演示文稿超導(dǎo)材料講解

（優(yōu)選）第三章超導(dǎo)材料當前第1頁\共有51頁\編于星期二\11點當前第2頁\共有51頁\編于星期二\11點3-1超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)荷蘭物理學家KammerlinghOnnes（1853-1926）1895：空氣被液化-192℃（81K）1898：氫氣被液化-253℃（20K）1908：氦氣被液化-268.9℃（4.25K）“絕對零度先生”極低溫下電阻的可能變化當前第3頁\共有51頁\編于星期二\11點“Mercuryhaspassedintoanewstate，whichonaccountofitsextraordinaryelectricalpropertiesmaybecalledthesuperconductivestate.”水銀電阻隨溫度的變化Hg在4.2K時，電阻完全消失！當前第4頁\共有51頁\編于星期二\11點超導(dǎo)電性：低溫下失去電阻的性質(zhì)；超導(dǎo)體：具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)。臨界溫度（Tc）：電阻消失時的溫度，即從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時的溫度；超導(dǎo)態(tài)：超導(dǎo)體在超低溫下電阻為零的狀態(tài)；正常態(tài)：當溫度較高，電阻不為零的狀態(tài)。幾個概念：當前第5頁\共有51頁\編于星期二\11點1986年：

LaBaCuO（銅氧化物超導(dǎo)體）；

Tc達35K；3-2超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史超導(dǎo)體發(fā)展簡史液氫溫度（20K）液氮溫度（77K）1987年：

YBaCuO；

Tc為92K，進入液氮溫區(qū)；1993年：

HgBaCaCuO；

Tc為135K（高壓下163K）；當前第6頁\共有51頁\編于星期二\11點

鐵基超導(dǎo)體

LaO1-xFxFeAs：26K；SmO1-xFxFeAs：43K；PrO1-xFxFeAs：52K

新型超導(dǎo)體1.電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物：最高Tc為12.5K；

有機超導(dǎo)體？MgB240K2.摻雜C60：鉀摻雜—18K；銣摻雜—28K；銫銣摻雜—33K；氯仿和溴仿結(jié)合C60—117K；4.摻雜了鉀和銣的菲：5K3.氧化聚丙烯：300K—700K；當前第7頁\共有51頁\編于星期二\11點3-3超導(dǎo)體的兩個基本電磁特性電流在超導(dǎo)體中一旦形成，便能經(jīng)久不衰的持續(xù)下去，而無需電場的作用。Perfectconductor電阻溫度：起始轉(zhuǎn)變溫度：中點溫度：零電阻溫度零電阻效應(yīng)當前第8頁\共有51頁\編于星期二\11點2.完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）

當超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，若周圍存在著磁場H，在超導(dǎo)體表面會感生出屏蔽電流，從而產(chǎn)生一個恰好能抵消外磁場的附加磁場，使外磁場完全不能進入超導(dǎo)體內(nèi)部，這種完全抗磁性又稱邁斯納效應(yīng)。H

Has

邁斯納效應(yīng)和零電阻現(xiàn)象是實驗上判定一個材料是否為超導(dǎo)體的兩大要素。B=0

超導(dǎo)體的定義：具有在一定的低溫下呈現(xiàn)出電阻等于零及排斥磁力線性質(zhì)的材料。當前第9頁\共有51頁\編于星期二\11點2.1穿透深度B0穿透深度約為10-5~10-6cm。

