超導(dǎo)材料新進(jìn)展(1)

1、Seminar Seminar I I超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 報告人：報告人： 周海周海 指導(dǎo)老師：周正有指導(dǎo)老師：周正有 班級：班級： 金屬金屬051051班班v 19111911年，荷蘭萊頓實驗室的卡末林年，荷蘭萊頓實驗室的卡末林昂納斯昂納斯(Karner lngh Onns)(Karner lngh Onns)首次在首次在4 42K2K時發(fā)現(xiàn)水銀零電阻現(xiàn)象即超導(dǎo)現(xiàn)象。他于時發(fā)現(xiàn)水銀零電阻現(xiàn)象即超導(dǎo)現(xiàn)象。他于19131913獲得諾獲得諾貝爾獎。貝爾獎。v 柏諾茲柏諾茲(Bednorz)(Bednorz)和繆勒和繆勒(Miiller)(Miiller)于于19861986年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度年發(fā)現(xiàn)超

2、導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在在3O K3O K溫區(qū)的高溫銅氧化物超導(dǎo)體，為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)值溫區(qū)的高溫銅氧化物超導(dǎo)體，為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)值的高溫超導(dǎo)體開辟了道路。他們于的高溫超導(dǎo)體開辟了道路。他們于19871987年獲諾貝爾獎。年獲諾貝爾獎。v 釔系釔系YBCO(YBa2Cu3O7-x )YBCO(YBa2Cu3O7-x )和鉍系和鉍系BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材材料的發(fā)現(xiàn)使高溫超導(dǎo)材料走入實用化階段。料的發(fā)現(xiàn)使高溫超導(dǎo)材料走入實用化階段。v 超導(dǎo)材料的研究在當(dāng)今與納米科技相結(jié)合走入一個全新的時代。超導(dǎo)材料的研究在當(dāng)今與納米科技相結(jié)合走入一個全

3、新的時代。v我國在中長期科技規(guī)劃中把高溫超導(dǎo)材料列為重點發(fā)展的前沿我國在中長期科技規(guī)劃中把高溫超導(dǎo)材料列為重點發(fā)展的前沿課題（課題（2006-20202006-2020）。）。一些高溫超導(dǎo)體之一些高溫超導(dǎo)體之Tc值值 超導(dǎo)材料的基本物理特征超導(dǎo)材料的基本物理特征：v零電阻現(xiàn)象v完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）v超導(dǎo)態(tài)并非僅取決于溫度(臨界電流和臨界磁場)普通導(dǎo)體超導(dǎo)體 零電阻零電阻 零電阻是超導(dǎo)體的一個重要特性，實驗表明：超導(dǎo)狀態(tài)中零電阻現(xiàn)象不僅與超導(dǎo)體溫度有關(guān)，還與外磁場強度和通過超導(dǎo)體的電流有關(guān)，這意味著存在臨界電流，超過臨界電流就會出現(xiàn)電阻.零電阻 邁斯納效應(yīng)又叫完全抗邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，

4、磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強度恒為出體外，磁感應(yīng)強度恒為零，且不論對導(dǎo)體是先降零，且不論對導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注：注：S表示超導(dǎo)態(tài)表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)表示正常態(tài)觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離

5、低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。力相平衡時，就懸浮不動了。觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離低于錫的轉(zhuǎn)變

6、溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。力相平衡時，就懸浮不動了。觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁

7、鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。力相平衡時，就懸浮不動了。 逐漸增大磁場到達(dá)一定值逐漸增大磁場到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)楹?，超?dǎo)體會從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所正常態(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，需的最小磁

8、場稱為臨界磁場，記為記為Hc。有經(jīng)驗公式：有經(jīng)驗公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常態(tài)正常態(tài)HHc(0)Tc超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài) 超導(dǎo)體無阻載流的能力也超導(dǎo)體無阻載流的能力也是有限的，當(dāng)通過超導(dǎo)體中是有限的，當(dāng)通過超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時，的電流達(dá)到某一特定值時，又會重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)又會重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界生這一相變的電流稱為臨界電流，記為電流，記為Ic。目前，常用。目前，常用電場描述電場描述Ic(V) ，即當(dāng)每厘米，即當(dāng)每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為樣品長度上出現(xiàn)電壓為1 V時所輸送的電流。時所輸送的電流。Ic(V)IV失超超導(dǎo)材料的分類：超導(dǎo)材料的分

