功能材料概论7(超导材料).ppt

1、第六章超导材料具有在一定的低温条件下呈零电阻及完全反磁性的材料，6.1超导材料的发展概述，超导零电阻现象的发现1911年，科学家发现金属的电阻与其温度条件有很大关系：温度高时，其电阻增加，温度低时，电阻减少。 总结了金属电阻与温度关系的理论公式。 荷兰物理学家奥尼斯(H. K. Onnes )用汞进行了实验，以验证金属电阻与温度关系的理论公式的正确性。 把水银冷却到-40，闪闪发光的液体水银变成固体，他把水银拉细，一边持续降低温度，一边在不同的温度下测量固体水银的电阻，温度下降到4.2K，水银的电阻突然变为零。 他不太相信这个结果，所以反复进行了实验，结果是一样的。 这一发现震惊了世界物理学界

2、，此后科学家称这种现象为超导现象，将电阻等于零的材料称为超导材料，将产生超导现象的温度称为超导材料的“临界温度”。 大洋葱和许多科学家随后发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。 但是，出现超导现象的临界温度多为接近绝对零度的极低温，没有经济价值。 为了寻找临界温度较高的无电阻材料，世界上无数科学家奋斗了将近60年，但没有取得明显的进展。 但是，发现了一些新现象，发展了一些理论： 1933年迈斯纳尔(Meissner )和奥森菲尔德发现了迈斯纳效应。 1957年提出了BCS理论。 直到1973年，英美科学家发现了在23K出现超导现象的铌锗、铌镓合金(Nb3(Al0.75Ge0.25

3、)、Nb3Ga、NbGe )，此后这项记录保持了10多年。 到了1986年，在瑞士IBM公司实验室工作的贝德诺茨和米勒总结了他人的失败教训，抛弃了在金属和合金中寻找超导材料的旧观念，终于发现钇铜酸陶瓷氧化物材料在43K这一较高温度下出现了超导现象。 这是一个了不起的成就，他们俩同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。 美籍华人学者朱经武、中国物理学家赵忠贤于1987年相继发现了在78.5 K和98 K发生超导现象的钇铜氧系高温超导材料。 199l年，美国和日本科学家还发现球状碳分子60在配合钾、铯、钕等元素后也有超导性。 1995年美国国家洛杉矶阿拉莫斯研究所的科学家已经把高温超导体制成柔软的细

4、带状，因为没有电阻，其导电性是铜线的1200倍以上。 超导材料在液氮以上的温度(77K，-196 )下工作，是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新里程碑。 高温超导材料的研究至今仍在盛行。 高温超导迅速发展，Tc不断上升，达到132K。 6.2传统超导体的微观机理、同位素效应超导能隙库珀电子在干涉长度BCS理论、同位素效应、20年代初同位素效应、超导能隙等方面的发现取得了很大成功，为超导性解谜提供了线索。 同位素效应是麦克斯韦和雷诺在1950年分别测定汞同位素临界转变温度时发现的。 临界温度随汞同位素质量的增加而降低。 得到原子质量m和临界温度Tc的简单关系： Tc=1

5、/M，其中=0.500.03。 该转变温度Tc依赖于同位素质量的现象就是同位素效应。 同种材料的同位素在化学性质、晶体结构、电子构型及静电性质等方面相同，但原子量不同，影响晶格的热振动(晶格振动)特性。 如果构成晶格的离子的质量不同，在某种条件下，晶格振动的频率根据离子的质量而变化，即离子的质量反映结晶的性质。 由式Tc=1/M可知，离子质量反映结晶的性质，临界温度Tc反映电子的性质，因此同位素效应将晶格和电子结合在一起。一般的金属电阻是原子振动引起的电子散射，即晶格振动是电阻的原因。 可知导电性良好的碱金属和贵金属，由于其电子晶格相互作用弱(室温下的电阻小)，因此不是超导体。 常温下导电性差

6、的材料，低温下有可能变成超导体。 固体理论将描述晶格振动的能量子称为声子，同位素效应表明电子声子的相互作用与超导电性有着密切的关系。 临界温度比较高的金属，由于电子声子相互作用强，常温下导电性差。 因此，弗洛里希提出电子声子相互作用是在高温下引起电阻的原因，在低温下引起超导电性。 超导能隙，20世纪50年代，许多实验表明，金属处于超导状态时，超导态的电子谱与正常金属不同，右图是T=0K的电子谱示意图。 其特征是在费米能量EF附近出现半宽的能间隔，该能量内不能存在电子，将其称为超导能隙，能隙约为103104ev级。 在0K中，能量处于能隙下边缘以下的各状态全部占据，能隙以上的各状态全部空闲，这就

7、是超导基态。 超导能隙的出现反映了电子结构从正常状态向超导状态转变过程中发生了深刻的变化，这种变化是f伦敦指出的电子平均动量分布的固化或凝聚。 当频率的电磁波照射到超导体上时，由于超导能隙Eg的存在，而只有在照射频率满足式h Eg时才产生激励过程。 a )当照射频率=0=Eg/h时，超导体开始强烈吸收电磁波。 临界频率0通常位于微波或远红外光谱部分。 b)hEg的情况相当于把eg看作零。 超导体在这些频带上的行为与常规金属的行为相同。 实验表明，超导体的临界频率0与超导体的能隙Eg有一定的关联。 一般超导体的临界频率0级为1011 Hz，对应的超导体能隙级为10-4 eV左右。 根据超导体的不

8、同，Eg也不同，随着温度的上升而减少，当温度达到临界温度Tc时，eg=0，00。 库珀电子对、库珀电子对理论是现代超导理论的基础，认为该理论是超导态由正则动量为零的超导电子组成，是动量空间的凝聚现象，为了产生凝聚现象，必须存在吸引作用。 当电子之间存在这种吸网作用时，菲米面附近存在动量大小相等、方向相反、自旋相反的两个电子束缚状态，其能量低于两个独立电子的总能量，该束缚状态电子对称为库珀电子对。 库珀认为，只要两个电子之间有漂亮的吸引作用，无论其力量多弱都会变成束缚状态。 这种吸引作用超过了电子间的库仑排斥作用，可能显示出单纯的相互吸引作用，这两种电子被称为库珀电子对。 在能量上，构成库珀对的两个电子由于相互作用而使