[材料科学]超导材料简介.ppt

超导概述超导概述 超导电性的基本特征超导电性的基本特征 超导材料的种类超导材料的种类 超导材料的应用超导材料的应用 超 导 材 料 简 介 1 一、超 导 概 述 昂内斯(中间白衣者)在他 所创立的低温实验室内 昂内斯(18531926) 荷兰低温物理学家 1908年成功地液化了氦气，1911年发现了 某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“ 超导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。 HgInSnPb 4.15K3.4K3.7K7.2K 氧氮氮 90.2K77.3K4.2/1.7K 2 1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论 (BCS)，于1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性 作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体 的研究与应用。 3 约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具 有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。 4 1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于1987 年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料 的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。 5 金兹伯格 莱格特 阿布里科索夫 2003年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢 阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利金兹伯 格和美国伊利诺斯大学教授安东尼莱格特，以奖励他们在超导和 超流理论方面的先驱性贡献。 6 吴茂昆朱经武 赵忠贤 陈立泉 钇钡铜氧化合物,1987年2月，92K 锶镧铜氧(1987年初，48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料 ，铋系超导体 7 二、超导电性的基本特征 Zero Resistance-No Power Loss Meissner Effect-Act as Magnet Critical Properties-Tc, Jc, Hc Josephson Effects-Electron Tunnelling 8 1. 1. 零电阻效应零电阻效应 在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这 一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称 为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料 。零电阻效应是超导态的一个基本特征。 不同导体的电阻-温度曲线水银的零电阻效应 9 2.2.迈斯纳效应迈斯纳效应 处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特 征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。 超导体排斥力使永久磁环悬浮 10 超导态为什么会出现完全抗磁性呢？超导态为什么会出现完全抗磁性呢？ 外磁场在试样表面产生感应电流（b）。此电流所经路径电阻 为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相 反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外 磁场从超导体内挤出（c），故称磁抗感应电流，又因其能起 着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽电流。 11 超导体与理想导体的磁性质的区别超导体与理想导体的磁性质的区别 超导态是一个 热力学平衡现 象，抗磁性可 逆；理想导体 的这种磁性质 与加场过程有 关，不可逆。 12 临界温度Tc 临界磁场Hc 临界电流密度Jc 一些金属超导体临界 磁场与温度的关系 维持超导状态的必要条件 3. 3. 超导体的临界参数超导体的临界参数 13 超导隧道结（约瑟夫森结）示意图 弱连接超导体：S-I-S 两超导体中间的绝缘（真空，正 常）层也能让超导电流通过的现 象叫超导隧道效应。 4. 4. 超导隧道效应超导隧道效应 14 电阻（率）-温度曲线，磁化率-温度曲线，比热容-温度曲线 物体是否为超导体的实验判据物体是否为超导体的实验判据 15 水银的零电阻效应 MgB2的x-T曲线 锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容 实实 例例 16 两类超导体两类超导体 主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁 场，即下临界场Hc1和上临界场Hc2。允许磁场通过。 它们具有完全的迈斯纳效应（完 全的抗磁性）。如果外部磁场过 强，就会破坏超导体的超导性能 。这类超导体只有两个态，即低 温超导态和正常态。主要是金属 超导体。 第一类（第一类（I I型）超导体型）超导体 0 TcT H Hc 超导态 正常态 第二类（第二类（II II型）超导体型）超导体 17 第二类超导体第二类超导体 H T Tc N Hc2 S Meissner Mixed Hc1 第二类超导体的相图第二类超导体的相图 0, 0=rB 0, 0 =r B 18 Flux penetrates above the lower critical field Hlower critical field Hc1 c1 Superconductivity survives up to the upper critical field Hupper critical field Hc2 c2 Type IIType II Most alloys, HTS, MgB2. 混合态混合态 TTc 0HHc1 TTc Hc1HHc2 19 超导现象的物理本质 1957年由巴丁（Bardeen）、库珀（Cooper）和施里 弗（Sehriffer）合作创建了超导微观理论(BCS) 。 库珀 电子对 库珀电子对通过格波相互作用， 其作用范围为10-610-9m； 每个库珀电子对的总动量相当， 这是零电阻产生的根源； 材料变为超导态后，电子结为 库珀对，能量降低2，称其为 超导体的能隙。 20 超导体的能隙 能隙随温度变化的曲线 0 2D 正常态 超导态 费米能 正常态 超导态 费米能 D2 能 量 T0K, 0KTTc 21 三、超 导 材 料的种类 22 周期表中的元素超导体周期表中的元素超导体 大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及 一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高 临界转化温度(9.2K)；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一 类; 大多数超导合金和化合物则属于第二类。 23 科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族 美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素 研究所，以约翰尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效 应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。 24 合金超导体合金超导体 组成元素都具有超导性 合金Nb3SnNbTiV3GaNb3Ge Tc (K)18.19.516.523.2 组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性 合金La2C3C8KMgB2 Tc (K)5.911.09.539 25 化合物超导体化合物超导体 26 从应用角度对超导材料分类从应用角度对超导材料分类 强磁场（电）超导材料强磁场（电）超导材料 超导电子材料（弱电）超导电子材料（弱电） 高温超导材料高温超导材料 镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物 铌钛（NbTi）合金，Nb3Sn等金属间化合物 铜稳定化多芯扭绞 超导线材Nb3Sn的截面 1234 Tc=18.2K 超导微波器件（YBCO高温超导薄膜） 超导量子干涉器件（SQUID） 27 （1 1）稀土）稀土214214家族家族。