凝聚态物理专题教案资料

1、凝聚态物理专题有机半导体光电池有机半导体光电池 凝聚态物理源于晶态固体的研究。凝聚态物理源于晶态固体的研究。在二十世纪二十年在二十世纪二十年代，代，随着量子理论的发展，随着量子理论的发展，使固体晶态的一系列基本性使固体晶态的一系列基本性质得到较好的解释，质得到较好的解释，形成了固体物理学的基础。形成了固体物理学的基础。 经过半个世纪的发展，经过半个世纪的发展，晶态物理所研究的内容有了极晶态物理所研究的内容有了极大的扩展，从而大的扩展，从而衍生出凝聚态物理。衍生出凝聚态物理。 目前，目前，除除晶态物理晶态物理外，外，凝聚态物理还包括：凝聚态物理还包括：表面物理、表面物理、非晶态物理、高分子物理、

2、凝聚态共性体系、界面物理、非晶态物理、高分子物理、凝聚态共性体系、界面物理、低维物理、半导体物理、介质晶体物理、超导和低温物低维物理、半导体物理、介质晶体物理、超导和低温物理理等重要分支。等重要分支。 凝聚态物理是一门具有凝聚态物理是一门具有广泛交叉性和极强应用性广泛交叉性和极强应用性的学的学科，它所取得的成果对科，它所取得的成果对化学、材料科学、信息科学等化学、材料科学、信息科学等相相关学科产生了深远的影响。关学科产生了深远的影响。 下面，下面，以编年史的形式，以编年史的形式，介绍介绍在在凝聚态物理学发展中凝聚态物理学发展中的一些大事件的一些大事件，从而，从而跟踪凝聚态物理的发展进程跟踪凝聚

3、态物理的发展进程。 1900年，年，特鲁特特鲁特发表金属电子论。发表金属电子论。 1905年，年，郎之万郎之万发表顺磁性的经典理论。发表顺磁性的经典理论。 1906年，年，爱因斯坦爱因斯坦发表固体比热的量子理论。发表固体比热的量子理论。 1907年，年，外斯外斯发表铁磁性的分子场理论，提出磁畴假发表铁磁性的分子场理论，提出磁畴假设。设。1919年，年，巴克豪森巴克豪森发现了磁畴。发现了磁畴。 1912年，年，劳厄劳厄提出晶体提出晶体X射线衍射方射线衍射方案，案，第一次第一次对晶体的空间点阵假说作出对晶体的空间点阵假说作出了实验验证，了实验验证，从而从而使晶体物理学发生了使晶体物理学发生了质的飞

4、跃。质的飞跃。 1911年，年，昂内斯昂内斯发现超导电性。发现超导电性。 1913年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学奖授予昂内斯昂内斯，以表彰他以表彰他对低温物质特性的研究。对低温物质特性的研究。 1914年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学奖授予劳厄劳厄，以以表彰他发现了表彰他发现了晶体的晶体的X射线衍射射线衍射 。 从此以后，从此以后，X 射线学射线学在理论和实验方法在理论和实验方法上飞速发展，上飞速发展，形成了一门内容极其丰富、形成了一门内容极其丰富、应用极其广泛的综合学科。应用极其广泛的综合学科。 1913年，年，布拉格布拉格父子给出父子给出利用利用X射线晶体分光仪测定射线晶体分

5、光仪测定晶格常数的晶格常数的布拉格公式。布拉格公式。 1915年，诺贝尔物理学奖授年，诺贝尔物理学奖授予予亨利亨利. . 布拉格布拉格和和劳伦斯劳伦斯. . 布拉布拉格格，以表彰他们用以表彰他们用 X 射线对晶射线对晶体结构的分析体结构的分析所作的贡献。所作的贡献。 由于在由于在X射线衍射射线衍射和和分子偶极矩理论分子偶极矩理论方方面的杰出贡献，面的杰出贡献，德拜德拜获得获得 1936 年诺贝尔年诺贝尔化学奖。化学奖。 1916年，年，德拜德拜提出提出X射线粉末衍射法，射线粉末衍射法，用以鉴定样品的成分，并可以确定晶胞的用以鉴定样品的成分，并可以确定晶胞的大小。大小。 0 ) () (222z

6、zdzd 19281930年，年，布洛赫、佩尔斯、威尔逊、布里源布洛赫、佩尔斯、威尔逊、布里源等等人人为固体的能带理论奠定了基础。为固体的能带理论奠定了基础。 其中，其中，固体的固体的能带理论导致了半导体物理的诞生能带理论导致了半导体物理的诞生，并，并进而进而推动了现代信息科学与技术的产生和发展。推动了现代信息科学与技术的产生和发展。 固体能带理论固体能带理论和和对称破缺的相变理对称破缺的相变理论论是凝聚态物理学的两个基本理论。是凝聚态物理学的两个基本理论。 目前，目前，利用能带理论利用能带理论已经可以已经可以对晶体特性参量对晶体特性参量根据第根据第一性原理进行从头计算，一性原理进行从头计算，

7、计算结果的准确性非常令人满计算结果的准确性非常令人满意。意。而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的而这样的理论计算，又可以作为进一步发展材料的依据。依据。 1952年，年，布洛赫布洛赫因在因在核磁共振核磁共振方面方面的贡献而的贡献而获得诺贝尔物理学奖。获得诺贝尔物理学奖。 1933年，年，迈斯纳迈斯纳和和奥克森菲尔德奥克森菲尔德发现超导体具有完全发现超导体具有完全抗磁性。抗磁性。 1932年，年，威尔逊威尔逊提出了杂质提出了杂质（及缺陷及缺陷）能级的概念，能级的概念，这是认识这是认识掺杂半导体导电机理掺杂半导体导电机理的重大突破。的重大突破。 1932年，年，诺尔诺尔和和鲁斯卡鲁斯卡发明