在外磁場中的超導(dǎo)體，從體外到超導(dǎo)體內(nèi)，磁感應(yīng)強度不會突然降為零，而是

逐漸減小為零：XOB

磁場強度降為B0/e處距離超導(dǎo)體表面距離，稱為穿透深度，通常用表示；在X

>

區(qū)間：認為磁感應(yīng)強度衰減到零；在0<X

<

區(qū)域，磁場可以穿透；當前第10頁\共有51頁\編于星期二\11點

由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，在X>

區(qū)域，磁力線不能穿過，因此電流不能由超導(dǎo)體內(nèi)通過，只能在表面穿透深度的范圍內(nèi)流動；

對于塊材：穿透深度遠小于樣品的尺寸，可以忽略磁通的穿透，看成是完全抗磁性的；

穿透深度又定義為：超導(dǎo)體中電流流動的表面層厚度。

對于粉末或者薄膜：磁通量的穿透變得非常重要，樣品內(nèi)有明顯的磁通密度分布，需要單獨進行研究。元素InSaHgPbTlCdAl0

（cm10-6

）6.45.13.8-4.63.99.213.05.0當前第11頁\共有51頁\編于星期二\11點1）穿透深度緊密的依賴于溫度的變化：Sn的穿透深度隨溫度的變化

影響穿透深度的因素溫度遠低于Tc：幾乎與溫度無關(guān)，不同材料具有不用0值；溫度高于0.8Tc：穿透深度迅速增加；溫度接近Tc：穿透深度趨于無窮大。當前第12頁\共有51頁\編于星期二\11點穿透深度隨溫度T的變化，常用如下的經(jīng)驗公式：0：材料在絕對零度時的穿透深度；t：溫度T與臨界溫度Tc的比值，即。2）穿透深度還與材料的純度及外加磁場有關(guān)：超導(dǎo)體的非局域理論。當前第13頁\共有51頁\編于星期二\11點磁懸浮NS2.2邁斯納效應(yīng)的應(yīng)用省能源、低噪音、高時速；1999年，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車時速已達552公里，創(chuàng)世界鐵路時速最高記錄。當前第14頁\共有51頁\編于星期二\11點1.臨界溫度Tc3-4超導(dǎo)的三個臨界條件

超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，超導(dǎo)體最重要的參數(shù)之一，提高Tc是超導(dǎo)研究最主要的目標；常用的超導(dǎo)體Tc的測量方法：

1）測量電阻（R）隨溫度（T）的變化：R-T曲線；

2）測量磁化率（x）隨溫度（T）的變化：x-T曲線；

加壓可以提高超導(dǎo)體的臨界溫度：HgBaCaCuO的Tc為135K，加壓后變?yōu)?63K。零電阻效應(yīng)邁斯納效應(yīng)當前第15頁\共有51頁\編于星期二\11點2.臨界磁場強度Hc

在小于Tc的一定溫度下，外加磁場強度大于某一特定值Hc時，超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Hc被稱為臨界磁場強度。

臨界磁場是溫度的函數(shù)，記為Hc（T）

；不同的超導(dǎo)體，它們的Hc（T）曲線盡管有差異，但都非常相似：T=0K：Hc最大；T=Tc：Hc=0;0<T<Tc：Hc（T）隨溫度升高而減小。當前第16頁\共有51頁\編于星期二\11點Hc(0)：0K時的臨界磁場，超導(dǎo)體任何溫度下的臨界磁場可以由Hc(0)和Tc確定。Hc（T）曲線都可以近似的表示為：

（1特斯拉=104奧斯特)元素PbInAlZnCdHc(0),(Oe)803293995230當前第17頁\共有51頁\編于星期二\11點

超導(dǎo)體的相圖

臨界溫度Tc和臨界磁場Hc是超導(dǎo)體的本征參數(shù)，只跟材料的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)當前第18頁\共有51頁\編于星期二\11點

超導(dǎo)體分為兩類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）：只有一個臨界磁場Hc，除鈮、釩、锝以外的元素超導(dǎo)體，主要用于固體物理和超導(dǎo)理論研究。第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體）：存在兩個臨界磁場，下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2，

鈮、釩、锝及合金、化合物和高溫超導(dǎo)體，具有實用價值。①

H<Hc1：第二類超導(dǎo)體也表現(xiàn)出完全抗磁性；Superconductor當前第19頁\共有51頁\編于星期二\11點②

Hc1<H<Hc2：Superconductor

磁力線進入超導(dǎo)體內(nèi)，說明超導(dǎo)體內(nèi)部分區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，其余部分仍處于超導(dǎo)態(tài)，稱這時的超導(dǎo)體處于混合態(tài)；H超導(dǎo)區(qū)正常區(qū)

