超导材料新进展

1、Seminar I,高温超导材料的研究进展 报告人： 周海 指导老师：周正有 班级： 金属051班,目录,研究背景 高温超导材料的简介 高温超导材料的制备 超导材料的最新进展 高温超导材料的应用和发展前景,研究背景,1911年，荷兰莱顿实验室的卡末林昂纳斯(Karner lngh Onns)首次在42K时发现水银零电阻现象即超导现象。他于1913获得诺贝尔奖。,柏诺兹(Bednorz)和缪勒(Miiller)于1986年发现超导转变温度在3O K温区的高温铜氧化物超导体，为进一步发现在液氮温区值的高温超导体开辟了道路。他们于1987年获诺贝尔奖。,钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x )和铋系

2、BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。,超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。,我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿课题（2006-2020）。,研究背景,一些高温超导体之Tc值,研究背景,高温超导材料的简介,超导材料的基本物理特征：,零电阻现象,完全抗磁性（迈斯纳效应）,超导态并非仅取决于温度(临界电流和临界磁场),零电阻 零电阻是超导体的一个重要特性，实验表明：超导状态中零电阻现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通过超导体的电流有关，这意味着存在临界电流，超过临界电流就会出现电阻.,零电阻,高温超导材料的

3、简介,迈斯纳效应,迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。,N,N,降温,加场,注：S表示超导态 N表示正常态,高温超导材料的简介,观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不

4、动了。,高温超导材料的简介,观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。,高温超导材料的简介,观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力

5、减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。,高温超导材料的简介,逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为Hc。 有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2),正常态,H,Hc(0),Tc,临界磁场,超导态,高温超导材料的简介,临界电流,超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为Ic。目前，常用电场描述Ic(V) ，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。,高温超导材料的简介,超导材料的分类：,常规超导体(如Nb-Ti合金),高温

6、超导体(如YBa2Cu3O7-x),非晶超导材料,复合超导材料(如超导线带材料),重费米子超导体(如CeCu2Si2),有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物),超导材料,高温超导材料的简介,高温超导材料的简介,BCS超导理论: （美国科学家巴丁、库柏和施里弗提出）,2002年，诺贝尔奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论。,德国马克斯普朗克协会和普林斯顿大学1999年4月宣布，通过中子散射实验，揭示了高 温超导金属氧化物电子自旋对的特殊行为。,高温超导材料的结构特征:,高温超导材料的简介,钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体,高温超导材料的例子,1987年朱经武、吴茂

7、昆、赵忠贤等发现，Tc90K,超导转变温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。,美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡铜单晶体，使临界电流密度提高了100倍，达610 A/cm2，美国马萨诸萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法，解决了材料的脆弱问题，使强度比超导陶瓷提高了10倍，适用于作输电线.我国则早已制成零电阻为837 K的超导材料和零电阻为77 K的超导薄膜.,高温超导材料的例子,铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体,Bi2Sr2Can-1CunO2n+4,n=1 2201相,n=2 2212相,n=3 2223相,n=4 2234相,Cu-O 层,Bi2

8、O2层,钙钛矿层,高温超导材料的例子,Tc100K; Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K; Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K。,-Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).,高温超导材料的例子,-Elbio Dagotto. Science,293,2410(2001).,铜氧化物和C60超导材料,Y系高温氧化物超导体的制备,高温超导材料的制备,高温超导材料的制备,Bi系高温氧化物超导带材的制备:,原材料 (氧化物或碳酸物),混 合,化学剂量比,煅 烧,研

9、磨,粉末充管,拉 拔,Ag管,轧 制,热处理,压制/轧制,热处理,重复,高温超导材料制备所面临的问题：,高温超导材料的制备,-Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).,高温超导材料的制备,-I. Chong, Z. Hiroi,* M. Izumi, J. Shimoyama, et al. Science,276,770(1997).,Pb搀杂提高Bi2Sr2CaCu2O8+x的临界电流密度,-Maciek Zgirski, Karri-Pekka Riikonen, et al. Nano letters, 5,6(2005),超导材料的最新进展,

10、纳米尺度对超导电性的制约作用,超导材料的最新进展,Yang Guo, Yan-Feng Zhang, Xin-Yu Bao, et al. Science,306,1915(2004).,量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用,Atomic layer,supercurrent,S. Kang, A. Goyal, J. Li, A. A. Gapud, et al. Science, 311, 1911(2006).,纳米材料和超导材料的结合,超导材料的最新进展,超导材料的最新进展,-Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).,2001年1月日本东京青山

11、学院的教授Jun kimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界超导温度Tc=40k.,二硼化镁超导材料的新发现,超导材料的应用,在电力工程方面的应用超 导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革.,超导发电机，拥有两万千瓦的功率,超导磁流体发电机,超导磁流体发电机以C-A5飞机运往莫斯科,超导材料的应用,超导技术在交通运输方面的应用 动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车，车辆不受地面阻力的影响，可高速运行，车速达500 km/h以上，若让超导磁悬浮列

12、车在真空中运行，车速可达1 600 km/h，利用超导体制成无摩擦轴承，用于发射火箭，可将发射速度提高3倍以上.,超导电磁动力船 。此种实验船已于日本有颇为成功之测试 。,超导材料的应用,超导磁浮列车,计划中的加州超导磁浮列车,超导材料的应用,超导材料的应用,超导技术在电子工程方面的应用 用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报.,超导量子干涉仪,超导材料的应用,应用于原子融合之超导科技,8 T 阴阳超导磁铁,超导材料的应用,应用超导体制成计算机元件，开关速度可达到10-12 s，比半导体快1

13、 000倍左右，而功耗仅为微瓦级，体积比半导体元件小1 000倍.用超导芯片制成超级计算机速度快、容量大、体积小、功耗低，美国IBM公司研制的一台运速为8 000万次的超导计算机，体积只有电话机那么大.,超导材料的应用,高能量粒子超導加速器及碰撞器,（Fig. I-1）CEBAF的电子质谱仪,超导材料的应用,高能量粒子超導加速器及碰撞器,（Fig. I-2） 超导回旋加速器等离子源,超导材料的应用,高能量粒子超導加速器及碰撞器,（Fig. I-3）Axion,超导材料的应用,超导技术在生物医疗方面的应用 超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤癌细胞等，还可做心电图，脑磁图

14、、肺磁图，研究气功原理等.,核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图,超导材料的应用,医疗用MRI,2.0 T MRI,超导材料的应用,超导材料的应用,医疗用MRI,王氏科技公司 1.0 T 开放式MRI,超导材料的应用,NMR 可磁共振质谱仪,超导材料的应用,超导技术在军事上的应用 超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力，在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能力，超导计算机应用于C3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高等等.,超导材料的应用,超导铣矿磁分离机,（Fig. III-1）Copper Coil,超导材料的应用,应用于高等光源之超导科技,（Fig. II-1）Wavelength