8、透射电子显发明透射电子显微镜。微镜。 1931年，年，威尔逊威尔逊提出了固体导电的量子力学模型，并提出了固体导电的量子力学模型，并预言预言介于金属和绝缘体之间介于金属和绝缘体之间存在半导体存在半导体，为半导体的发，为半导体的发展提供了理论基础。展提供了理论基础。 1986年，诺贝尔物理学奖的一半授予年，诺贝尔物理学奖的一半授予鲁鲁斯卡，斯卡，以表彰他在以表彰他在电光学领域电光学领域作了基础性作了基础性工作，并设计了工作，并设计了第一架电子显微镜第一架电子显微镜。 1935年，年，F.伦敦伦敦和和H.伦敦伦敦发表超导现象的宏观电动力发表超导现象的宏观电动力学理论学理论伦敦方程。伦敦方程。 193

9、8年，年，卡皮查卡皮查实验实验证实氦的超流动性。证实氦的超流动性。 1938年，年，F.伦敦伦敦提出了超流动性的统计理论。提出了超流动性的统计理论。 1940年，年，朗道朗道提出氦提出氦II超流性的量子理论。超流性的量子理论。 1962年诺贝尔物理学奖授予年诺贝尔物理学奖授予朗道，朗道，以以表彰他作出了表彰他作出了凝聚态、特别是凝聚态、特别是液氦的先液氦的先驱性理论。驱性理论。 1948年，年，奈耳奈耳建立和发展了亚铁磁性建立和发展了亚铁磁性的分子场理论。的分子场理论。 1970年，年，奈耳奈耳与磁流体动力学的创始与磁流体动力学的创始人人阿尔文阿尔文分享诺贝尔物理学奖。分享诺贝尔物理学奖。 1

10、947年年12月月23日，日，巴丁、肖克莱、布拉坦巴丁、肖克莱、布拉坦研制成功第研制成功第一个晶体管。一个晶体管。 晶体管的诞生是凝聚态物理的一个晶体管的诞生是凝聚态物理的一个里程碑，里程碑，它改变了历史进程，具有划它改变了历史进程，具有划时代意义。时代意义。自此，人类社会进入了自此，人类社会进入了“硅器时代硅器时代”。 1956年，年，肖克莱、巴丁、布拉坦肖克莱、巴丁、布拉坦荣荣获诺贝尔物理学奖。获诺贝尔物理学奖。 1957年，年，巴丁、施里弗巴丁、施里弗和和库库珀珀发表了超导微观理论。发表了超导微观理论。 1972年，年，巴丁、库珀巴丁、库珀和和施里施里弗弗因因BCS理论理论获得诺贝尔物理

11、获得诺贝尔物理学奖。学奖。 1960年，年，贾埃沃贾埃沃在实验中在实验中发现了电子隧道效应。发现了电子隧道效应。 1973年物理学奖年物理学奖的一半的一半授授予予江崎玲於奈江崎玲於奈和和 贾埃沃贾埃沃 ，另一半另一半授予授予约瑟夫森，约瑟夫森，以表以表彰他们在彰他们在半导体半导体和和超导体超导体中中有关有关电子隧道现象的研究电子隧道现象的研究。 1962年，年，约瑟夫森约瑟夫森预言了约瑟夫森效应。预言了约瑟夫森效应。1963年，年，安安德森德森和和罗维尔罗维尔在实验中在实验中验证了约瑟夫森效应的存在。验证了约瑟夫森效应的存在。 1977年的诺贝尔物理学奖授予了年的诺贝尔物理学奖授予了安德森、安

12、德森、 莫特莫特和和 范弗莱克，范弗莱克，以表彰他们对以表彰他们对固体磁性固体磁性和和无序系统的电子结构无序系统的电子结构所作的基础理论研究。所作的基础理论研究。 1980年，年，克里钦克里钦发现了量子霍发现了量子霍耳效应。耳效应。 1985年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学奖授予克里钦，克里钦，以以表彰他在金属表彰他在金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的发现的量子霍尔效应量子霍尔效应。 1971年，年，威尔逊威尔逊发表处理发表处理相变临界现象相变临界现象的重正化群理论。的重正化群理论。 1982年，年，诺贝尔物理学奖授予诺贝尔物理学奖授予

13、威尔逊，威尔逊，以表彰他对与以表彰他对与相变有关的临界现象相变有关的临界现象所作的所作的理论贡献。理论贡献。 1972年，年，戴维戴维.李李、奥谢罗奥谢罗夫夫和和里查森里查森发表费米超流体发表费米超流体氦氦-3的实验发现。的实验发现。 1996年，诺贝尔物理学奖年，诺贝尔物理学奖授予授予戴维戴维.李李、奥谢罗夫奥谢罗夫和和里里查森查森，以表彰他们发现了，以表彰他们发现了氦氦-3中的超流动性中的超流动性。2*22EmA 1985年，年，柯尔柯尔、斯莫利斯莫利和和克罗特克罗特发现了具有足球状的发现了具有足球状的碳分子碳分子富勒烯。富勒烯。 1996年，年，诺贝尔化学奖授予诺贝尔化学奖授予富勒烯的三

14、富勒烯的三位发现者位发现者柯尔柯尔、斯莫利斯莫利和和克罗托克罗托。 除富勒烯分子外，除富勒烯分子外，人们还人们还发现全部由碳原子构成的一发现全部由碳原子构成的一些其它的稳定结构。些其它的稳定结构。 富勒烯的发现，广泛地影响到富勒烯的发现，广泛地影响到物理学、化物理学、化学、材料学、电子学、生物学、医药科学学、材料学、电子学、生物学、医药科学各各个领域，显示出有巨大的潜在应用前景。个领域，显示出有巨大的潜在应用前景。 ,.)2 , 1( ,nLnkzn222*2LmEeVEg424. 1 例如，例如，1991年发现由年发现由240个个碳原子构成巴基管。碳原子构成巴基管。 1986年，年，柏诺兹柏