超導(dǎo)體失去完全抗磁性，磁力線開始穿過超導(dǎo)體內(nèi)部；并且隨著外磁場的增大，進入超導(dǎo)體內(nèi)的磁力線逐漸增多；

混合態(tài)中的正常區(qū)是以貫穿超導(dǎo)體的磁力線為中心，半徑很小的圓柱形區(qū)域，正常區(qū)周圍是連通的超導(dǎo)區(qū)。當前第20頁\共有51頁\編于星期二\11點③

H>Hc2：

隨著外磁場的增加，圓柱形正常區(qū)的面積并不擴大，只是數(shù)目增加，即貫穿的磁力線數(shù)增加。

處于混合態(tài)的第二類超導(dǎo)體仍具有抗磁性（不完全），電阻仍為零；Superconductor進入超導(dǎo)體的磁力線數(shù)增多到使圓柱形區(qū)域彼此接觸，超導(dǎo)區(qū)消失，材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。當前第21頁\共有51頁\編于星期二\11點THTc超導(dǎo)體正常金屬混合態(tài)Hc2Hc1Hc1–下臨界磁場：超導(dǎo)體內(nèi)出現(xiàn)第一根磁通線時的外加磁場的大?。籋c2

–上臨界磁場：超導(dǎo)體完全變?yōu)檎B(tài)時的外加磁場的大小。第二類超導(dǎo)體相圖當前第22頁\共有51頁\編于星期二\11點3.臨界電流密度Jc

處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體，通過其中的電流超過一定值Ic時，超導(dǎo)態(tài)將被破壞，變成具有電阻的正常導(dǎo)體，這一定值Ic就稱為超導(dǎo)體的臨界電流。0HcIc

西耳斯比定則：在無外加磁場時，臨界電流Ic在超導(dǎo)體表面產(chǎn)生的磁場恰好等于臨界磁場Hc；臨界電流密度Jc=臨界電流Ic/超導(dǎo)體流通截面積。第二類超導(dǎo)體不遵守西耳斯比定則。當前第23頁\共有51頁\編于星期二\11點

第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentHIFLH1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力當前第24頁\共有51頁\編于星期二\11點

第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力當前第25頁\共有51頁\編于星期二\11點

第二類超導(dǎo)體的臨界電流是由于超導(dǎo)體內(nèi)作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導(dǎo)體中的洛倫茲力當前第26頁\共有51頁\編于星期二\11點2）第二類超導(dǎo)體中的釘扎作用

釘扎作用可以有效的提高臨界電流密度Jc，在第二類超導(dǎo)體中產(chǎn)生晶格缺陷或

摻入雜質(zhì)：內(nèi)部存在缺陷的第二類超導(dǎo)體，稱為非理想的第二類超導(dǎo)體；在非理想的第二類超導(dǎo)體中，晶格缺陷或雜質(zhì)會阻礙磁力線運動的作用，稱為釘扎作用。

用各種粒子（中子或各種離子）輻照高溫超導(dǎo)體后，其Jc可提高兩個數(shù)量級；工業(yè)生產(chǎn)的NbTi線，臨界電流密度2×10-4~10-5A/cm2，一根沒有缺陷的NbTi線，臨界電流密度幾乎為零。當前第27頁\共有51頁\編于星期二\11點

臨界電流常用測量方法：

臨界電流是溫度和磁場的函數(shù)，談到材料的臨界電流時，必須指明磁場和溫度；對于第二類超導(dǎo)體，臨界電流與材料的顯微結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。1）增加通過超導(dǎo)體的電流，測量樣品的電阻，電阻從零突變?yōu)橛邢拗禃r的電流即為臨界電流。2）增加通過超導(dǎo)體的電流，測量每厘米樣品長度上的電壓，當電壓為1μV時的電流即為臨界電流。當前第28頁\共有51頁\編于星期二\11點超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)

臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度之間相互關(guān)聯(lián)；只有當溫度、磁場和電流都小于臨界值時，才能出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象；

