超导材料介绍课件

超导材料介绍第1页第2页超超 导导 材材 料料 简简 介介第3页一、超一、超 导导 概概 述述昂内斯(中间白衣者)在他所创立的低温实验室内昂内斯昂内斯(18531926)荷兰低温物理学家荷兰低温物理学家1908年成功地液化了氦气，年成功地液化了氦气，1911年发现了年发现了某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超导电性超导电性”现象，现象，于于 1913年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖。HgInSnPb4.15K3.4K3.7K7.2K氧氮氮90.2K77.3K4.2/1.7K第4页1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论(BCS)，于，于1972年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性。这一理论能对超导电性作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。的研究与应用。第5页约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。第6页1986年缪勒和柏德诺兹发现了年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧钡镧铜氧体系高温超导化合物。于铜氧体系高温超导化合物。于1987年获得若贝尔奖年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。第7页金兹伯格 莱格特 阿布里科索夫2003年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢阿阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利金兹伯格金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼和美国伊利诺斯大学教授安东尼莱格特，以奖励他们在超导和超莱格特，以奖励他们在超导和超流理论方面的先驱性贡献。流理论方面的先驱性贡献。第8页吴茂昆吴茂昆朱经武朱经武赵忠贤赵忠贤 陈立泉陈立泉钇钡铜氧化合物钇钡铜氧化合物,1987,1987年年2 2月，月，92K锶镧铜氧锶镧铜氧(1987年初，年初，48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，铋系超导体铋系超导体第9页二、超导电性的基本特征二、超导电性的基本特征Zero Resistance-No Power LossMeissner Effect-Act as Magnet Critical Properties-Tc,Jc,Hc Josephson Effects-Electron Tunnelling 第10页在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这一现象的温度叫超导转变温度一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。零电阻效应是超导态的一个基本特征。零电阻效应是超导态的一个基本特征。不同导体的电阻-温度曲线水银的零电阻效应第11页处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。超导体排斥力使永久磁环悬浮第12页外磁场在试样表面产生感应电流（外磁场在试样表面产生感应电流（b）。此电流所经路径电阻）。此电流所经路径电阻为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出（磁场从超导体内挤出（c），故称磁抗感应电流，又因其能起），故称磁抗感应电流，又因其能起着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽电流。着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽电流。第13页超导态是一个超导态是一个热力学平衡现热力学平衡现象，抗磁性可象，抗磁性可逆；理想导体逆；理想导体的这种磁性质的这种磁性质与加场过程有与加场过程有关，不可逆。关，不可逆。第14页临界温度临界温度Tc临界磁场临界磁场Hc临界电流密度临界电流密度Jc一些金属超导体临界一些金属超导体临界磁场与温度的关系磁场与温度的关系维持超导状态的必要条件维持超导状态的必要条件第15页超导隧道结（约瑟夫森结）示意图弱连接超导体：弱连接超导体：S-I-S两超导体中间的绝缘（真空，两超导体中间的绝缘（真空，正常）层也能让超导电流通过正常）层也能让超导电流通过的现象叫超导隧道效应。的现象叫超导隧道效应。第16页电阻（率）-温度曲线，磁化率-温度曲线，比热容-温度曲线第17页水银的零电阻效应MgB2的x-T曲线锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容第18页主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁场，即下临界场场，即下临界场Hc1和上临界场和上临界场Hc2。允许磁场通过。允许磁场通过。它们具有完全的迈斯纳效应（完它们具有完全的迈斯纳效应（完全的抗磁性）。如果外部磁场过全的抗磁性）。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。强，就会破坏超导体的超导性能。这类超导体只有两个态，即低温这类超导体只有两个态，即低温超导态和正常态。主要是金属超超导态和正常态。主要是金属超导体。导体。0TcTH Hc超导态超导态正常态正常态第19页HTTcNHc2SMeissnerMixedHc10,0=r rB0,0=r rB第20页Flux penetrates above the Superconductivity survives up to the Most alloys,HTS,MgB2.TTc0HHc1TTcHc1HHc2第21页超导现象的物理本质超导现象的物理本质1957年由巴丁（年由巴丁（Bardeen）、库珀（）、库珀（Cooper）和施里）和施里弗（弗（Sehriffer）合作创建了超导微观理论）合作创建了超导微观理论(BCS)。