高溫超導(dǎo)體釔鋇銅氧

關(guān)于高溫超導(dǎo)體釔鋇銅氧第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日目錄簡介1基本結(jié)構(gòu)2制備方法3性能及其應(yīng)用4第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.簡介——概念超導(dǎo)材料，又稱為超導(dǎo)體（superconductor）。當(dāng)某導(dǎo)體在一溫度下，可使電阻為零而稱之。兩個特性：零電阻、抗磁性。圖1.1第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.簡介——發(fā)現(xiàn)1911年，荷蘭科學(xué)家卡末林—昂內(nèi)斯用液氦冷卻汞，當(dāng)溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，水銀的電阻完全消失。這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性，此溫度稱為臨界溫度。根據(jù)臨界溫度的不同，超導(dǎo)材料可以被分為：高溫超導(dǎo)材料和低溫超導(dǎo)材料。第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.簡介——發(fā)現(xiàn)

1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果把超導(dǎo)體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應(yīng)線將從超導(dǎo)體中排出，不能通過超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為抗磁性。圖1.2圖1.3第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日1.簡

介——發(fā)現(xiàn)

1987年1月，休斯頓大學(xué)的朱經(jīng)武和阿拉巴馬大學(xué)的吳茂昆，共同發(fā)現(xiàn)了釔鋇銅氧，為首個超導(dǎo)溫度在77K以上的材料，用相對便宜的液氮即可冷卻。之前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體都必須用液氦（4.2K）或液氫冷卻（20K）。圖1.4圖1.5第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——晶胞YBCO為鈣鈦礦缺陷型層狀結(jié)構(gòu)，含有CuO-CuO2-CuO2-CuO交替的層，CuO2層可以有變形和皺褶。釔原子存在于CuO2和CuO2層中，BaO層則在CuO與CuO2兩層之間。圖2.1第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——晶胞Y：1個Ba

：2個Cu

：8×1/8+8×1/4=3O

：8×1/4+7×1/2=11/2這是由于晶胞中的O有缺陷造成的。圖2.1第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——鈣鈦礦型一般而言，氧化物超導(dǎo)體都是鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)派生出來的，稱之為有缺陷的鈣鈦礦型化合物。此類化合物一般都具有理想的配比化學(xué)式ABO3A代表較大離子半徑的陽離子；B代表半徑較小的過渡金屬陽離子；A和B離子的價態(tài)之和為+6。圖2.2第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——鈣鈦礦型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物的組分可通過部分代替而在很寬的范圍內(nèi)發(fā)生變化，也就是說它們在一定的組分范圍內(nèi)可以生成很多保持鈣鈦礦型基本結(jié)構(gòu)的新的化合物。圖2.2第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——鈣鈦礦型用元素部分替代產(chǎn)生的新化合物雖然其結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，但是它們的物理特性往往會發(fā)生很大的改變，部分替代后的化合物的導(dǎo)電性、磁性、超導(dǎo)性等會發(fā)生很大的變化。圖2.2第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——鈣鈦礦型銅氧化物的基本結(jié)構(gòu)大都是層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)或多或少地存在著氧缺位和A晶位陽離子的缺位。圖2.3第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——鈣鈦礦型氧缺位的發(fā)生很普遍，數(shù)量也可以在很大的范圍內(nèi)變化。

