元素的個(gè)數(shù)分別為1，2和3，所以人們把這三種家族稱為123超導(dǎo)體家族。因?yàn)樵氐脑龆?，人們?xí)慣上不再把氧原子寫出來(lái)表示這個(gè)家族。由于這個(gè)家族被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為90K左右。

（1）稀土214家族?；瘜W(xué)通式一般寫為(R,Ba)2CuO鉍超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2,3。也就是說(shuō)這個(gè)家族有兩個(gè)成員，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。習(xí)慣上稱為鉍2212相和鉍2223相。鉍2212相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為85K，鉍2223相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為110K。在鉍2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超導(dǎo)性能會(huì)得到改善。（3）鉍超導(dǎo)家族鉍超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為Bi2Sr2Can-1CunO2n+4鉈超導(dǎo)家族是高溫超導(dǎo)體中最大的家族。又可分為兩個(gè)分族。第一個(gè)分族的分子通式為Tl2Ba2Can-1CunO2n+4，n=1,2,3…。這個(gè)家族有三個(gè)主要成員，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為125K。因這一分族的每個(gè)成員的分子式里都含有兩個(gè)Tl原子，在晶體結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)兩個(gè)鉈原子層，所以人們又把這個(gè)分族叫做鉈雙層分族。

另一個(gè)分族的化學(xué)分子通式為Tl(Ba,Sr)2Can-1CunO2n+3，n=1,2,3。這個(gè)通式中的(Ba,Sr)表示這個(gè)位置可以是Ba也可以是Sr。當(dāng)這個(gè)位置的原子是Sr時(shí)，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(dá)15種之多。這個(gè)家族的主要成員在晶體結(jié)構(gòu)上有三個(gè)，即1201相，1212相和1223相。因?yàn)槊總€(gè)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(gè)相在化學(xué)組成上就分成了TlBa2CuO5,TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7；TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O96個(gè)成員。而每個(gè)含Sr的成員的Ca又可以被稀土元素取代。所以這個(gè)分族有成員幾十個(gè)。因這個(gè)分族每一個(gè)分子中只含一個(gè)鉈原子，即在晶格中只有一層鉈原子，所以人們又常把這個(gè)分族稱為鉈單層分族。鉈單層分族的1201相、1212相和1223相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為45K，95K和120K。

（4）鉈超導(dǎo)家族鉈超導(dǎo)家族是高溫超導(dǎo)體中最大的家族。又可分為兩個(gè)分族。另一個(gè)汞超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為HgBa2Can-1CunO2n+2+x，n=1,2,3…。因這個(gè)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(biāo)上有"+x"。這個(gè)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(gè)相的轉(zhuǎn)變溫度分別為85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的在常壓下最高的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度。高溫超導(dǎo)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(dǎo)材料。（5）汞超導(dǎo)家族汞超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為HgBa2Can-1CunO2n+2+超導(dǎo)材料介紹課件

高溫超導(dǎo)線材的制備工藝

高溫超導(dǎo)線材的制備工藝Nature2001,410,63-64MgB2Nature2001,410,63-64MgB2超導(dǎo)材料介紹課件超導(dǎo)材料介紹課件MgB2的結(jié)構(gòu)FromO.JepsenasappearedinCanfieldet.al.PhysicsToday,March2003,p.34HexagonalAlB2typestructure(P6/mmm)AlternatinglayersofhexagonalMgandhoneycombBMgB2的結(jié)構(gòu)FromO.JepsenasappeaFermiSurface2DBondingpx,py()3DBondingpz()3DAntibondingpz()(quasi)2Dcylindersderivedfromsorbitals3Dsheetsfromporbitalstwosuperconductinggaps:6.8meV,1.8meVFermiSurface2DBondingpx,pyMgB2的性質(zhì)MgB2的性質(zhì)沸石晶體內(nèi)的超導(dǎo)納米碳管王寧博士(左）用電鏡觀察納米碳管，旁為湯子康博士。電鏡下的納米碳管N.Wang,Z.K.Tang,G.D.Li,J.S.Chen,Nature2000,408,50Science,2001,292,2462Tc=15K沸石晶體內(nèi)的超導(dǎo)納米碳管王寧博士(左）用電鏡觀察納米碳管，旁用超導(dǎo)材料作成磁性極強(qiáng)的超導(dǎo)磁鐵，用于核聚變研究和制造大容量?jī)?chǔ)能裝置、高速加速器、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)列車，以解決人類的能源和交通問(wèn)題；用超導(dǎo)材料薄片制作約瑟夫遜器件，用于制造高速電子計(jì)算機(jī)和靈敏度極高的電磁探測(cè)設(shè)備；用超導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)研究生物體內(nèi)的結(jié)構(gòu)及用于對(duì)人的各種復(fù)雜疾病的治療。從目前的研究情況來(lái)看，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用可分成三類：四、超導(dǎo)材料的應(yīng)用用超導(dǎo)材料作成磁性極強(qiáng)的超導(dǎo)磁鐵，用于核聚變研究和制造大容量1.磁懸浮列車中德總理乘坐上海磁浮列車上海磁浮列車1.磁懸浮列車中德總理乘坐上海磁浮列車上海磁浮列車日本超導(dǎo)磁懸浮列車MAGLEV超導(dǎo)磁懸浮列車導(dǎo)軌超導(dǎo)型磁懸浮列車也稱超導(dǎo)磁斥型(MagneticallyLevitatedTrains)日本超導(dǎo)磁懸浮列車MAGLEV超導(dǎo)磁懸浮列車導(dǎo)軌超導(dǎo)型磁懸浮磁懸浮列車結(jié)構(gòu)模型磁懸浮列車結(jié)構(gòu)模型

