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1、功能材料超导材料制造科学与工程学院2复习 超导体的两个基本特性及其关系、三个临界参数零电阻效应和迈斯纳效应 由正常态转变到超导态,即电阻变为零的温度为临界温 度； 将可以破坏超导态所需的最小磁场强度称为称为临界磁 场; 产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流称 为临界电流。 BCS理论及其不足3Contents超导现象及超导材料的基本性质1超导体的发展及分类2超导材料的应用3超导材料的发展展望4结束语541911年Onnes H K研究发现，当温度降到4.2K时，汞的电 阻率突然降低到接近于零。称为汞的超导现象。超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现了上千种 超导材料。1.超导现象及
2、基本性质超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。5基本特性：零电阻现象和迈斯纳效应v零电阻现象(材料温度降至TC时，电阻变为零)1.1超导体的基本特性*ResistanceNormal MetalSuperconductor TcT6v完全抗磁性（迈斯纳效应-磁感应 强度总为零)NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态因为外磁场的磁化使超导体表面产生感应电流，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵消，导致超导体内部磁场为零。 1.1超导体的基本特性7迈斯纳效应： 材料进入超导态后，不允许磁场 存在在它的体内1.1
3、超导体的基本特性超导体铁磁体8两者关系：零电阻效应和迈斯纳效应相互独立又相互联系：单纯的零电阻不能保证具有迈斯纳效应；而迈斯纳效应存在必定满足零电阻效应。1.1超导体的基本特性9若要判断是否为超导体则至少必须符合下列四项：1.必须在一确定的温度实现零电阻转变2.在零电阻状态必须有迈斯纳效应存在3.这个现象必须具有一定的稳定性及重现性4.此一现象还需经由其它实验室重复和验证1.1超导体的基本特性10(1)临界温度（Tc）超导体从常导态转变为超导态的温度为临界温度。 即临界温度就是电阻突然变为零时的温度。目前已知的金属超导材料中铑的临界温度最低，为 0.0002K， Nb3Ge最高，为 23.3K
4、。由于材料的组织结构不同,导致临界温度跨越了一个 个温度区域。 4个临界温度参数1.2超导体的临界参数*11 临界温度参数：a.起始转变温度TC(on set) ，即材料开始偏离常导态线性关系时的温度；b.零电阻温度TC(n=0) ；c.转变温度宽度TC；d.中间临界温度TC(mid).1.2超导体的临界参数12(2)临界磁场（HC）足够的磁场会破坏超导性。将可以破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场（HC）1.2超导体的临界参数Ho绝对温度时的临界磁场13(3)临界电流（IC）产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流临界电流（IC）IC=I (-T2/TC)I绝对零度时的临界电流;a
5、超导体形成回路半径21.2超导体的临界参数14三者具有明显的相关性。只有当三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象（由Tc、Hc，Ic形成的闭合曲面内为超导态）。(4)三个临界参数的关系1.2超导体的临界参数15（按迈斯纳效应分） (1)第一类超导体（软超导体）当H HC 时，B0 (H+M)第一类超导体只有一个临界磁场， 即HC 只有一个特征值。特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态 ，并且具有完全抗磁性。1.3超导体的种类16（按迈斯纳效应分） (1)第一类超导体（软超导体）除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体。临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。1.3
6、超导体的种类17(2)第二类超导体（硬超导体）当H HC2 时，B(H+M)1.3超导体的种类18 (2)第二类超导体（硬超导体） A 由正常态转变为超导态时有一个中间态 B 混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有 C 有更高的临界磁场、临界电流密度和更高的临界温度 1.3超导体的种类钒、铌以及大多数合金或化合物超导体均属于第二类191.4超导体的微观机制1.4.1 BCS理论1957年 J.巴丁(美) L.N.库珀(美) J.R.斯莱弗(美) 提出所谓BCS理论的超导性理论。(1972年获诺贝尔物理学奖)20常导体导电性：在常温下，金属原子失去外层电子，自由电子无序地充满在正离子周围。在电
7、压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。1.4.1 BCS理论211.4.1 BCS理论BCS理论：当超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”，会形成“电子对”（即“库珀电子对”）。温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固。在电压的作用下，有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。22当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。以上就是著名的BCS理论，它表现了目前许多科学家对超导现象的理解，但这并不是最终答案，不能解释30K以上超导现象。高温超导体的发现又需要人们进一步探索超导的奥秘。1.4.1 BCS理论23隧
