超导材料ppt精选文档.ppt

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1、超导材料ppt本讲稿第一页，共十九页一.超导现象的发现及进展 1911年，昂内斯在液氦温度下研究金属的电阻与温度的关系时，发现温度T=4.2K附近水银样品的电阻从0.125欧姆突然降至零，他把这种现象称为零电阻性或超导电性。出现超导电现象的那个温度称为临界温度或转变温度，用TC表示。自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0.1K9.13K，最高温度为9.13K的是铌元素。1950年，科学家将注意力转向了合金和化合物。1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的临界温度，以后又

2、陆续发现了若干铌系列合金超导体。2本讲稿第二页，共十九页1973年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.3K，该纪录保持了13年。1986年，米勒和贝德诺尔茨发现了一种氧化物（镧-钡-铜-氧化物陶瓷超导材料）具有35K的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”被跨越。1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜

3、基氧化物超导（TC77K)叫做高温超导体。1987年底铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。1991年发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-氧系材料。3本讲稿第三页，共十九页 近年来，人们对超导电性的研究又不断取得新的进展，如发现了新型超导体C60，C60被誉为21世纪新材料的“明星”，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人

4、预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。4本讲稿第四页，共十九页二.相关参量和基本性质.相关参量临界温度(TC)：外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度。TC值因材料不同而异，如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。临界磁场（HC)：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度。临界电流（IC）：使超导态破态而转变为正常态所需的通过超导材料的电流。临街电流密度（JC）:单位面积的临界电流。超导材料在同时满足TC、HC、JC 的条件下方可表现出超导态。对于超导材料来说，这三个参数的值越大越好。5本讲稿第五页，

5、共十九页6本讲稿第六页，共十九页基本性质零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零。原因：超导电子Cooper对的关联效应完全抗磁性(迈斯纳效应）：在临界温度TC以下处在外磁场中的材料内部磁场强度为零。原因：BCS理论认为，正是由于超导电子Cooper对的关联效应，使外磁场很难进入，从而导致了迈斯纳效应7本讲稿第七页，共十九页Josephson效应(Cooper对的隧道效应)对于超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构(S-I-S结构)，当绝缘层的厚度只有几十埃时，超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒形成电流，而隧道结两端没有电压即绝缘层也成了超导体。此时发生的量子力学隧道效应称为“Josephso

6、n效应。同位素效应超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这称为同位素效应，其中M与TC有这样一个关系：TCM1|2=常数例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146K。当通以低于临界电流值IC时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流IIC时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。8本讲稿第八页，共十九页三、超导理论简介现代超导微观理论即BCS理论认为：电子通晶格相互作用，在常温下形成导体的电阻，但在超低温下，这种相互

7、作用是产生电子对（Cooper电子对）的原因。温度越低，所产生的这种电子对越多。超导电子对不能互相独立的运动，只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到干扰时，就要涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其他电子对。这个空间范围内的所有电子对，在动量上彼此关联成为有序的集体。因此，超导电子对在运动时，就不像正常电子那样，被晶体缺陷和晶格振动散射而产生电阻，从而呈现电阻消失的现象。超导理论能较好的说明超导现象和第一类超导体的性质，但是尚不能完满解决完全抗磁性的问题，随着超导材料的发展，BCS理论出现很多不足，超导理论尚不成熟。9本讲稿第九页，共十九页四.超导材料分类超导材料包括的材料大类：常规超导

8、体（如铌钛合金）高温超导体（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）按临界转变温度来分1.低温超导材料具有低临界转变温度（TC30K在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。在常压下有28中元素具有超导特性，其中铌和铅在实际中应用较广.合金系低温超导材料是以为基的二元或三元合金组成的相固溶体，TC在9K以上。如铌锆合金，铌钛合金。超导化合物有如Nb3Sn，V3Ga 等。2.高温超导材料具有高临界转变温度(TC77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物包括铋系、钇系、铊

9、系、汞系等高温超导体系，如钇钡铜氧系材料。按超导体的磁化特性不同可分为两类：第一类超导体在低于临界磁场HC的磁场H重处于超导态，表现出完全抗磁性，即在超导内部B=0；在高于HC的磁场中则处于正常态。第二类超导体有两个临界磁场：下临界磁场HC1和上临界磁场HC2。当外加磁场低于HC1时，第二类超导体也表现出完全抗磁性；当外磁场达到HC1时，就失去完全抗磁性，磁力线开始穿过超导体内部，在达到HC2之前，超导体内的部分区域转变为正常态，其余仍处于超导态，此称为混合态。在混合态时，超导体既具有抗磁性（不完全），又仍没有电阻。当H=HC2时，超导区消失，整个材料都变为正常态。10本讲稿第十页，共十九页五