電磁懸浮系統(tǒng)（ElectroMagneticSystem）:依靠在機(jī)車上的電磁鐵和導(dǎo)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(yīng)用于德國(guó)常導(dǎo)磁懸浮列車系列.(左圖)電力懸浮系統(tǒng)（ElectroDynamicSystem）:將磁鐵使用在運(yùn)動(dòng)的機(jī)車上以在導(dǎo)軌上產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而產(chǎn)生電磁斥力以支撐和導(dǎo)向列車.屬斥力懸浮系統(tǒng),并主要應(yīng)用于日本超導(dǎo)磁懸浮列車系列.(右圖)磁懸浮系統(tǒng)類型磁懸浮系統(tǒng)類型2005年5月14日，由西南交通大學(xué)研制的世界第一臺(tái)高溫超導(dǎo)磁懸浮列車首次公開亮相成都市首屆科技節(jié)。2005年5月14日，由西南交通大學(xué)研制的世界第一臺(tái)高溫超導(dǎo)2.超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬(wàn)高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng)，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等。2.超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。超導(dǎo)磁鐵應(yīng)用于國(guó)際空間站阿爾法磁譜儀

(AMS-02)：尋找反物質(zhì)、尋找暗物質(zhì)和測(cè)量宇宙射線

超導(dǎo)磁鐵應(yīng)用于國(guó)際空間站阿爾法磁譜儀

(AMS-02)：尋找3.高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器超導(dǎo)回旋加速器等離子源CEBAF的電子質(zhì)譜儀3.高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器超導(dǎo)回旋加速器等離子源CE超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)以C-5A飛機(jī)運(yùn)往莫斯科4.超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)以C-5A飛機(jī)運(yùn)往莫斯科4.超導(dǎo)磁流體發(fā)電5.超導(dǎo)計(jì)算機(jī)5.超導(dǎo)計(jì)算機(jī)6.超導(dǎo)量子干涉儀利用超導(dǎo)量子干涉元件（SQUID）結(jié)合電子、機(jī)械、低溫、真空等技術(shù)來(lái)測(cè)量磁化率的精密儀器。6.超導(dǎo)量子干涉儀利用超導(dǎo)量子干涉元件（SQUID）結(jié)合電7.超導(dǎo)濾波器7.超導(dǎo)濾波器8.離子回旋共振超導(dǎo)質(zhì)譜儀8.離子回旋共振超導(dǎo)質(zhì)譜儀9、電力應(yīng)用高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)使得超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步延伸到電力工業(yè)中，也使人們期待那些過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的電力裝備能夠由于超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用而得到解決。超導(dǎo)技術(shù)在電力中的應(yīng)用主要包括：超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置和超導(dǎo)電機(jī)等。9、電力應(yīng)用10、育種