15、诺兹和和缪勒缪勒发现高发现高Tc氧化物超导材料。氧化物超导材料。 1987年，年，诺贝尔物理学奖授予诺贝尔物理学奖授予瑞士瑞士IBM研究实验室的研究实验室的德国物理学家德国物理学家柏诺兹柏诺兹与瑞士物理学家与瑞士物理学家缪勒缪勒，以表彰他们，以表彰他们在发现在发现陶瓷材料中的超导电性陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破。所作的重大突破。 高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重要课题要课题。 超导电性的研究是凝聚超导电性的研究是凝聚态物理的一个重要内容，态物理的一个重要内容，由于超导技术有广泛应用由于超导技术有广泛应用的潜在价值，因此，世界的潜

16、在价值，因此，世界各国花了很大力气开展这各国花了很大力气开展这方面的工作。方面的工作。 从昂内斯的时代起，从昂内斯的时代起，探索提高超导转变临探索提高超导转变临界温度界温度TcTc的途径的途径就一直是世界关注的热点就一直是世界关注的热点。 1988年，发现巨磁电阻效应年，发现巨磁电阻效应（GMR），），从而开创了从而开创了磁电子学。磁电子学。 1991年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学奖授予法国的法国的德纳然德纳然，以表彰他，以表彰他把研究简单系统中有把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物理态，序现象的方法推广到更复杂的物理态，特别是特别是液晶和聚合物液晶和聚合物所做的贡献。所做的

17、贡献。 目前，世界各国竞相研究，形成了一股目前，世界各国竞相研究，形成了一股GMR热。热。这这股热潮在股热潮在GMR的理论机制的理论机制、产品研制产品研制和和应用研究应用研究三方三方面几乎同步进行，在世界科技发展史上很少面几乎同步进行，在世界科技发展史上很少有这样的先有这样的先例。例。 )() () () (ndz uz ue z uzz ikz 1996年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学奖授予朱朱棣文、科恩棣文、科恩- -塔诺季、菲利普斯，塔诺季、菲利普斯， 以表彰他们在发展用以表彰他们在发展用激光冷却激光冷却和和陷陷俘原子俘原子的方法方面所作的贡献。的方法方面所作的贡献。NoImage

18、NoImage 1998年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学奖授予劳克林劳克林、施特默施特默 和和崔琦崔琦 ， 以表彰他们发现了一种以表彰他们发现了一种具有分数电荷激发状态的新型量电子流，具有分数电荷激发状态的新型量电子流，这种状态起因于所谓的这种状态起因于所谓的分数量子霍耳效应分数量子霍耳效应。 分数量子霍耳效应分数量子霍耳效应继继整整数量子霍耳效应数量子霍耳效应之后，荣之后，荣获诺贝尔物理学奖，这说获诺贝尔物理学奖，这说明：明：量子霍耳效应是继高量子霍耳效应是继高温超导之后，凝聚态物理温超导之后，凝聚态物理学研究的又一个新课题。学研究的又一个新课题。 ,.)2 , 1( ,2nnLnme

19、VEc300 1998年，诺贝尔化学奖授年，诺贝尔化学奖授予予科恩科恩和和玻普玻普，以表彰他们，以表彰他们的的密度泛函理论密度泛函理论对量子化学对量子化学理论研究所作的贡献。理论研究所作的贡献。 密度泛函理论是二十世纪六十年代后形成的一个关系密度泛函理论是二十世纪六十年代后形成的一个关系固体能带计算的方法，该方法在凝聚态物理研究中具有固体能带计算的方法，该方法在凝聚态物理研究中具有重要的作用。重要的作用。 ) () ( )(* 2) ( ) (* 2222222z Ezk kmEz z Vdzdmyx 2 /2 /,0) (0LzLzEVz Vc 2000年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学

20、奖授予若尔斯阿若尔斯阿尔费罗夫尔费罗夫 、基尔比基尔比 和和赫伯特克勒默赫伯特克勒默 ， 以以表彰他们表彰他们在在移动电话移动电话及及半导体研究半导体研究中获得中获得突破性进展。突破性进展。 他们的工作奠定了现代他们的工作奠定了现代信息技术的基础，特别是信息技术的基础，特别是他们发明的他们发明的快速晶体管快速晶体管、激光二极管激光二极管和和集成电路集成电路芯芯片片，对现代信息科学与技对现代信息科学与技术的发展起到非常重要的术的发展起到非常重要的促进作用。促进作用。 2000年，诺贝尔化学年，诺贝尔化学奖授予奖授予艾伦艾伦-J-黑格黑格、艾艾伦伦-G-马克迪尔米德马克迪尔米德和和白川英树白川英树

21、 ，以表彰他们，以表彰他们在在导电聚合物导电聚合物研究领域研究领域所所作的贡献。作的贡献。 2001年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖的获得者的获得者是是康奈尔康奈尔、克特、克特勒和勒和维曼维曼，其成果为，其成果为稀稀薄碱性原子气体的玻色爱薄碱性原子气体的玻色爱因斯坦冷凝态的研究因斯坦冷凝态的研究和和)()(sin2cos2) , , (/y k x k iy k x k inkyxyxe zLnSLe zLnSLz y x) 12 (* 2222 nLmEn) ( ) ( ndz Vz V对冷凝物的早期基础研究工作对冷凝物的早期基础研究工作。 2003年，诺贝尔物理学奖授予年，诺贝尔物理学奖授

22、予阿列克谢阿列克谢 阿布里科阿布里科索夫索夫、维塔利维塔利 金茨堡金茨堡和和安东尼安东尼 莱格特莱格特，以表彰他，以表彰他们在们在超导体超导体和和超流体超流体领域中做出的开创性贡献。领域中做出的开创性贡献。 金茨堡金茨堡 阿布里科索夫阿布里科索夫 莱格特莱格特 （1）由研究体内性质，转变为由研究体内性质，转变为研究同表面、界面有关研究同表面、界面有关的性质；的性质； 从二十世纪九十年代开始，从二十世纪九十年代开始，凝聚态物理发展的趋势凝聚态物理发展的趋势表表现为：现为： （2）由三维体系问题，转变为由三维体系问题，转变为研究研究二维、一维的二维、一维的低维低维体系问题体系问题； （3）由研究晶