10、.超导材料的应用一般来说实用超导材料应具备下列条件：尽可能高的临界条件，可以加工成带材，线材或薄膜（可塑能力好），成本不太高。超导输电电能的输送是超导体最重要的应用之一。目前，高温超导(HTS)电力电缆的应用研究发展较快，极有可能首先广泛运用于电力系中。11本讲稿第十一页，共十九页和常规电缆相比，HTS电缆有大容量，低损耗，节约通道，不污染环境，无火灾危险，对外无电磁干扰，不易受核爆等灾害影响的优点。超导储能 利用超导体，可制成高效储能设备由于超导体可以达到非常高的能量密度，可以无损耗贮存巨大的电能，这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来，在用电高峰时释放出来，解决用电不平衡的矛盾。

11、超导储能的损耗较小,转换效率可高达90%,能量储存与释放的响应速度快,可达到数十毫秒左右。12本讲稿第十二页，共十九页超导电机在大型发电机或电动机中，一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输。在高强度磁场下，超导体的电流密度超过铜的电流密度，这表明超导电机单机输出功率可以大大增加。在同样的电机输出功率下，电机重量可以大大下降。小型、轻量、输出功率高、损耗小等超导电机的优点，不仅对于大规模电力工程是重要的，而且对于航海、航空的各种船舶、飞机特别理想。在核能开发中的应用 若想利用热核反应来发电，首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁体能量极高，结构复杂，电磁和机械应力

12、巨大，常规磁体无法承担这一任务。只有通过超导磁体产生强大的磁场，将高温等离子体约束住，并且达到一个所要求的密度，这样才可以实现受控热核反应。13本讲稿第十三页，共十九页超导悬浮列车 由于超导体具有完全抗磁性，在车厢底部装备的超导线圈，路轨上沿途安放金属环，就构成悬浮列车。当列车启动时，由于金属环切割磁力线，将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理，列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点：由于它是悬浮于轨道上行驶，导轨与机车间不存在任何实际接触，没有摩擦，时速可达几百公里；磁悬浮列车可靠性大，维修简便，成本低，能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪声小，时速达300公

13、里/小时，噪声只有65分贝；以电为动力，沿线不排放废气，无污染，是一种绿色环保的交通工具。14本讲稿第十四页，共十九页电子束磁透镜在通常的电子显微镜中，磁透镜的线圈是用铜导线制成的，场强不大，磁场梯度也不高，且时间稳定性较差，使得分辨率难以进一步提高。运用超导磁透镜后，以上缺点得到了克服。目前超导电子显微镜的分辨已可以直接观察晶格结构和遗传物质的结构，已成为科学和生产部门强有力的工具。无损检测SQUID无损检测技术能在大的均匀场中探测到场的微小变化，增加了探测的深度，提高了分辨率，能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定，这是其他探测手段无法办到的。工业上用于探测导体材料的缺陷、内部

14、的腐蚀等，军事上可用于水雷和水下潜艇等的探测。15本讲稿第十五页，共十九页超导探测器用超导体检测红外辐射，已设计制造了各种样式的高TC超导红外探测器。与传统的半导体探测比较，高TC超导探测器在大于20m的长波探测中将为优良的接受器件，填充了电磁波谱中远红外至毫来波段的空白。此外，它还具高集成密度、低功率、高成品率、低价格等优点。这一技术将在天文探测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域有广泛应用。超导计算机超导器件在计算机中运用，将具有许多明显的优点：(1)器件的开关速度比现存半导体器件快23个数量级，比普通半导体Si集成电路，要快一千倍左右；(2)很低的功率。只有半导体器件的千分之一左右

15、，散热问题很容易解决；(3)输出电压在毫伏数量级，而输出电流大于控制线内的电流，具有一定增益，信号检测方便。同时，体积更小，成本更低；另外，因超导抗磁效应，电路布线干扰完全消除，信号准确无畸变。16本讲稿第十六页，共十九页六、超导材料的主要制备技术单晶生长技术新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度，可制备出高纯净度和镶嵌式样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品，但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的主要技术。这种技术使La2-xSrxCuO4晶体生长得到改

16、善，允许对从未掺杂到高度掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。17本讲稿第十七页，共十九页高质量薄膜技术目前，薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE)、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE尤其能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在过去的20多年里，多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体(例如MgB2和RNi2B2C)的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀(脉冲激光沉积)。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原子用来实现超高真空条件下的充分氧化。这使得生长的单晶薄膜的性能已接近乃至超过块状晶体18本讲稿第十八页，共十九页谢 谢 欣 赏19本讲稿第十九页，共十九页