農(nóng)作物種子由于其富含蛋白質(zhì)和有機(jī)酶，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，能夠影響種子的萌發(fā)、苗期生長(zhǎng)、作物產(chǎn)量和品質(zhì)、遺傳特性等。一般而言，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)作用時(shí)間對(duì)農(nóng)作物種子的影響比較大，其作用機(jī)制是：磁場(chǎng)→基因→酶→代謝→結(jié)構(gòu)與功能。實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)作用的農(nóng)作物種子，其最終產(chǎn)量將能夠提高5-10%。10、育種掃雷11.其它應(yīng)用超導(dǎo)電磁炮超導(dǎo)芯片超導(dǎo)飛船醫(yī)用MRI掃雷11.其它應(yīng)用超導(dǎo)電磁炮超導(dǎo)芯片超導(dǎo)飛船醫(yī)用MRI超導(dǎo)材料介紹超導(dǎo)材料介紹超導(dǎo)概述超導(dǎo)電性的基本特征超導(dǎo)材料的種類超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介超導(dǎo)概述超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介一、超導(dǎo)概述昂內(nèi)斯(中間白衣者)在他所創(chuàng)立的低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)昂內(nèi)斯(1853～1926)荷蘭低溫物理學(xué)家1908年成功地液化了氦氣，1911年發(fā)現(xiàn)了某些金屬在液氦溫度下電阻突然消失，即“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象，于1913年獲諾貝爾獎(jiǎng)。HgInSnPb4.15K3.4K3.7K7.2K氧氮氮90.2K77.3K4.2/1.7K一、超導(dǎo)概述昂內(nèi)斯(中間白衣者)在他昂內(nèi)斯(1853～1957年巴丁、庫(kù)珀和施里弗合作創(chuàng)建了超導(dǎo)微觀理論(BCS)，于1972年獲諾貝爾獎(jiǎng)。這一理論能對(duì)超導(dǎo)電性作出正確的解釋，并極大地促進(jìn)了超導(dǎo)電性和超導(dǎo)磁體的研究與應(yīng)用。1957年巴丁、庫(kù)珀和施里弗合作創(chuàng)建了超導(dǎo)微觀理論(BCS)約瑟夫森和賈埃弗的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于研制高性能的半導(dǎo)體和超導(dǎo)體元器件具有很高的應(yīng)用價(jià)值，并導(dǎo)致超導(dǎo)電子學(xué)的建立。約瑟夫森和賈埃弗的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于研制高性能的半導(dǎo)體和超導(dǎo)體元器件1986年繆勒和柏德諾茲發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧體系高溫超導(dǎo)化合物。于1987年獲得若貝爾獎(jiǎng)。這一研究成果導(dǎo)致了多種液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，并宣告了超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用時(shí)代即將到來(lái)。1986年繆勒和柏德諾茲發(fā)現(xiàn)了鋇鑭銅氧體系高溫超導(dǎo)化合物。于金茲伯格萊格特阿布里科索夫2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的阿力克謝·阿布里科索夫、俄國(guó)莫斯科萊伯多夫物理研究所的維塔利·金茲伯格和美國(guó)伊利諾斯大學(xué)教授安東尼·萊格特，以獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)诔瑢?dǎo)和超流理論方面的先驅(qū)性貢獻(xiàn)。金茲伯格萊格特吳茂昆朱經(jīng)武趙忠賢陳立泉釔鋇銅氧化合物,1987年2月，92K鍶鑭銅氧(1987年初，48.6K)、鋇鑭銅氧、釔鋇銅氧系材料，鉍系超導(dǎo)體吳茂昆朱經(jīng)武趙忠賢陳立泉釔鋇銅氧化合物,1987年2月，9二、超導(dǎo)電性的基本特征ZeroResistance - NoPowerLossMeissnerEffect - ActasMagnet