库珀库珀电子对电子对库珀电子对通过格波相互作用，库珀电子对通过格波相互作用，其作用范围为其作用范围为10-610-9m；每个库珀电子对的总动量相当，每个库珀电子对的总动量相当，这是零电阻产生的根源；这是零电阻产生的根源；材料变为超导态后，电子结为材料变为超导态后，电子结为 库珀对，能量降低库珀对，能量降低2，称其为，称其为 超导体的能隙。超导体的能隙。第22页超导体的能隙超导体的能隙能隙随温度变化的曲线能隙随温度变化的曲线21)(1 4.62ccTTT=02正常态正常态超导态超导态费米能费米能正常态正常态超导态超导态费米能费米能2能能 量量T0K,0KTTc第23页三、超三、超 导导 材材 料的种类料的种类第24页大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高临界转化温度临界转化温度(9.2K)(9.2K)；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一类类;大多数超导合金和化合物则属于第二类。大多数超导合金和化合物则属于第二类。第25页科学家科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族年发现以钚为基础的新的超导体族 美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素研究所，以约翰研究所，以约翰尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。时会变成超导体。第26页 组成元素都具有超导性组成元素都具有超导性合金合金Nb3SnNbTiV3GaNb3GeTc(K)18.19.516.523.2 组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性合金合金La2C3C8KMgB2Tc(K)5.911.09.539第27页第28页镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物铌钛（铌钛（NbTi）合金，）合金，Nb3Sn等金属间化合物等金属间化合物铜稳定化多芯扭绞超导线材Nb3Sn的截面1234Tc=18.2K超导微波器件（超导微波器件（YBCO高温超导薄膜）高温超导薄膜）超导量子干涉器件（超导量子干涉器件（SQUID）第29页。化学通式一般写为，R表示某一种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导态。这个化学分子式中含两个（R，Ba）类原子，一个Cu原子，4个氧原子，所以被称为214结构。在晶格中，R和Ba的位置是等价的，所以这里把它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，所以在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为这个家族的超导转变温度约为36K。目前已被发现的高温超导体目前已被发现的高温超导体铜基氧化物超导体分为五大家族铜基氧化物超导体分为五大家族。化学通式为，R同样表示某个稀土元素。至少有13种稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这个家族的分子式中金属元素的个数分别为金属元素的个数分别为1，2和和3，所以人们把这三种家族称为123超导体家族。因为元素的增多，人们习惯上不再把氧原子写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员的稀土元素是钇（Y），所以人们也常把123家族称为钇家族。123家族的超导转变家族的超导转变温度为温度为90K左右左右。第30页铋超导家族的化学通式为，n=2,3。也就是说这个家族有两个成员，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习惯上称为铋2212相和铋2223相。铋铋2212相的超导转变温度为相的超导转变温度为85K，铋铋2223相的超导转变温度为相的超导转变温度为110K。在铋2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超导性能会得到改善。第31页铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。第一个分族的分子通式为，n=1,2,3。这个家族有三个主要成员，即2201相，2212相和2223相。2201相（Tl2Ba2CuO6）的超导转变温度为90K，2212相（Tl2Ba2CaCu2O8）的超导转变温度为110K。2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超导转变温度为125K。因这一分族的每个这一分族的每个成员的分子式里都含有两个成员的分子式里都含有两个Tl原子，在晶体结构上对应两个铊原子层原子，在晶体结构上对应两个铊原子层，所以人们又把这个分族叫做铊双层分族。另一个分族的化学分子通式为，n=1,2,3。这个通式中的(Ba,Sr)表示这个位置可以是Ba也可以是Sr。当这个位置的原子是Sr时，Ca可以被某一种稀土元素（R）部分取代。能参与取代的稀土元素达15种之多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个，即1201相，1212相和1223相。因为每个相的(Ba,Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr，所以结构上的三个相在化学组成上就分成了TlBa2CuO5,TlSr2CuO5；TlBa2CaCu2O7，TlSr2CaCu2O7；TlBa2Ca2Cu3O9，TlSr2Ca2Cu3O9 6个成员。而每个含Sr的成员的Ca又可以被稀土元素取代。所以这个分族有成员几十个。因这个分族每一个分子中只含这个分族每一个分子中只含一个铊原子，即在晶格中只有一层铊原子，所以人们又常把这个分族称为铊一个铊原子，即在晶格中只有一层铊原子，所以人们又常把这个分族称为铊单层分族单层分族。铊单层分族的1201相、1212相和1223相的超导转变温度分别为45K，95K和120K。第32页汞超导家族的化学通式为，n=1,2,3。因这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下标上有+x。