23、态，转变为由研究晶态，转变为研究无定形和玻璃态研究无定形和玻璃态； （5）由研究性质单一的体系，转变到由研究性质单一的体系，转变到研究共性体系；研究共性体系； （6）由研究完整结构的理想晶态，转变为着重由研究完整结构的理想晶态，转变为着重研究晶研究晶体中的杂质和缺陷态；体中的杂质和缺陷态； （7）由研究普通的晶格，转变为由研究普通的晶格，转变为研究半导体和金属的研究半导体和金属的人工量子阱晶体人工量子阱晶体超晶格超晶格。 （4）由平衡态，转变为由平衡态，转变为研究瞬态、亚稳态，临界现象研究瞬态、亚稳态，临界现象和相变；和相变； 超导电性物理超导电性物理、晶体学晶体学、磁学磁学、表面物理表面物理

24、、固态发光固态发光物理物理、液态物理液态物理、生命现象中的物理问题生命现象中的物理问题、极端条件下极端条件下的物理的物理等研究内容，等研究内容，成为当前凝聚态物理学成为当前凝聚态物理学广阔的广阔的前沿前沿领域。领域。 其中，其中，低维凝聚态物理低维凝聚态物理与以发现与以发现新的有序相新的有序相、有序相有序相的对称破缺的对称破缺、以及这些、以及这些新相的物理性能新相的物理性能为主要目标的研为主要目标的研究工作究工作，更是这一学科中最具活力的重要发展前沿。，更是这一学科中最具活力的重要发展前沿。 凝聚态物理前沿凝聚态物理前沿研究此起彼伏，发展迅速，使人目不研究此起彼伏，发展迅速，使人目不暇接。其暇

25、接。其大趋势是：大趋势是：强化现有分支领域研究强化现有分支领域研究，并不断地，并不断地开拓新的领域开拓新的领域，制备制备出更多出更多更高性能的新材料更高性能的新材料，发现发现令令人意想不到的人意想不到的新现象新现象。 量子霍尔效应量子霍尔效应、高高 Tc 超导材料超导材料和和氧化物超巨磁电阻氧化物超巨磁电阻效应效应，是是二十世纪八十年代以来在二十世纪八十年代以来在凝聚态物理领域的三凝聚态物理领域的三个重大发现。个重大发现。 本课程主要介绍本课程主要介绍量子霍尔效应量子霍尔效应、高高Tc氧化物超导体氧化物超导体和和的物理性质及其应用、的物理性质及其应用、巨磁电阻巨磁电阻和和超巨磁电阻效应超巨磁电

26、阻效应，以，以及与之相关的材料。及与之相关的材料。 课程由课程由高高Tc超导理论超导理论、半导体低维结构半导体低维结构、巨磁电阻及巨磁电阻及磁电子学磁电子学、介观和纳米固体介观和纳米固体等专题组成。等专题组成。 首先首先对提高超导转变温度的历史进程作一个简单的回对提高超导转变温度的历史进程作一个简单的回顾。顾。 其次其次介绍高介绍高Tc超导体的结构与相图，以及超导态的共超导体的结构与相图，以及超导态的共同特性。同特性。 再次再次利用各向异性配对的超导理论，利用各向异性配对的超导理论，解释高解释高Tc超导体超导体的异常超导特性。的异常超导特性。 最后最后介绍高介绍高Tc超导体正常态的反常特性，以

27、及在弱掺超导体正常态的反常特性，以及在弱掺杂区发现正常态能隙所提出的物理问题。杂区发现正常态能隙所提出的物理问题。 本章主要介绍铜氧化合物超导体的基本性质。本章主要介绍铜氧化合物超导体的基本性质。 NoImageNoImage 自从自从1911年昂内斯发现年昂内斯发现 Hg 在在4.2K表现出超导电性以表现出超导电性以来，提高超导转变温度来，提高超导转变温度Tc就成为超导电性研究的主要目就成为超导电性研究的主要目标之一。标之一。 但是，一直到但是，一直到1986年，超导体的临界转变温度年，超导体的临界转变温度Tc都没都没有突破有突破30K。现在，习惯上现在，习惯上将将Tc 低于低于30K的超导

28、体称为的超导体称为常规超导体常规超导体，它包括它包括元素超导体元素超导体、合金超导体合金超导体和和化合物化合物超导体超导体三种类型三种类型。 经过许多科学家的不断探索，已经发现了千余种常规经过许多科学家的不断探索，已经发现了千余种常规超导体。超导体。 在元素周期表中，已经发现具有超导电性的元素超过在元素周期表中，已经发现具有超导电性的元素超过50种。种。其中，在常压下为典型半导体的锗和硅，通过加其中，在常压下为典型半导体的锗和硅，通过加高压使之金属化后，也可以进入超导态。高压使之金属化后，也可以进入超导态。 其它在高压下才发现具有超导电性的元素还有其它在高压下才发现具有超导电性的元素还有磷磷(

29、P)、砷砷(As) )、硒硒(Se)、钇钇(Y)、 锑锑(Sb) 、碲碲(Te)、铯铯(Cs)、钡钡(Ba)、铋铋(Bi)、铈铈(Ce)、铀铀(U)等。等。 在元素超导体中，铌在元素超导体中，铌(Nb)具有最高的临界转变温度，具有最高的临界转变温度，为为9.3K，处于液氦温区。，处于液氦温区。 元素超导体的临界磁场一般都很低，无应用价值。元素超导体的临界磁场一般都很低，无应用价值。 为了获得具有实用价值的超导材料为了获得具有实用价值的超导材料，从二十世纪，从二十世纪50年年代起人们着重开展代起人们着重开展合金超导体合金超导体和和化合物超导体化合物超导体的研究。的研究。 超导合金是一类实用超导材