A晶位的陽離子也容易出現(xiàn)缺位，同時造成氧過剩。而B晶位上的陽離子與氧離子組成的八面體是ABO3型結(jié)構(gòu)的框架，一般不出現(xiàn)缺位。圖2.4第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——YBCO圖2.5第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——YBCO自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體以來，已經(jīng)有七大氧化物體系。YBCO系超導(dǎo)體有幾種不同的相：123相：YBa2Cu3O7-δ（Y-123相或YBCO）；247相：Y2Ba4Cu7O15（Y-247相）；124相：YBa2Cu3O8（Y-124相）；第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日2.基本結(jié)構(gòu)——YBCO在銅氧化合物超導(dǎo)體中，由于YBCO體系在結(jié)構(gòu)上具有完整的CuO2和Cu-O鏈因而是理想的基礎(chǔ)連接對象，也一直是人們關(guān)注的焦點之一。圖2.6圖2.7第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日3.制備方法——準(zhǔn)備400℃下在馬弗爐中干燥反應(yīng)試劑Y2O3、CuO、BaCO3兩個小時。稱取0.5g的BaCO3和相應(yīng)量的Y2O3、CuO(Y:Ba:Cu=1:2:3)。圖3.1第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日3.制備方法——研磨、壓片在干凈的乳缽中研磨反應(yīng)物直至沒有見到白色的片狀固體(大約需要10min)。模壓1～3個混合物小圓片(d=13mm，厚1～2mm)，置于氧化鋁舟中。圖3.2第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日3.制備方法——加熱使用程序控制的電爐按下列步驟進行加熱：(1)加熱到930℃，維持12h;(2)冷卻到500℃，維持1h;(3)以每小時50℃的速度降溫到400℃;(4)冷卻到室溫。當(dāng)爐子溫度低于400℃，可以用鉗子取出釔鋇銅氧，放在絕緣板上冷卻。第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日3.制備方法——貯存貯存方法：儲存在陰涼、干燥的地方，并保持貯藏器密封。避免與強氧化物、潮濕接觸。確保工作間有良好的通風(fēng)或排氣裝置。第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日超導(dǎo)體零電阻Text抗磁性Text零電阻抗磁性量子隧道效應(yīng)4.性能極其應(yīng)用第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日零電阻Text抗磁性Text4.性能極其應(yīng)用——電應(yīng)用昂尼斯持久電流實驗：1954年，為了證實超導(dǎo)體電阻為零，科學(xué)家將一個鉛制的圓環(huán)，放入溫度低于7.2K的空間，利用電磁感應(yīng)使環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)內(nèi)電流能持續(xù)下去，從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在兩年半的時間內(nèi)的電流一直沒有衰減，當(dāng)溫度升到高于Tc時，圓環(huán)由超導(dǎo)狀態(tài)變正常態(tài)，材料的電阻驟然增大，感應(yīng)電流立刻消失，這就是著名的昂尼斯持久電流實驗。第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日零電阻Text抗磁性Text4.性能極其應(yīng)用——電應(yīng)用大電流應(yīng)用：超導(dǎo)體最理想的應(yīng)用是在城市商業(yè)用電輸送系統(tǒng)當(dāng)中充當(dāng)電纜帶材。常規(guī)電纜的輸送損耗5-8%。然而由于費用過高和冷卻系統(tǒng)難以達到現(xiàn)有要求導(dǎo)致實用化困難重重。但現(xiàn)在已經(jīng)有部分地點進行了試運行。2001年五月，丹麥?zhǔn)锥几绫竟蠹s150,000居民使用上了由超導(dǎo)材料傳送的生活用電。第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日零電阻Text抗磁性Text4.性能極其應(yīng)用——電應(yīng)用大電流應(yīng)用：2001年夏，Pirelli公司為底特律一個能源分局完成了可以輸送1億瓦特功率電能的三條400英尺長高溫超導(dǎo)電纜。這也是美國第一條將電能通過超導(dǎo)材料輸送給用戶的商用電纜。2006年7月住友商事電子在美國能源部和紐約能源研究發(fā)展委員會的支持下進行了一項示范工程——超導(dǎo)DI-BSCCO電纜首次入網(wǎng)運行。到目前為止該電纜承擔(dān)著70,000個家庭的供電需求并且未出現(xiàn)過任何問題。第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日零電阻Text抗磁性Text4.性能極其應(yīng)用——電應(yīng)用電子學(xué)應(yīng)用-超導(dǎo)磁體計算機：高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱。超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日零電阻Text抗磁性Text4.性能極其應(yīng)用——電應(yīng)用圖4.1圖4.2第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日零電阻Text抗磁性Text4.性能極其應(yīng)用——抗磁性邁斯納效應(yīng)：放在磁場中的球形錫在過渡到超導(dǎo)態(tài)的時候，錫球周圍的磁場都突然發(fā)生了變化，磁力線似乎一下子被排斥到導(dǎo)體之外。超導(dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一個無損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場，