CriticalProperties - Tc,

Jc,Hc

JosephsonEffects - ElectronTunnelling二、超導(dǎo)電性的基本特征ZeroResistance - N1.零電阻效應(yīng)在特定的溫度下材料的電阻突然消失的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)（電）現(xiàn)象，發(fā)生這一現(xiàn)象的溫度叫超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，也叫臨界溫度。材料失去電阻的狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)。具有超導(dǎo)態(tài)的材料稱為超導(dǎo)材料。零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的一個(gè)基本特征。不同導(dǎo)體的電阻-溫度曲線水銀的零電阻效應(yīng)1.零電阻效應(yīng)在特定的溫度下材料的電阻突然消失的現(xiàn)象稱為超2.邁斯納效應(yīng)處在超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，這一特征叫完全抗磁性，通常也叫做邁斯納效應(yīng)，是超導(dǎo)態(tài)的另一個(gè)基本特征。超導(dǎo)體排斥力使永久磁環(huán)懸浮2.邁斯納效應(yīng)處在超導(dǎo)態(tài)的物體完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)為什么會(huì)出現(xiàn)完全抗磁性呢？外磁場(chǎng)在試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)電流（b）。此電流所經(jīng)路徑電阻為零，故它所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)總是與外磁場(chǎng)大小相等，方向相反，因而使超導(dǎo)體內(nèi)的合成磁場(chǎng)為零。由于此感應(yīng)電流能將外磁場(chǎng)從超導(dǎo)體內(nèi)擠出（c），故稱磁抗感應(yīng)電流，又因其能起著屏蔽磁場(chǎng)的作用，又稱為屏蔽電流。超導(dǎo)態(tài)為什么會(huì)出現(xiàn)完全抗磁性呢？外磁場(chǎng)在試樣表面產(chǎn)生感應(yīng)電流超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體的磁性質(zhì)的區(qū)別超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡現(xiàn)象，抗磁性可逆；理想導(dǎo)體的這種磁性質(zhì)與加場(chǎng)過(guò)程有關(guān)，不可逆。超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體的磁性質(zhì)的區(qū)別超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡現(xiàn)象，抗臨界溫度Tc臨界磁場(chǎng)Hc臨界電流密度Jc一些金屬超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)與溫度的關(guān)系維持超導(dǎo)狀態(tài)的必要條件3.超導(dǎo)體的臨界參數(shù)臨界溫度Tc一些金屬超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)與溫度的關(guān)系維持超導(dǎo)狀態(tài)的超導(dǎo)隧道結(jié)（約瑟夫森結(jié)）示意圖弱連接超導(dǎo)體：S-I-S兩超導(dǎo)體中間的絕緣（真空，正常）層也能讓超導(dǎo)電流通過(guò)的現(xiàn)象叫超導(dǎo)隧道效應(yīng)。4.超導(dǎo)隧道效應(yīng)超導(dǎo)隧道結(jié)（約瑟夫森結(jié)）示意圖弱連接超導(dǎo)體：S-I-S兩超導(dǎo)電阻（率）-溫度曲線，磁化率-溫度曲線，比熱容-溫度曲線物體是否為超導(dǎo)體的實(shí)驗(yàn)判據(jù)電阻（率）-溫度曲線，磁化率-溫度曲線，比熱容-溫度曲線物體水銀的零電阻效應(yīng)MgB2的x-T曲線錫在正常態(tài)(N)和超導(dǎo)態(tài)(S)的比熱容

實(shí)例水銀的零電阻效應(yīng)MgB2的x-T曲線錫在正常態(tài)(N)和超導(dǎo)態(tài)兩類超導(dǎo)體主要是合金和陶瓷超導(dǎo)體。它存在有兩個(gè)確定的臨界磁場(chǎng)，即下臨界場(chǎng)Hc1和上臨界場(chǎng)Hc2。允許磁場(chǎng)通過(guò)。它們具有完全的邁斯納效應(yīng)（完全的抗磁性）。如果外部磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，就會(huì)破壞超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能。這類超導(dǎo)體只有兩個(gè)態(tài)，即低溫超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)。主要是金屬超導(dǎo)體。第一類（I型）超導(dǎo)體0TcTH

Hc超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)第二類（II型）超導(dǎo)體兩類超導(dǎo)體主要是合金和陶瓷超導(dǎo)體。它存在有兩個(gè)確定的臨界磁第二類超導(dǎo)體HTTcNHc2SMeissnerMixedHc1第二類超導(dǎo)體的相圖0,0==rB0,0=1rB第二類超導(dǎo)體HTTcNHc2SMeissnerMixedHcFluxpenetratesabovethelowercriticalfieldHc1Superconductivitysurvivesuptothe

uppercriticalfieldHc2TypeIIMostalloys,HTS,MgB2.混合態(tài)T<Tc0<H<Hc1T<TcHc1<H<Hc2Fluxpenetratesabovethelowe超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)1957年由巴?。˙ardeen）、庫(kù)珀（Cooper）和施里弗（Sehriffer）合作創(chuàng)建了超導(dǎo)微觀理論(BCS)。庫(kù)珀電子對(duì)庫(kù)珀電子對(duì)通過(guò)格波相互作用，其作用范圍為10-6～10-9m；每個(gè)庫(kù)珀電子對(duì)的總動(dòng)量相當(dāng)，這是零電阻產(chǎn)生的根源；材料變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，電子結(jié)為

