第六章磁性與超導電性

1、浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云第六章磁性Magnesium of Solid超導電性Superconductivity浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云指南針 司馬遷史記描述黃帝作戰(zhàn)用1086年 宋朝沈括夢溪筆談指南針的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可談磁石羅盤用于航海 記載最早著作De Magnete W.Gibert18世紀 奧斯特電流產(chǎn)生磁場19世紀 法拉弟效應在磁場中運動導體產(chǎn)生電流 安培定律 電磁學基礎(chǔ) 電動機、發(fā)電機等開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)磁性材料及磁性的研究歷史浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云1907年 P.Weiss的磁疇和分子場假說1919年 巴克豪森效應1928年

2、 海森堡模型，用量子力學解釋分子場起源1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇1933年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年 Landau和Lifshitz考慮退磁場, 理論上預言了磁疇結(jié)構(gòu)1946年 Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應1948年 Neel建立亞鐵磁理論1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效應的發(fā)現(xiàn)1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)Sagawa(佐川)1986年 高溫超導體，Bednort

3、z-muller1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn), M.N.Baibich1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云原子的磁性角動量：P磁化強度矢量：M為磁旋比PM在外加磁場H下HMMdtd浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁場強度 磁場強度H的單位在國際單位制中為安培/米(A/m)；在CGS制中為奧斯特(Oe)。 1安/米相當于410(-3)奧 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云垂直于磁場方向的1米長的導線，通過1安培的電流，受到磁場的作用力為1牛頓時，通電導線所在處的磁感應強度就

4、是1特斯拉。一般永磁鐵附近的磁感應強度大約是0.4-0.7特，在電機和變壓器的鐵心中，磁感應強度可達0.8-1.4特，通過超導材料的強電流的磁感應強度可達1000特，而地面附近地磁場的磁感應強度大約只有0.5*10的-4次方特 1 T = 1Wb/m2=1N/(As2)=1Kg/(As2) 磁通量密度或磁感應強度 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云愛迪生和特斯拉為什么做了死對頭？ 1912年共同拒絕分享諾貝爾物理獎 愛迪生說過：天才是有1%的靈感，99%的勤奮組成，（只是前半句） 后半句：然而那1%的靈感遠比勤奮重要，！ 其實特斯拉就是一個靈感的天才， 而愛迪生是一個努力的天才 愛迪生大發(fā)明

5、家，例如發(fā)明電燈 特斯拉，發(fā)明了交流電，解決了長途運輸電大量消耗的問題 （磁感應強度單位） 如果交流電成功了，愛迪生直流電燈的市場前景就不好了， 所以他用了很多辦法讓人們對交流電產(chǎn)生恐懼感。 直到芝加哥世博會， 特斯拉的交流電發(fā)揮了巨大的作用，從而戰(zhàn)勝了直流電?。ň窒扌?，交流電一樣用電燈） 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 自旋電子學研究背景自旋電子學研究背景 巨磁阻效應巨磁阻效應(GMR) 標志自旋電子標志自旋電子學的出現(xiàn)；第一代自旋器件：巨學的

6、出現(xiàn)；第一代自旋器件：巨磁阻讀頭磁阻讀頭 第二代自旋器件（半導體自旋器第二代自旋器件（半導體自旋器件）：件）：使自旋極化的自旋源；將使自旋極化的自旋源；將自旋注入到傳統(tǒng)半導體中自旋注入到傳統(tǒng)半導體中 稀磁半導體稀磁半導體：磁極子的局域磁矩：磁極子的局域磁矩與電子（空穴）的自旋相互作用；與電子（空穴）的自旋相互作用；與傳統(tǒng)半導體兼容，是良好的自與傳統(tǒng)半導體兼容，是良好的自旋源旋源 處理信息處理信息 信息存儲、處理同時進行信息存儲、處理同時進行 稀磁半導體稀磁半導體 存儲信息存儲信息 磁性材料磁性材料 半導體半導體 電子的電荷電子的電荷現(xiàn)代信息技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù) 電子的自旋電子的自旋第二代自旋器件第

7、二代自旋器件 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 上世紀的60 年代,光學和電學特性,居里溫度(TC)在約為2 K InMnAs(PRL, 1992 ) 和GaMnAs (APL, 1996 ) TC75 K GaMnAs 的TC已經(jīng)達到170 K (Nat. Mater., 2005) Zener模型理論預測2000 Science ;隨后,首次實現(xiàn)室溫磁性室溫磁性(Co: TiO2, Science, 2001; Co:ZnO, APL, 2001) 對過渡金屬對過渡金屬Mn,Co,Fe,Ni, Cr,V等等摻雜摻雜 ZnO, TiO2, SnO2, GaN, GaP等體系等體系展開研究