實用超導(dǎo)材料，要求這三個參數(shù)越高越好。當前第29頁\共有51頁\編于星期二\11點3-5超導(dǎo)體的BCS理論巴丁(Bardeen)庫珀(Cooper)施瑞弗（Schrieffer）1957年，美國物理學家巴丁、庫珀和施瑞弗提出了超導(dǎo)的微觀理論：BCS理論；三人獲得1972年諾貝爾物理學獎。當前第30頁\共有51頁\編于星期二\11點1）超導(dǎo)相變前后晶體結(jié)構(gòu)不變--超導(dǎo)相變是電子態(tài)相變超導(dǎo)相變不影響晶格點陣的結(jié)構(gòu)和晶格振動，超導(dǎo)體發(fā)生正常態(tài)—超導(dǎo)態(tài)相變前后，晶格結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化。1.建立BCS理論的實驗基礎(chǔ)Tl2Ba2Ca2Cu3O10在150K、13K的中子粉末衍射譜，Tc約為125K。但這并不表示超導(dǎo)相變與晶體點陣結(jié)構(gòu)和振動無關(guān)!當前第31頁\共有51頁\編于星期二\11點2）電子比熱躍遷—超導(dǎo)態(tài)存在能隙

超導(dǎo)電子比熱的指數(shù)規(guī)律與存在能隙的單電子體系比熱很類似，揭示超導(dǎo)態(tài)存在能隙，稱為超導(dǎo)能隙，記作△。存在能隙的單電子體系：正常態(tài)電子：超導(dǎo)態(tài)電子：T=Tc時，電子比熱發(fā)生陡變

一個電子從正常態(tài)進入超導(dǎo)態(tài)，能量降低了△，體系能量下降，正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)△e說明電子之間存在相互吸引作用。當前第32頁\共有51頁\編于星期二\11點Hg等超導(dǎo)體的同位素的臨界溫度Tc與同位素質(zhì)量M之間滿足：3）同位素效應(yīng)

同位素效應(yīng)表明，晶格振動對超導(dǎo)態(tài)電子的行為有重要影響，電子—

聲子相互作用起決定性作用。金屬PbHgSnTiCdZnβ0.48±0.010.50±0.030.47±0.020.50±0.100.50±0.100.45±0.01M-1/2β：同位素效應(yīng)系數(shù)。

同一種超導(dǎo)元素的各種同位素的臨界溫度與同位素的原子質(zhì)量有關(guān)；當前第33頁\共有51頁\編于星期二\11點2.電子對的形成

電子-聲子相互作用把兩個電子耦合在一起形成電子對，這種耦合就像兩個電子之間相互吸引一樣，電子-聲子相互作用越強，電子對間的吸引力就越大；++++e1++++++++++++e2+++++e1e2通過電子–聲子相互作用形成電子對Cooper首先證明費米面附近的電子通過電-聲相互作用結(jié)合成電子對，因此超導(dǎo)體中電子對也稱Cooper對。當前第34頁\共有51頁\編于星期二\11點

關(guān)于Cooper電子對的說明：1）（p，-p）電子對：配對的電子自旋相反，且具有大小相等，方向相反的動量。Cooper對2）相干長度ξ

兩個電子不會在相距過遠的地方發(fā)生配對，這個距離的極限稱為相干長度；

純金屬的相干長度為1μm的數(shù)量級；如在金屬中摻入雜質(zhì)，相干長度變短。當前第35頁\共有51頁\編于星期二\11點幾種物質(zhì)在0K下的超導(dǎo)相干長度

當前第36頁\共有51頁\編于星期二\11點3）超導(dǎo)電子對不能互相獨立的運動，它們通過動量彼此關(guān)聯(lián)，成為有序的集體；因此超導(dǎo)電子對在運動時，不像正常電子那樣，會被晶體缺陷和聲子散射而產(chǎn)生電阻，呈現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象。4）超導(dǎo)電子對的束縛能為2△，這是破壞電子對所需的最小能量；溫度越高，被破壞的電子對越多，電子對被完全破壞時對應(yīng)的溫度即超導(dǎo)臨界溫度。Schrieffer將電子對的物理圖像和當時流行的舞蹈Frug作了類比，在這種舞蹈中跳舞者在舞池中相互分離，中間隔了許多其它人，但是他們始終是一對。當前第37頁\共有51頁\編于星期二\11點3.BCS理論超導(dǎo)電性源于固體中電子的配對；電子配對的相互作用源于電子和晶格振動間的相互作用；配對發(fā)生在自選相反，總動量為零的兩個電子之間。BCS理論預(yù)言，超導(dǎo)臨界溫度的極限是30K；BCS理論不適用于高溫超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體；