30、料超导合金是一类实用超导材料，1954年成功地开发出年成功地开发出Tc =10K、Hc =14T的的NbTi 合金。合金。 铌钛合金铌钛合金（NbTi）是一类是一类比较成熟的比较成熟的超导磁体超导磁体，目前，目前已经实现了商品化已经实现了商品化。 虽然超导合金可以制造出具有较大临界磁场的超导磁虽然超导合金可以制造出具有较大临界磁场的超导磁体，但是，数十年来临界温度的提高十分缓慢。体，但是，数十年来临界温度的提高十分缓慢。例如，例如，在在70年代年代开发的开发的Nb-Al-Ge，虽然已逼近，虽然已逼近液氢温区液氢温区，但是，但是对应用并没有带来多少方便。对应用并没有带来多少方便。 在在开展开展合

31、金超导体合金超导体研究的同时，就开展了研究的同时，就开展了化合物超导化合物超导体体的研究。的研究。1973年以前主要集中于年以前主要集中于无机化合物超导材料无机化合物超导材料的研究的研究，而，而从从1980年开始则着重于年开始则着重于有机化合物超导材料有机化合物超导材料和和多元化合物超导材料多元化合物超导材料的开发。的开发。 无机化合物超导材料无机化合物超导材料是目前应用较多的一类超导体，是目前应用较多的一类超导体，它它主要有主要有铌三锡铌三锡（Nb3Sn）、钒三镓钒三镓( V3Ga )和和钒三硅钒三硅( V3Si)等。等。 在这一类超导材料中，在这一类超导材料中，铌三锗铌三锗的临界温度最高。

32、的临界温度最高。1973年，在年，在Nb3Ge超导薄膜超导薄膜中观测到中观测到Tc =27.3K，使超导进入，使超导进入了了液氢温区液氢温区。 第一个有机超导体发现于第一个有机超导体发现于1980年，临界温度在年，临界温度在1K以下以下。1988年，又合成出临界温度为年，又合成出临界温度为10K的有机超导体的有机超导体。 目前，有机超导体有两种目前，有机超导体有两种： （a）四甲基四硒富瓦烯类四甲基四硒富瓦烯类（TMTSF单元单元）；）； （b）二四硫富瓦烯类二四硫富瓦烯类（BEDT-TTF单元单元）。 这类有机超导材料的载流子浓度很低，同时还具有磁这类有机超导材料的载流子浓度很低，同时还具有

33、磁性，是探索超导新机制的一个重要领域。性，是探索超导新机制的一个重要领域。但是转变温度但是转变温度不高，不高，在加高压条件下一般仍在在加高压条件下一般仍在10K之内。之内。 1973年以后，首先在稀土三元化合物年以后，首先在稀土三元化合物ErRh4B4(Tc= 8.7 K)和和HoMo6S6(Tc=2K)中发现了中发现了铁磁超导体铁磁超导体。 随后又在随后又在GdMo6S8(Tc=1.4K,TN =0.9K)和和TbMo6S8 (Tc = 1.65K, TN =1K) 等材料中发现了等材料中发现了反铁磁性超导体反铁磁性超导体。 1979年以后，又在含稀土与锕系元素的金属间化合物年以后，又在含稀

34、土与锕系元素的金属间化合物中发现一类新的超导材料中发现一类新的超导材料重费米子超导体重费米子超导体(HFS)。 这类超导体包括这类超导体包括CeCu2Si2(Tc=0.5K)、 UBe12(Tc=1K)和和UPt3(Tc = 0.45K) ，其超导电性与，其超导电性与Ce和和U中具有很高中具有很高有效质量的有效质量的4f及及5f有关。有关。 对于重费米子超导体，对于重费米子超导体，同一格点上的同一格点上的4f 或或 5f 电子间电子间存在强库仑关联，存在强库仑关联，因此因此 HFS 超导体属于强关联电子系超导体属于强关联电子系统，统，具有和具有和 BCS 超导体明显不同的超导态特性。超导体明显

35、不同的超导态特性。 HFS 超导体超导体最突出的一个特性是最突出的一个特性是具有各向异性具有各向异性，其，其费米面上的能隙函数具有零点或零线，费米面上的能隙函数具有零点或零线，属于属于d 波或波或 p波波配对情况配对情况。并且产生配对的吸引并且产生配对的吸引并不非电子并不非电子- 声子相互声子相互作用，作用，极有可能是重费米子之间交换反铁自旋涨落所形极有可能是重费米子之间交换反铁自旋涨落所形成的。成的。 在二十世纪在二十世纪80年代，重费米子超导体的这些奇异特性年代，重费米子超导体的这些奇异特性曾吸引了物理学家探索超导新机制的浓厚兴趣。曾吸引了物理学家探索超导新机制的浓厚兴趣。 但是，但是，由

36、于由于HFS超导体的临界温度很低，所以没有实际的应用超导体的临界温度很低，所以没有实际的应用价值。价值。 早在早在1964年年，人们就在具有钙钛矿结构，人们就在具有钙钛矿结构(ABO3)的氧化的氧化物物SrTiO3中发现了超导电性，其中中发现了超导电性，其中Tc 很低，仅为很低，仅为0.4K。 但是，经过十年多的研究，人们发现：但是，经过十年多的研究，人们发现：在这类在这类AB03结结构的掺杂系统构的掺杂系统(如如BaPb1-xBixO3)中中，当当x = 0.250.3，即接即接近金属近金属绝缘体转变点绝缘体转变点时时，尽管载流子浓度仍然很低，尽管载流子浓度仍然很低，但但Tc却却可以上升到可

37、以上升到13 K，这这与与BCS理论结果不符理论结果不符，因此因此令人费解。令人费解。 同时，理论分析也表明：同时，理论分析也表明：氧化物超导体的超导配对机氧化物超导体的超导配对机制制，不能简单地用不能简单地用BCS的电子的电子声子互作用模型说明，声子互作用模型说明，而而很可能来源于电子很可能来源于电子电子相互作用电子相互作用。 1983年，年，穆勒穆勒提出了氧化物超导电性的研究的计划，提出了氧化物超导电性的研究的计划，并在具有研究并在具有研究ABO3型绝缘化合物型绝缘化合物传统的苏黎世传统的苏黎世 IBM 实实验室验室与与伯诺兹伯诺兹进行合作。进行合作。 在经历了研究在经历了研究La-Ni-