8、展開研究, ,實現(xiàn)室溫磁性實現(xiàn)室溫磁性 發(fā)現(xiàn)許多奇特低溫磁光性質(zhì)和磁傳輸,如巨Zeeman 效應,巨Faraday 旋轉(zhuǎn),反常Hall效應,負GMR 等sp-d 交換相互作交換相互作用模型解釋用模型解釋DMS的磁性的磁性DMS的研究概況的研究概況 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云2007年諾貝爾物理學獎 法國科學家阿爾貝費爾 德國科學家彼得格林貝格爾 1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)：非常弱小磁性變化就能導致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化費爾在鐵、鉻相間的多層膜中發(fā)現(xiàn)，他把這種效應命名為巨磁阻效應（Giant Magneto-Resistive，GMR）格林貝格爾在具有層間反平行磁

9、化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁性材料應用舉例之一磁記錄浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁性材料應用舉例之一磁記錄浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云磁性材料應用舉例之一磁記錄浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導電性的發(fā)現(xiàn)及超導體的基本性質(zhì)浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 H.K.昂尼斯昂尼斯 在低溫下研在低溫下研究物質(zhì)的性究物質(zhì)的性質(zhì)并制成液質(zhì)并制成液態(tài)氦態(tài)氦 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云B=M+HB=0M= H浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云0tB浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云

10、J.巴丁巴丁提出所謂提出所謂BCS理論的超導性理論理論的超導性理論L.N.庫珀庫珀J.R.斯萊弗斯萊弗浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 B.D.約瑟夫森約瑟夫森 發(fā)現(xiàn)固體中隧道現(xiàn)象，理論上預發(fā)現(xiàn)固體中隧道現(xiàn)象，理論上預言超導電流能夠通過隧道阻擋層言超導電流能夠通過隧道阻擋層(即約瑟夫森效應即約瑟夫森效應)I.迦埃弗迦埃弗 從實驗上發(fā)現(xiàn)超導從實驗上發(fā)現(xiàn)超導體中的隧道效應體中的隧道效應浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導電性研究歷史浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導體的實驗研究一、超導體晶體結(jié)構(gòu)研究 19101950：Bragg方程和Laue方程已經(jīng)廣泛應用， XRD晶體結(jié)構(gòu)研究極為

11、普遍， XRD衍射結(jié)果表明超導態(tài)與正常態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)完全相同 超導態(tài)是熱力學上的穩(wěn)定狀態(tài)NS轉(zhuǎn)變不是由晶體結(jié)構(gòu)（原子排列）變化而引起的相變轉(zhuǎn)變浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫超導體簡介高溫氧化物超導體(Tc77K)臨界溫度Tc 達到液氮溫度（77K）以上的超導材料稱為高溫超導材料1986年IBM蘇黎世實驗室La-Ba-Cu-O 30K美、中、日科學家La-Ba-Cu-OSr-Ba-Cu-O 57K1987年休斯敦大學，朱經(jīng)武中科院，趙忠賢Y-Ba-Cu-O 98K至今已發(fā)現(xiàn)至今已發(fā)現(xiàn)70余種高溫超導材料浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 J.G.柏諾茲柏諾茲發(fā)現(xiàn)新的超導材料發(fā)現(xiàn)新的超導

12、材料K.A.穆勒穆勒浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫氧化物超導體的結(jié)構(gòu)特點： 具有層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu) 晶格結(jié)構(gòu)中存在Cu-O 層面高溫超導體的導電平面 氧含量和分布對性能有重要影響浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫氧化物超導體的反常特性（1） 電阻率的溫度特性：線性關(guān)系（2） 霍爾系數(shù)的溫度特性：隨溫度上升而單調(diào)下降（3） 光電導的反常特性（4） 超導能隙的各向異性（5） 電子電子關(guān)聯(lián)性（6） 臨界磁場高，相干長度卻很短反常特性無法用低溫超導理論(BCS 理論)來解釋，對超導理論的研究提出了新課題和新研究方向浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云設(shè)備：研缽+ 電爐工藝：混勻原材料 燒

13、結(jié)研磨成形燒結(jié)再研磨成形燒結(jié)優(yōu)點：簡單、實用、易于控制或改變合成條件產(chǎn)品,如優(yōu)質(zhì)大塊樣品， 高質(zhì)量粉料高溫超導材料的制備高溫超導薄膜在基片上鍍膜膜厚100 nm涂布法 機械熱加工法濺射法 分子外延法照射法 蒸汽淀積法混合法 脈沖準分子激光法蒸發(fā)法 化學汽相沉積法浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云超導電性的應用舉例浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云高溫超導實用化誘人前景電力能源方面：輸電電纜、發(fā)電機、電動機、變壓器 超導化超導儲能系統(tǒng) 大型電機設(shè)備形狀與性能的革命能源工業(yè)： 超導貯能調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷 超導磁體約束的等離子體和可能產(chǎn)生的核聚變電子學方面： 超導計算機研究： 計算速度高，體積小，功耗低，使用方便 信息儲存量大醫(yī)學和生物方面：核磁共振計算機斷層診