这个家族的主要成员有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，这三个相的转变温度分别为85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今为止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。高温超导体是金属氧化物，在本质上是陶瓷材料，所以有的人将其称为陶瓷超导材料。第33页第34页 高温超导线材的制备工艺高温超导线材的制备工艺 第35页Nature 2001,410,63-64MgB2第36页第37页第38页MgB2的结构的结构From O.Jepsen as appeared in Canfield et.al.Physics Today,March 2003,p.34 Hexagonal AlB2 type structure(P 6/m m m)Alternating layers of hexagonal Mg and honeycomb B第39页2D Bonding px,py()3D Bonding pz()3D Antibonding pz()(quasi)2D cylinders derived from orbitals 3D sheets from orbitals two superconducting gaps:6.8 meV,1.8 meV第40页MgB2的性质的性质第41页沸石晶体内的超导纳米碳管沸石晶体内的超导纳米碳管王宁博士王宁博士(左）用电镜观察纳米左）用电镜观察纳米碳管，旁为汤子康博士。碳管，旁为汤子康博士。电镜下的纳米碳管电镜下的纳米碳管 N.Wang,Z.K.Tang,G.D.Li,J.S.Chen,Nature 2000,408,50Science,2001,292,2462第42页u用超导材料作成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研用超导材料作成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解决人类的能源和交通问题；超导列车，以解决人类的能源和交通问题；u用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；u用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。人的各种复杂疾病的治疗。从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：四、超四、超 导导 材材 料的应用料的应用第43页中德总理乘坐上海磁浮列车中德总理乘坐上海磁浮列车上海磁浮列车上海磁浮列车第44页日本超导磁悬浮列车MAGLEV超导磁悬浮列车导轨超导型磁悬浮列车超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型也称超导磁斥型 (Magnetically Levitated Trains)第45页第46页 电磁悬浮系统（Electro Magnetic System）:依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.(左图)电力悬浮系统（Electro Dynamic System）:将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列.(右图)第47页2005年年5月月14日，由西南交通大学研制的世界第一台高日，由西南交通大学研制的世界第一台高温超导磁悬浮列车首次公开亮相成都市首届科技节。温超导磁悬浮列车首次公开亮相成都市首届科技节。第48页超导材料最诱人的应用是发电超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。、输电和储能。由于超导材料在超导状态由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，因此只需消耗极少的电能，就可以获得就可以获得1010万高斯以上的稳万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需体，要产生这么大的磁场，需要消耗要消耗3.53.5兆瓦的电能及大量的兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。超导输电线路等。第49页超导磁铁应用于国际空间站超导磁铁应用于国际空间站阿尔法磁谱仪(AMS-02)：寻找反物质、寻找暗物质和测量宇宙射线 第50页3.3.高能量粒子超导加速器及碰撞器高能量粒子超导加速器及碰撞器超导回旋加速器等离子源超导回旋加速器等离子源CEBAF的电子质谱仪的电子质谱仪第51页超导磁流体发电机以超导磁流体发电机以C-5A飞机运往莫斯科飞机运往莫斯科第52页5.5.超导计算机超导计算机第53页6.6.超导量子干涉仪超导量子干涉仪利用超导量子干涉元件（利用超导量子干涉元件（SQUID）结合电子、机械、低温、）结合电子、机械、低温、真空等技术来测量磁化率的精密仪器。真空等技术来测量磁化率的精密仪器。第54页7.7.超导滤波器超导滤波器第55页8.8.离子回旋共振超导质谱仪离子回旋共振超导质谱仪第56页9 9、电力应用、电力应用 高温超导体的发现使得超导技术的应用进一步延伸到电力工业中，也使人们期待那些过去无法实现的电力装备能够由于超导技术的应用而得到解决。超导技术在电力中的应用主要包括：超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等。第57页10 10、育、育 种种 农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用下，农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用下，能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特性能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特性等。一般而言，等。一般而言，磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响比较大比较大，其作用机制是：磁场，其作用机制是：磁场基因基因酶酶代谢代谢结构与功能。结构与功能。实验研究的结果表明，经过强磁场作用的农作物种子，其最终实验研究的结果表明，经过强磁场作用的农作物种子，其最终产量将能够提高产量将能够提高5-10%。第58页扫雷扫雷超导电磁炮超导电磁炮超导芯片超导芯片超导飞船超导飞船医用医用MRI