隨著超導(dǎo)電性研究的深入和超導(dǎo)材料的發(fā)展，BCS理論表現(xiàn)出越來越多的不足。當前第38頁\共有51頁\編于星期二\11點3-6約瑟夫遜效應(yīng)1.單電子的量子隧道效應(yīng)：由于微觀粒子具有粒子和波動二象性，即使粒子的動能小于勢壘高度V0，仍然有一定的機會貫穿勢壘到達另一側(cè)。當前第39頁\共有51頁\編于星期二\11點超導(dǎo)電子對

勢壘約瑟夫遜2.電子對的隧道效應(yīng)當兩塊超導(dǎo)體夾著一層很?。?~3nm）的絕緣層時，超導(dǎo)電子對可以穿過中間的絕緣層，出現(xiàn)電子對隧道效應(yīng)，稱為約瑟夫遜效應(yīng)。？當前第40頁\共有51頁\編于星期二\11點超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕緣層Ic電子對約瑟夫遜（SIS）結(jié)II<Ic：SIS結(jié)處于超導(dǎo)態(tài)，結(jié)上電壓為零；3.約瑟夫遜結(jié)在兩塊超導(dǎo)體間夾一層很薄的絕緣層，形成一個超導(dǎo)–絕緣–超導(dǎo)結(jié)（S-I-S結(jié)），稱為約瑟夫遜結(jié)。SIS結(jié)的臨界電流對于外加磁場十分敏感，可以用來測量極弱的磁場。I>Ic：SIS結(jié)超導(dǎo)態(tài)被破壞，結(jié)上出現(xiàn)有限的電壓。當前第41頁\共有51頁\編于星期二\11點4.約瑟夫遜效應(yīng)的應(yīng)用

最理想的約瑟夫遜結(jié)是SIS結(jié)，由于高溫超導(dǎo)體的相干長度太短，要求中間絕緣層的厚度不能超過2nm，在制備技術(shù)上難以實現(xiàn)，因此到目前為止，世界上還沒有做出SIS結(jié)；超導(dǎo)體超導(dǎo)體絕緣層SIS結(jié)

如果把中間的絕緣層換成金屬（N）做成SNS結(jié)，電子對更容易隧穿，金屬層可以做到幾十到幾百納米，現(xiàn)在實用的是SNS結(jié)。SNS結(jié)超導(dǎo)體超導(dǎo)體金屬層當前第42頁\共有51頁\編于星期二\11點

弱磁探測心臟磁圖的測量超導(dǎo)磁力儀

約瑟夫遜結(jié)可做成超導(dǎo)量子干涉器（SQUID），用于探測微弱磁場，靈敏度達10-11高斯，可測地球磁場的十億分之一：

軍事：可以發(fā)現(xiàn)深水潛艇；勘探：可找到有價值的礦床和弱磁性礦；醫(yī)學：人體心磁(10-5~10-6G)，腦磁（10-8~10-9G）等等都可以探測。當前第43頁\共有51頁\編于星期二\11點超導(dǎo)芯片

超導(dǎo)計算機用一磁場可使約瑟夫遜結(jié)從零壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袎籂顟B(tài)，約瑟夫遜結(jié)的這一特性便可作成計算機的開關(guān)元件，開關(guān)速度達10-12

秒，比半導(dǎo)體的開關(guān)速度快100倍，而能耗比半導(dǎo)體元件約小1000倍，為制造亞納秒電子計算機提供了途徑。當前第44頁\共有51頁\編于星期二\11點3-7高溫超導(dǎo)材料

高溫超導(dǎo)體（High-temperaturesuperconductor--HTS）：

asuperconductorwithaTchigherthanthehighestvalueexpectedfromconventionalBCStheorybase