38、O系系的失败之后，的失败之后，他们于他们于1985年年转向对转向对铜氧化合物铜氧化合物进行研究，并在进行研究，并在1986年年4月月公布了他公布了他们在们在La-Ba-Cu-O化合物化合物中观察到起始超导转变温度为中观察到起始超导转变温度为35 K的结果。的结果。 这一结果很快被同行所证实和加以改进，并这一结果很快被同行所证实和加以改进，并在掺人二在掺人二阶金属阶金属M ( Ba、Sr等等)的的La2-xMxCuO4-y 化合物化合物体系中获体系中获得了得了Tc 高于高于40K的超导转变温度。的超导转变温度。为简单起见，人们将为简单起见，人们将这类材料记为这类材料记为La-214。 他们的这一

39、开创性工作，导致了全世界范围内探索高他们的这一开创性工作，导致了全世界范围内探索高温超导体的热潮。温超导体的热潮。 1986年年12月月，中科院物理所中科院物理所赵忠贤赵忠贤教授获得了教授获得了48.6K的超导体，其样品是的超导体，其样品是Sr-La-Cu-O系列系列。 1987年年2月月，美国的美国的朱经武朱经武和我国的和我国的赵忠贤赵忠贤先后独立先后独立地在地在YBa2Cu3O7-y(简称简称Y-123)化合物化合物中发现中发现Tc90K的氧的氧化物高温超导体，首次使超导研究进入了液氮温区。化物高温超导体，首次使超导研究进入了液氮温区。 1988年初年初，又发现了另外两组具有更高又发现了另

40、外两组具有更高Tc的铜氧化物的铜氧化物超导体：超导体： （1）Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x(Bi2223)，其，其Tc = 110 K。 （2）Tl2Ba2Ca2Cu2O10(Tl-2223)，其，其Tc = 125 K。 上述系列都是上述系列都是空穴掺杂型的铜氧化合物空穴掺杂型的铜氧化合物，其正常导电，其正常导电载流子为空穴，称为载流子为空穴，称为空穴型超导体空穴型超导体。1989年日本学者年日本学者在在Nd基氧化物中用基氧化物中用Ce4价离子取代价离子取代Nd3价离子，价离子，获得了第获得了第一例一例电子型氧化物超导体电子型氧化物超导体Nd2-xCuxCuO4，其，其Tc=20K。

41、铜氧化合物高温超导体的研究，反过来又启发和促进铜氧化合物高温超导体的研究，反过来又启发和促进了常规超导体的研究。了常规超导体的研究。 1991年年4月，美国贝尔实验室月，美国贝尔实验室Hebard等人等人首先报道，首先报道，在掺钾的在掺钾的C60中发现中发现18K的超导电性；的超导电性；不久，发现不久，发现掺掺 Rb的的C60中发现中发现28K的超导电性；的超导电性；同年低，得到了同年低，得到了33K超导超导电性的掺电性的掺Cs超导体超导体CsxRbyC60。 1995年发现，年发现，加压后的加压后的Cs3C60的临界温度可达的临界温度可达40K。 2000年，年，美国美国巴特洛格巴特洛格（B

42、atlogg）在在C60晶体表面生晶体表面生长氧化层形成场效应管结构，长氧化层形成场效应管结构，通过调节门电压通过调节门电压可分别可分别在在 C60表层诱生电子或空穴，从而构成了一种载流子浓度表层诱生电子或空穴，从而构成了一种载流子浓度从电子型连续调节到空穴型的掺杂从电子型连续调节到空穴型的掺杂 C60金属系统，并发金属系统，并发现现当每个当每个 C60中注入中注入 33.5个空穴时，最高的个空穴时，最高的Tc = 52K，而而表层注入电子时最高表层注入电子时最高Tc 只有只有10K。 根据报道，当采用扩大的晶格根据报道，当采用扩大的晶格 C60/ /CHBr3 表面层做场表面层做场效应三极管

43、时，超导转变温度可提升到效应三极管时，超导转变温度可提升到Tc = 117K。如果如果C60中再掺人适量的碱金属，中再掺人适量的碱金属，Tc 还可以进一步升高。还可以进一步升高。 C60 掺杂金属原子型化合物属于电声子机制的掺杂金属原子型化合物属于电声子机制的BCS 超超导体，导体，已经证实，已经证实，A3C60 型化合物是各向同性三维超导型化合物是各向同性三维超导体，其临界温度值接近体，其临界温度值接近50K。 2001年初，年初，在金属间化合物在金属间化合物MgB2中发现了中发现了Tc = 39 K的块体超导电性。的块体超导电性。这种超导体是电声子机制的常规超导这种超导体是电声子机制的常规

44、超导材料，它比同类二元金属间化合物材料，它比同类二元金属间化合物Nb3Ge的的Tc 提高了近提高了近12K。若进行掺杂，若进行掺杂，MgB2系统的系统的Tc还可以还可以进一步提高。进一步提高。 C60 系列系列和和二元化合物二元化合物MgB2 的发现，的发现，突破了突破了常规超导常规超导体体Tc 一般不超过一般不超过30 K的传统信念，的传统信念，引起了引起了人们的极大兴人们的极大兴趣，趣，已成为已成为当前超导电性研究的热点问题。当前超导电性研究的热点问题。 这种在富勒烯分子间插入这种在富勒烯分子间插入三氯甲烷三氯甲烷和和三溴甲烷三溴甲烷的高的高Tc 超导体属于超导体属于有机超导体有机超导体。

45、 铜氧化物超导材料铜氧化物超导材料的研究已经进入的研究已经进入从实验室转向工业从实验室转向工业化化，广泛开展实用化研究广泛开展实用化研究，力争较快地逐步投入应用的力争较快地逐步投入应用的阶段阶段。 （1）继续提高临近转变温度，争取获得室温超导体；继续提高临近转变温度，争取获得室温超导体； 目前各国科学家正着重三方面探索目前各国科学家正着重三方面探索: : （2）寻找高温超导的微观机理；寻找高温超导的微观机理； （3）加紧高温超导材料和器件的研制，进一步提高材加紧高温超导材料和器件的研制，进一步提高材料的临近电流密度和临近磁场强度。料的临近电流密度和临近磁场强度。 根据根据铜的配位数铜的配位数，