化学通式一般写为(R, Ba)(R, Ba) 2 2 CuOCuO4-x 4-x，R表示某一 种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导态。这 个化学分子式中含两个（R，Ba）类原子，一个Cu原子，4个氧原子， 所以被称为214结构。在晶格中，R和Ba的位置是等价的，所以这里把 它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，所以 在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为36K。 目前已被发现的高温超导体 铜基氧化物超导体分为五大家族 （2 2）稀土）稀土123123家族家族。化学通式为RBaRBa 2 2 CuCu 3 3 OO7-x 7-x，R同样表示某个稀土 元素。至少有13种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这 个家族的分子式中金属元素的个数分别为1，2和3，所以人们把这三种 家族称为123超导体家族。因为元素的增多，人们习惯上不再把氧原子 写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员的稀土元素是 钇（Y），所以人们也常把123家族称为钇家族。123家族的超导转变温 度为90K左右。 28 铋超导家族的化学通式为BiBi 2 2 SrSr 2 2 CaCan-1 n-1Cu Cu n n OO2n+4 2n+4，n=2,3。也就是 说这个家族有两个成员，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习 惯上称为铋2212相和铋2223相。铋2212相的超导转变温度为85K， 铋2223相的超导转变温度为110K。在铋2223相中，如果用Pb少量 地取代Bi，材料的超导性能会得到改善。 （3 3）铋超导家族）铋超导家族 29 铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。 第一个分族的分子通式为TlTl 2 2 BaBa 2 2 CaCan-1 n-1Cu Cu n n OO2n+4 2n+4，n=1,2,3。这个家族有三 个主要成员，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超 导转变温度为90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超导转变温度为110K。 2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超导转变温度为125K。因这一分族的每个 成员的分子式里都含有两个Tl原子，在晶体结构上对应两个铊原子层，所以 人们又把这个分族叫做铊双层分族。 另一个分族的化学分子通式为Tl(Ba,Sr)Tl(Ba,Sr) 2 2 Ca Can-1 n-1Cu Cu n n OO2n+3 2n+3， n=1,2,3。这个通式 中的(Ba,Sr)表示这个位置可以是Ba也可以是Sr。当这个位置的原子是Sr时， Ca可以被某一种稀土元素（R）部分取代。能参与取代的稀土元素达15种之 多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个，即1201相，1212相和1223相 。因为每个相的(Ba,Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr，所以结构上的三个相在 化学组成上就分成了TlBa2CuO5, TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7 ；TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O9 6个成员。而每个含Sr的成员的Ca又可以 被稀土元素取代。所以这个分族有成员几十个。因这个分族每一个分子中只 含一个铊原子，即在晶格中只有一层铊原子，所以人们又常把这个分族称为 铊单层分族。铊单层分族的1201相、1212相和1223相的超导转变温度分别为 45K，95K和120K。 （4 4）铊超导家族）铊超导家族 30 汞超导家族的化学通式为HgBaHgBa 2 2 CaCan-1 n-1Cu Cu n n OO2n+2+x 2n+2+x，n=1,2,3。因 这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下标上 有“+x“。这个家族的主要成员有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和 HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，这三个相的转 变温度分别为85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今为 止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。 高温超导体是金属氧化物，在本质上是陶瓷材料，所以有的人将 其称为陶瓷超导材料。 （5 5）汞超导家族）汞超导家族 31 32 高温超导线材的制备工艺 33 Nature 2001, 410, 63-64 MgB2 34 35 36 MgB2的结构 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 layers of hexagonal Mg and honeycomb B 37 Fermi SurfaceFermi Surface 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 38 MgB2的性质 39 沸石晶体内的超导纳米碳管 王宁博士(左）用电镜观察纳米 碳管，旁为汤子康博士。 电镜下的纳米碳管 N. Wang, Z. K. Tang, G. D. Li, J. S. Chen, Nature 2000, 408, 50 Science, 2001, 292, 2462 T Tc c = 15 K= 15 K 40 u用超导材料作成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研 究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和 超导列车，以解决人类的能源和交通问题； u用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电 子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备； u用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对 人的各种复杂疾病的治疗。 从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类： 四、超 导 材 料的应用 41 1. 1. 磁悬浮列车磁悬浮列车 中德总理乘坐上海磁浮列车 上海磁浮列车 / 42 日本超导磁悬浮列车MAGLEV 超导磁悬浮列车导轨 超导型磁悬浮列车 也称超导磁斥型 (Magnetically Levitated Trains ) 43 磁悬浮列车结构模型磁悬浮列车结构模型 44 电磁悬浮系统（Electro Magnetic System）:依靠在机车上 的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬 浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.(左图) 电力悬浮系统（Electro Dynamic System）:将磁铁使用在 运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力 以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导 磁悬浮列车系列.(右图) 磁悬浮系统类型磁悬浮系统类型 45 2005年5月14日，由西南交通大学研制的世界第一台高 温超导磁悬浮列车首次公开亮相成都市首届科技节。 46 2. 2. 超群的超导磁体超群的超导磁体 超导材料最诱人的应用是发电 、输电和储能。 由于超导材料在超导状态 下具有零电阻和完全的抗磁性 ，因此只需消耗极少的电能， 就可以获得10万高斯以上的稳 态强磁场。而用常规导体做磁 体，要