9、類：常規(guī)超導(dǎo)體(如Nb-Ti合金)高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體(如如YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7-x-x) ) 非晶超導(dǎo)材料復(fù)合超導(dǎo)材料(如超導(dǎo)線帶材料)重費米子超導(dǎo)體(如CeCu2Si2)有機超導(dǎo)材料(如富勒烯等修飾的化合物)超導(dǎo)材料 BCS超導(dǎo)理論:（美國科學(xué)家巴丁、庫柏和施里弗提出）庫柏對1電子通過聲子作為媒介產(chǎn)生相互吸引作用并逐漸超過庫侖斥力，相成束縛對即庫柏對。2 在超導(dǎo)基態(tài)各個電子的動量可以不同，但是每個庫柏對卻集中在零動量上。 2002年，諾貝爾獎得主Laughlin提出Gossamer超導(dǎo)理論。 德國馬克斯普朗克協(xié)會和普林斯頓大學(xué)1999年4月宣布，通過中子散射實驗，揭

10、示了高 溫超導(dǎo)金屬氧化物電子自旋對的特殊行為。高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)特征高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)特征:層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)組元層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)組元 導(dǎo)電層導(dǎo)電層（銅氧層）（銅氧層）Cu-O6八面體八面體Cu-O5四方錐四方錐 Cu-O4平面四邊形平面四邊形 載流子庫層載流子庫層孔穴型孔穴型電子型電子型調(diào)節(jié)載流調(diào)節(jié)載流子濃度子濃度提供耦提供耦合機制合機制釔鋇銅氧化物（釔鋇銅氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超導(dǎo)體超導(dǎo)體1987年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，Tc90K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破了液氦，解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問題。 美國貝爾實驗室采用快中子輻射氧化釔鋇銅單晶體，使臨界電流密度提高了100倍，達(dá)610

11、A/cm2，美國馬薩諸薩理工學(xué)院用在超導(dǎo)材料中摻入銀等加熱處理的方法，解決了材料的脆弱問題，使強度比超導(dǎo)陶瓷提高了10倍，適用于作輸電線.我國則早已制成零電阻為837 K的超導(dǎo)材料和零電阻為77 K的超導(dǎo)薄膜.鉍鍶鈣銅氧化物（鉍鍶鈣銅氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超導(dǎo)體）超導(dǎo)體Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 層Bi2O2層 鈣鈦礦層Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc達(dá)到了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc達(dá)到了135K, 高壓下Tc達(dá)到了164K。-Michael Vershinin

12、, -Michael Vershinin, Shashank Misra, Shashank Misra, et alet al. . Science,Science,303,1995(2004).303,1995(2004). -Elbio Dagotto -Elbio Dagotto. Science,Science,293,2410(2001).293,2410(2001).銅氧化物和銅氧化物和C C6060超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料Y Y系高溫氧化物超導(dǎo)體的制備系高溫氧化物超導(dǎo)體的制備原料原料(氧化物氧化物或碳酸物或碳酸物)混合混合化學(xué)劑量比燒結(jié)燒結(jié)氧化處理氧化處理熔融織構(gòu)工藝熔融織構(gòu)工藝克服大

13、角晶界塊塊材材帶帶材材離子束輔助沉淀工藝離子束輔助沉淀工藝軋制輔助雙軸織構(gòu)襯底工藝軋制輔助雙軸織構(gòu)襯底工藝薄膜薄膜磁控濺射法磁控濺射法激光沉淀法激光沉淀法BiBi系高溫氧化物超導(dǎo)帶材的制備系高溫氧化物超導(dǎo)帶材的制備: :原材料原材料(氧化物或碳酸物氧化物或碳酸物)混混 合合化學(xué)劑量比煅煅 燒燒研研 磨磨粉末充管粉末充管拉拉 拔拔Ag管軋軋 制制熱處理熱處理壓制壓制/軋制軋制熱處理熱處理重復(fù)高溫超導(dǎo)材料制備所面臨的問題：高溫超導(dǎo)材料制備所面臨的問題： 材料制造成本高, 價格昂貴。 在長距離超導(dǎo)線材的制造上面仍然有很大的難度。（氧化物高溫超導(dǎo)陶瓷材料各向異性和短的電子相干長度以及大量晶界的存在嚴(yán)重

14、影響線材的超導(dǎo)電性。） 高溫超導(dǎo)材料臨界電流和臨界磁場的提高仍是科學(xué)家研究的難題。-Robert F. Serverce.-Robert F. Serverce.ScienceScience,295,786(2002).,295,786(2002).-I. Chong, Z. Hiroi,* M. Izumi, J. Shimoyama, et al. Science,Science,276,770(1997).276,770(1997).PbPb攙雜提高攙雜提高Bi2Sr2CaCu2O8+xBi2Sr2CaCu2O8+x的臨界電流密的臨界電流密度度-Maciek Zgirski, Karri