46、可将，可将氧化物超导体分氧化物超导体分4、5、6三种不同配位数超导体。三种不同配位数超导体。 铜氧化物超导材料中，铜氧化物超导材料中，La系系和和Y系系两个典型超导两个典型超导体的晶格结构如图所示。体的晶格结构如图所示。它们是满足它们是满足 c ba 的近的近四方结构，基本上属于四方结构，基本上属于钙钙钛矿结构钛矿结构的变形。的变形。 这种结构类型中，包括一些由少量二价元素这种结构类型中，包括一些由少量二价元素Ba、Sr、Ca等替代等替代La所形成化合物。所形成化合物。例如，例如，La2-xSrxCuO4超导材超导材料。料。 随着温度从高温到低温，这类体系均发生随着温度从高温到低温，这类体系均

47、发生从四方结构从四方结构到正交结构的相变到正交结构的相变，而其超导转变温度，而其超导转变温度 Tc 大约为大约为20 40K。 这类结构中，既包括一些由三价元素这类结构中，既包括一些由三价元素La、Nd、Sm、Gd、Ag、Ho、Er、Tn、Yb和和Lu等完全地或部分地混等完全地或部分地混合替代合替代Y所形成的化合物，也包括由所形成的化合物，也包括由Ba、La互代的固熔互代的固熔体化合物，体化合物，如如La1-xYxBaCu2Oy等。等。 Y系的超导转变温度一般在系的超导转变温度一般在6090K范围内。范围内。 Tl系列即系列即TlBaCaCuO体系中，包括下列超导相：体系中，包括下列超导相：

48、Tc=80K的的Tl-2201； Tc=90 和和100K的的Tl-2223； Tc=20K的的Tl-1201； Tc=80K的的Tl-1212； Tc=105K的的Tl-1223； Tc=120K的的Tl-1234。 Bi系列即系列即BiSrCaCuO体系中，包括下列超导相：体系中，包括下列超导相： Tc=1020K的的Bi-2201； Tc=85 K的的Bi-2212； Tc=110K的的Bi-2223； 在在氧化物超导体结构中，有一个共同的特征，即氧化物超导体结构中，有一个共同的特征，即存在存在CuO2 平面层平面层。 例如例如，La-214与与Bi-2201中只包含一个中只包含一个 C

49、uO2 平面平面层，层，Y-123 和和Bi-2212中含中含有有2 个平面层，个平面层，而而Bi-2223中则含了中则含了3个平面层。个平面层。 又如又如，具有，具有Tc =125K的的Tl-2223和具有和具有Tc=133K的的Hg-1223 晶格结构中，也晶格结构中，也含有含有3层层CuO2平面。平面。 大量实验表明，大量实验表明，氧化物超导体具有平面导电特性氧化物超导体具有平面导电特性，并，并且且载流子主要在载流子主要在CuO2平面层中运动。平面层中运动。 CuO2层层对超导电性的产生起主要作用，是氧化物中对超导电性的产生起主要作用，是氧化物中的主要导电层，的主要导电层，称为导电单元称

50、为导电单元。 氧化物超导体中的氧化物超导体中的其它部分可以简单地看作是另一个其它部分可以简单地看作是另一个结构单元结构单元，其主要作用是为导电层提供载流子，其主要作用是为导电层提供载流子，称为称为电电荷库单元荷库单元，或简称为，或简称为电荷库电荷库（Charge Reservoir）。 其中，导电单元或导电层一般由其中，导电单元或导电层一般由13层层CuO2平面堆积平面堆积而成，而两相邻导电单元之间的部分，即为电荷库。而成，而两相邻导电单元之间的部分，即为电荷库。为为便于讨论，常将氧化物超导体的结构单元用下面图示形便于讨论，常将氧化物超导体的结构单元用下面图示形象地表示。象地表示。 单层系结构

51、如图所示。单层系结构如图所示。电荷库电荷库导电层导电层导电层导电层CuO2面面CuO2面面 属于单层系结构的氧化物超导体有：属于单层系结构的氧化物超导体有：42CuOSrLaxx（La-214，Tc = 40K）x622CuOSrBi（Bi-2201，Tc = 10K） 双层系结构如图所示。双层系结构如图所示。电荷库电荷库（Cu-O链链）或或（Bi-O双面双面）导电层导电层导电层导电层CuO2面群面群CuO2面群面群 属于双层系结构的氧化属于双层系结构的氧化物超导体有：物超导体有：x632OCuYBa（Y-123，Tc = 90K）8222OCaCuSrBi（Bi-2212，Tc = 85K）

52、) 1( x 三层系结构如图所示。三层系结构如图所示。电荷库电荷库（Bi-O双面双面）导电层导电层导电层导电层CuO2面群面群CuO2面群面群 属于三层系结构的氧化属于三层系结构的氧化物超导体有：物超导体有：103222OCuCaBaTl（Tl-2223，Tc = 125K）x103222OCuCaSrBi（Bi-2223，Tc = 110K）x8322OCuCaHgBa（Hg-1223，Tc = 133K） 在铜氧化物中掺入二价金属在铜氧化物中掺入二价金属Ba、Sr等原子可提高临界等原子可提高临界转变温度，转变温度，因此，高因此，高Tc 氧化物超导体的各系列均掺杂有氧化物超导体的各系列均掺杂

53、有Ba、Sr等元素。等元素。 掺杂可以控制导电层中的载流子浓度，下面以掺杂可以控制导电层中的载流子浓度，下面以La-214中掺杂中掺杂Sr为为例定性说明载流子浓度的变化。例定性说明载流子浓度的变化。 2222)(OCu:CuO)(OLa:LaO23)(OLa:LaO23|e|x222)(OCu24/223/2-1O)(SrLaxx24/223/2-1O)(SrLaxx电荷库电荷库电荷库电荷库42CuOLa42CuOSrLaxx（掺（掺Sr） 在上述掺杂过程中，在上述掺杂过程中，Sr掺入掺入LaO平面上。平面上。 当掺杂浓度为当掺杂浓度为x时，时，在两个在两个LaO平面上，平面上，La的芯态共的