庫(kù)珀對(duì)，能量降低2△，稱其為

超導(dǎo)體的能隙。超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)1957年由巴丁（Bardeen）、庫(kù)珀（超導(dǎo)體的能隙能隙隨溫度變化的曲線02D正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)費(fèi)米能正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)費(fèi)米能D2能量T＝0K,0K<T<Tc超導(dǎo)體的能隙能隙隨溫度變化的曲線02D正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)費(fèi)米能正三、超導(dǎo)材料的種類三、超導(dǎo)材料的種類周期表中的元素超導(dǎo)體大多數(shù)過(guò)渡元素和稀土元素都具有超導(dǎo)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(dǎo)電性。元素超導(dǎo)體中，鈮具有最高臨界轉(zhuǎn)化溫度(9.2K)；只有釩、鈮和鉭屬于第二類，其他元素均屬第一類;

大多數(shù)超導(dǎo)合金和化合物則屬于第二類。周期表中的元素超導(dǎo)體大多數(shù)過(guò)渡元素和稀土元素都具有超導(dǎo)性；堿科學(xué)家2002年發(fā)現(xiàn)以钚為基礎(chǔ)的新的超導(dǎo)體族美國(guó)能源部洛斯阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、佛羅里達(dá)大學(xué)和德國(guó)鈾后元素研究所，以約翰·爾拉奧博士為首的科學(xué)家小組首次發(fā)現(xiàn)钚的超導(dǎo)效應(yīng)，證實(shí)钚、鈷和鎵的合金在溫度為18.5K時(shí)會(huì)變成超導(dǎo)體。科學(xué)家2002年發(fā)現(xiàn)以钚為基礎(chǔ)的新的超導(dǎo)體族美國(guó)能源部洛斯合金超導(dǎo)體組成元素都具有超導(dǎo)性合金Nb3SnNbTiV3GaNb3GeTc(K)18.19.516.523.2組成元素只有一種是超導(dǎo)元素或都不具有超導(dǎo)性合金La2C3C8KMgB2Tc(K)5.9~11.09.539合金超導(dǎo)體組成元素都具有超導(dǎo)性合金Nb3SnNbTiV3Ga化合物超導(dǎo)體化合物超導(dǎo)體從應(yīng)用角度對(duì)超導(dǎo)材料分類強(qiáng)磁場(chǎng)（電）超導(dǎo)材料超導(dǎo)電子材料（弱電）高溫超導(dǎo)材料鑭、釔、鉍、鉈等系列氧化物陶瓷及一些長(zhǎng)鏈或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)物鈮鈦（NbTi）合金，Nb3Sn等金屬間化合物銅穩(wěn)定化多芯扭絞超導(dǎo)線材Nb3Sn的截面1234Tc=18.2K超導(dǎo)微波器件（YBCO高溫超導(dǎo)薄膜）超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）從應(yīng)用角度對(duì)超導(dǎo)材料分類強(qiáng)磁場(chǎng)（電）超導(dǎo)材料超導(dǎo)電子材料（弱（1）稀土214家族。化學(xué)通式一般寫為(R,Ba)2CuO4-x，R表示某一種稀土元素。至少有十種稀土元素可以用來(lái)合成這個(gè)家族的超導(dǎo)態(tài)。這個(gè)化學(xué)分子式中含兩個(gè)（R，Ba）類原子，一個(gè)Cu原子，4個(gè)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(jià)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(gè)家族的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為36K。

目前已被發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體——銅基氧化物超導(dǎo)體分為五大家族（2）稀土123家族?；瘜W(xué)通式為RBa2Cu3O7-x，R同樣表示某個(gè)稀土元素。至少有13種稀土元素可以用來(lái)合成這個(gè)家族的超導(dǎo)體。因?yàn)檫@個(gè)家族的分子式中金屬元素的個(gè)數(shù)分別為1，2和3，所以人們把這三種家族稱為123超導(dǎo)體家族。因?yàn)樵氐脑龆?，人們?xí)慣上不再把氧原子寫出來(lái)表示這個(gè)家族。由于這個(gè)家族被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)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(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為90K左右。