15、-Pekka Riikonen, et al. Nano letters, 5,6(2005)納米尺度對超導(dǎo)電性的制約作用納米尺度對超導(dǎo)電性的制約作用Yang Guo, Yan-Feng Zhang, Xin-Yu Bao, et al. Science,Science,306,1915(2004).306,1915(2004).量子尺寸效應(yīng)對超導(dǎo)臨界溫度的調(diào)制作用量子尺寸效應(yīng)對超導(dǎo)臨界溫度的調(diào)制作用 Atomic layersupercurrentsiPbS. Kang, A. Goyal, J. Li, A. A. Gapud, et al. Science, 311, 1911(2006

16、).納米材料和超導(dǎo)材料的結(jié)合納米材料和超導(dǎo)材料的結(jié)合 - -Robert F. Serverce.-Robert F. Serverce.ScienceScience,295,786(2002).,295,786(2002). 2001年1月日本東京青山學(xué)院的教授Jun kimitsu宣布了這一發(fā)現(xiàn)。MgB2的臨界超導(dǎo)溫度Tc=40k.二硼化鎂超導(dǎo)材料的新發(fā)現(xiàn)二硼化鎂超導(dǎo)材料的新發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料的應(yīng)用 在電力工程方面的應(yīng)用超 導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的

17、重大變革. 超導(dǎo)發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率超導(dǎo)發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率超導(dǎo)磁流體發(fā)電機超導(dǎo)磁流體發(fā)電機 超導(dǎo)磁流體發(fā)電機以C-A5飛機運往莫斯科超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)在交通運輸方面的應(yīng)用 動用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場可以研制成磁懸浮列車，車輛不受地面阻力的影響，可高速運行，車速達(dá)500 km/h以上，若讓超導(dǎo)磁懸浮列車在真空中運行，車速可達(dá)1 600 km/h，利用超導(dǎo)體制成無摩擦軸承，用于發(fā)射火箭，可將發(fā)射速度提高3倍以上.超導(dǎo)電磁動力船超導(dǎo)電磁動力船 。此種實驗船已于。此種實驗船已于日本有頗為成功之測試日本有頗為成功之測試 。超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)磁浮列車超導(dǎo)磁浮列車 計劃中的加州超導(dǎo)磁浮列車

18、計劃中的加州超導(dǎo)磁浮列車超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預(yù)報.超導(dǎo)超導(dǎo)量子量子干涉干涉儀儀超導(dǎo)材料的應(yīng)用 應(yīng)用于應(yīng)用于原子原子融合之超導(dǎo)科技融合之超導(dǎo)科技 8 T 陰陽超導(dǎo)磁鐵 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 應(yīng)用超導(dǎo)體制成計算機元件，開關(guān)速度可達(dá)到10-12 s，比半導(dǎo)體快1 000倍左右，而功耗僅為微瓦級，體積比半導(dǎo)體元件小1 000倍.用超導(dǎo)芯片制成超級計算機速度快、容量大、體積小、功耗低，美國IBM公司研制的一臺運速為8 000萬次的超

19、導(dǎo)計算機，體積只有電話機那么大.超導(dǎo)材料的應(yīng)用 高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器 （Fig. I-1）CEBAF的電子質(zhì)譜儀超導(dǎo)材料的應(yīng)用 高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器 （Fig. I-2）超導(dǎo)回旋加速器等離子源超導(dǎo)材料的應(yīng)用 高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器 （Fig. I-3）Axion超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用 超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù)，可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等. 核磁共核磁共振斷層振斷層掃描儀掃描儀與人體與人體斷層掃斷層掃描圖描圖超導(dǎo)材料的應(yīng)用 醫(yī)療用醫(yī)療用MRIMRI 2.0 T MRI 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 醫(yī)療用醫(yī)療用MRIMRI 王氏科技公司 1.0 T 開放式MRI超導(dǎo)材料的應(yīng)用 NMR NMR 可磁共振質(zhì)譜儀可磁共振質(zhì)譜儀 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用 超導(dǎo)儲能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展.超導(dǎo)發(fā)電機，推進(jìn)器在飛機上的應(yīng)用可大大提高飛機的生存能力，在航海中的應(yīng)用，可大大減小甚至沒有噪音，推進(jìn)速度快，可大大提高艦艇的生存、