54、芯态共缺少缺少x浓度的电子。浓度的电子。 由于芯态能级低于费米能级，所以位于费米能级附近由于芯态能级低于费米能级，所以位于费米能级附近导电层二维能带中的电子可以向导电层二维能带中的电子可以向电荷库电荷库转移，从而使导转移，从而使导电层中含有电层中含有x浓度的空穴型载流子。浓度的空穴型载流子。 利用上述电荷转移机制，可以说明铜氧化物中既有空利用上述电荷转移机制，可以说明铜氧化物中既有空穴型，又有电子型超导体。穴型，又有电子型超导体。 例如，例如，在在Nd基化合物中掺杂基化合物中掺杂4价价Ce以取代以取代3价价Nd时，时，电荷库中将会多出电子，从而使导电层中的载流子变为电荷库中将会多出电子，从而使

55、导电层中的载流子变为电子。电子。因此因此 42CuOCeNdxx 是电子型氧化物超导体。是电子型氧化物超导体。 当有当有 x 浓度的氧原子从体外进入电荷库时，氧原子将浓度的氧原子从体外进入电荷库时，氧原子将由零价态转变成负二价离子态，从而导致电荷库中缺少由零价态转变成负二价离子态，从而导致电荷库中缺少2x个电子。个电子。 为此，为此，将有一部分电子通过电荷转移从导电层进入电将有一部分电子通过电荷转移从导电层进入电荷库，从而使导电层中出现相应的空穴浓度荷库，从而使导电层中出现相应的空穴浓度。 例如，例如，在在Y-123 超导体中，超导体中，当氧含量增加到当氧含量增加到6+x 时，时，将在导电导电

56、层中产生将在导电导电层中产生x浓度的空穴。浓度的空穴。这些空穴基本处这些空穴基本处于于CuO2 面的氧位上，而不是面的氧位上，而不是靠近层中的铜位靠近层中的铜位形成三价形成三价态铜离子。态铜离子。 显然，显然，通过改变电荷库中的氧含量通过改变电荷库中的氧含量，可以调节导电层可以调节导电层中的载流子浓度中的载流子浓度。 所有铜氧化合物超导体都可以认为是由某些母体化合所有铜氧化合物超导体都可以认为是由某些母体化合物通过掺杂或改变氧含量形成的，而这些化合物均是反物通过掺杂或改变氧含量形成的，而这些化合物均是反铁磁绝缘体铁磁绝缘体（AFI）。 存在存在绝缘性反铁磁母体化合物绝缘性反铁磁母体化合物，是高

57、是高Tc氧化物超导体氧化物超导体的共同特征的共同特征。 根据能带理论，根据能带理论，当将铜氧化合物作为当将铜氧化合物作为近独立电子系统近独立电子系统时，表现为时，表现为金属性金属性；而作为；而作为强关联电子系统强关联电子系统时，则表现时，则表现为为绝缘性绝缘性。 在母体化合物中观测到反铁磁绝缘体的事实在母体化合物中观测到反铁磁绝缘体的事实说明：说明：铜铜氧化合物属于强关联电子体系氧化合物属于强关联电子体系。 进一步的研究表明：进一步的研究表明：在在 CuO2 层体系中，层体系中，存在着存在着很强很强的的层内交换层内交换作用作用和和比较弱比较弱的的层间耦合层间耦合。 这说明，这说明， CuO2

58、平面内平面内近邻近邻 Cu 格点间的交换作用格点间的交换作用 J 是体系的主要相互作用是体系的主要相互作用。 这一特点表明，这一特点表明，铜氧化物高铜氧化物高Tc超导体可以看作是准二超导体可以看作是准二维的强关联电子体系维的强关联电子体系。 由于被电荷库所隔开的导电层之间的耦合远小于层内由于被电荷库所隔开的导电层之间的耦合远小于层内交换作用，所以观测到的交换作用，所以观测到的反铁磁奈耳温度反铁磁奈耳温度都都比层内比层内反铁反铁磁磁交换作用交换作用 J 所对应的温度所对应的温度低低12个数量级个数量级。 在理论上研究氧化物超导电性时，必须超出近独立近在理论上研究氧化物超导电性时，必须超出近独立近

59、似，似，计入同一格点周围自旋取向相反电子之间的强库仑计入同一格点周围自旋取向相反电子之间的强库仑关联关联（即即同位库仑关联同位库仑关联）。 氧化物超导体的通用相图如图所示，氧化物超导体的通用相图如图所示， （1）母体化合物母体化合物通常为反铁磁绝缘通常为反铁磁绝缘体体，出现在出现在I区；区； I绝缘体绝缘体 II绝缘体绝缘体 III强关联金属强关联金属 IV超导体超导体 V正常金属正常金属Tc掺杂程度掺杂程度温度温度 它反映出如下信它反映出如下信息：息： （2）反铁磁长程反铁磁长程序对掺杂极敏感序对掺杂极敏感，当掺杂时当掺杂时反铁磁性反铁磁性迅速消失迅速消失，取而代取而代之的是之的是高度关联的

60、高度关联的自旋液体自旋液体，出现在，出现在II区；区； 区仍存在反铁磁的自旋关联区仍存在反铁磁的自旋关联。 （3）经绝缘体经绝缘体金属转变，系统进金属转变，系统进入强关联金属区，入强关联金属区，其特征往往不能用其特征往往不能用标准费米液体理论标准费米液体理论解释。解释。 I绝缘体绝缘体 II绝缘体绝缘体 III强关联金属强关联金属 IV超导体超导体 V正常金属正常金属Tc掺杂程度掺杂程度温度温度 由于由于IM转变对转变对自旋关联没有明显自旋关联没有明显的影响，所以的影响，所以在在III （4）从从III区降温，系统才能进入高区降温，系统才能进入高Tc超导区域超导区域IV，而，而反铁磁自旋关联反