（1）稀土214家族?；瘜W(xué)通式一般寫為(R,Ba)2CuO鉍超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2,3。也就是說(shuō)這個(gè)家族有兩個(gè)成員，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。習(xí)慣上稱為鉍2212相和鉍2223相。鉍2212相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為85K，鉍2223相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為110K。在鉍2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超導(dǎo)性能會(huì)得到改善。（3）鉍超導(dǎo)家族鉍超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為Bi2Sr2Can-1CunO2n+4鉈超導(dǎo)家族是高溫超導(dǎo)體中最大的家族。又可分為兩個(gè)分族。第一個(gè)分族的分子通式為Tl2Ba2Can-1CunO2n+4，n=1,2,3…。這個(gè)家族有三個(gè)主要成員，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為125K。因這一分族的每個(gè)成員的分子式里都含有兩個(gè)Tl原子，在晶體結(jié)構(gòu)上對(duì)應(yīng)兩個(gè)鉈原子層，所以人們又把這個(gè)分族叫做鉈雙層分族。

另一個(gè)分族的化學(xué)分子通式為Tl(Ba,Sr)2Can-1CunO2n+3，n=1,2,3。這個(gè)通式中的(Ba,Sr)表示這個(gè)位置可以是Ba也可以是Sr。當(dāng)這個(gè)位置的原子是Sr時(shí)，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(dá)15種之多。這個(gè)家族的主要成員在晶體結(jié)構(gòu)上有三個(gè)，即1201相，1212相和1223相。因?yàn)槊總€(gè)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(gè)相在化學(xué)組成上就分成了TlBa2CuO5,TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7；TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O96個(gè)成員。而每個(gè)含Sr的成員的Ca又可以被稀土元素取代。所以這個(gè)分族有成員幾十個(gè)。因這個(gè)分族每一個(gè)分子中只含一個(gè)鉈原子，即在晶格中只有一層鉈原子，所以人們又常把這個(gè)分族稱為鉈單層分族。鉈單層分族的1201相、1212相和1223相的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為45K，95K和120K。

（4）鉈超導(dǎo)家族鉈超導(dǎo)家族是高溫超導(dǎo)體中最大的家族。又可分為兩個(gè)分族。另一個(gè)汞超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為HgBa2Can-1CunO2n+2+x，n=1,2,3…。因這個(gè)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(biāo)上有"+x"。這個(gè)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(gè)相的轉(zhuǎn)變溫度分別為85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今為止所發(fā)現(xiàn)的在常壓下最高的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度。高溫超導(dǎo)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(dǎo)材料。（5）汞超導(dǎo)家族汞超導(dǎo)家族的化學(xué)通式為HgBa2Can-1CunO2n+2+超導(dǎo)材料介紹課件

高溫超導(dǎo)線材的制備工藝

高溫超導(dǎo)線材的制備工藝Nature2001,410,63-64MgB2Nature2001,410,63-64MgB2超導(dǎo)材料介紹課件超導(dǎo)材料介紹課件MgB2的結(jié)構(gòu)FromO.JepsenasappearedinCanfieldet.al.PhysicsToday,March2003,p.34HexagonalAlB2typestructure(P6/mmm)AlternatinglayersofhexagonalMgandhoneycombBMgB2的結(jié)構(gòu)FromO.JepsenasappeaFermiSurface2DBondingpx,py()3DBondingpz()3DAntibondingpz()(quasi)2Dcylindersderivedfromsorbitals3Dsheetsfromporbitalstwosuperconductinggaps:6.8meV,1.8meVFermiSurface2DBondingpx,pyMgB2的性質(zhì)MgB2的性質(zhì)沸石晶體內(nèi)的超導(dǎo)納米碳管王寧博士(左）用電鏡觀察納米碳管，旁為湯子康博士。電鏡下的納米碳管N.Wang,Z.K.Tang,G.D.Li,J.S.Chen,Nature2000,408,50Science,2001,292,2462Tc=15K沸石晶體內(nèi)的超導(dǎo)納米碳管王寧博士(左）用電鏡觀察納米碳管，旁用超導(dǎo)材料作成磁性極強(qiáng)的超導(dǎo)磁鐵，用于核聚變研究和制造大容量?jī)?chǔ)能裝置、高速加速器、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)