8、道效应：电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒（阻挡层）的本领。 穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。如果在两块Al夹入一层很薄的势垒(10-10m)，当在两块Al之间加上电势差后，就有电流流过绝缘层，这就是正常金属的隧道效应。1.4.2 隧道效应24 经典经典 量子量子隧道隧道 效应效应UEUEU251.4.2 隧道效应1962年，剑桥大学的约瑟夫逊计算表明，当绝 缘层小于1.5210-9m时，除了正常电子的隧道电流外，还会出现一种与库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀电子对穿越势垒后，仍保持其配对的 形式。这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫逊效应。 26 所谓约瑟夫逊效应就
9、是把两个超导体材料靠得非常 近时，即使它们之间的物质是绝缘的也会有电流流 过 运用这个效应的器件就叫做约瑟夫逊元件通过调 节两块超导体间的绝缘层的厚薄，可以使其电压比 某一特定值大时才有电流通过，小时则没有。 可以用约瑟夫逊元件测量弱磁场和弱电流。1.4.2 隧道效应272.超导材料的发展及分类1913年 H.K.昂尼斯(荷兰) 在低温下研究物质的性质并发现了汞的零电阻现象；1972年 J.巴丁(美) L.N.库珀(美) J.R.斯莱弗(美) 提出BCS超导性理论； 1973年 B.D.约瑟夫森(英) 关于固体中隧道现象的发现,从理论上 预言了超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应)；19
10、88年 J.G.柏诺兹(美) K.A.穆勒(美) 发现新超导体 (LaBaCuO)2003年 A阿布里科索夫、A莱格特(美)、W金茨堡(俄)“表彰三人在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。 超导研究获诺贝尔物理学奖情况281988 Nobel 1913 Nobel 75 yrs1987朱经武(C.W.Chu)、吴茂昆 (M.K.Wu) discovered YBaCuO with Tc 77KAir = 78% N2HTS (still -150-200oC)Could it be you?2.1超导材料的发展29u低温超导体：元素超导体，合金超导体，化合物超导体u高温超导体：氧化物超导体，
11、非氧化物超导体u非晶态超导体、复合超导体等2.2 超导材料的分类30在低温常压下，具有超导特性的元素共有32种，由于Tc太低，无太大实用价值。Nb最高，仅为9.26K2.2.1低温超导体(1) 元素超导体31(2)合金超导体(第二类超导体)特点：具有较高的Tc和高的Hc及Ic；机械强度高、应力应变较小、塑性好、成本低易于大量生产的超导体，在超导磁体、超导大电流输送等得到实际应用。超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系。2.2.1低温超导体32a. Nb-Ti合金性能稳定，生产成本低，制造工艺成熟。使用最为广泛，制造超导线材。Nb-Ti合金的TC随成分而变化。含Ti为
12、50%时，TC为9.9K；同时，随Ti含量增加，强磁场的特性会提高。2.2.1低温超导体33b. Nb-Zr合金（应用最早的超导线）特点：低磁场、高电流，延展性好、抗拉强度高。但工艺复杂，制造成本高，逐渐被Nb-Ti合金替代。在含1030%Zr时，TC最大，为11K；临界磁场也取决于Zr的含量，含6575%时达到最大。2.2.1低温超导体34c. 三元系合金（改善二元合金的性能）主要有：Nb-Zr-Ti、Nb-Ti-Ta、Nb-Ti-Hf等是制造磁流体发电机大型磁体的理想材料。如：Nb-Ti-Ta合金，加入5%的Ta，TC升高1K;对合金热处理(400oC)后，可以提高IC。2.2.1低温超导
13、体磁流体发电，是将带电的流体(离子气体或液体)以极高的速 度喷射到磁场中去，利用磁场对带电的流体产生的作用，从 而发出电来。35(3)化合物超导体一般为金属间化合物(过渡族金属元素之间形成 )金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高(Nb3Sn化合物临界温度可达18K)用作强磁场超导材料但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。2.2.1低温超导体36(3)化合物超导体Nb3Sn超导化合物：高的临界温度（18K），高临界磁场（4.2K下，22.1T），高临界电流（10T下，4.5105A/cm3），用来制作815T的超导磁体。超导性能与化学成分、制备方法、热加工工艺等密
14、切相关。2.2.1低温超导体37(3)化合物超导体Nb3(Al,Ge)化合物： (Nb3Ge临界温度23.2K)特点：高临界磁场（4.2K下，42T），是现有超导材料中最高的；较低的临界电流（103104A/cm3。2.2.1低温超导体382.2.1低温超导体2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯的 研究小组发现金属间化合物MgBMgB2 2具有超导电性，超导转变温度高达39K。二硼化镁结构简单，易于制作和加工，有着广阔的应用前景。 迄今为止， MgBMgB2 2的超导转变温度是简单金属化合物中最高的。二硼化镁（二硼化镁（MgBMgB2 2）超导体的发现）超导体的发现39MgB2超导
15、材料块材的制备（固相法） 日本秋光纯: 99.9Mg99B MgB2（压制成小球高压氮气加热） 中国科学院： Mg(分析纯)B(单质) MgB2(高纯) （用铂金包裹,T=1173K,P=3.0GPa,烧结t=1030min) 兰州大学 Mg(过量10分析纯)B(非晶) MgB2(高纯) （用钽箔包裹,T=1073K,烧结t=4h）2.2.1低温超导体402.2.1低温超导体不足之处：磁场会严重影响MgBMgB2 2的超导性能，大大降低它所能承载的最大电流。 美国科学家在MgB2中掺入了一点氧，结果发现其抗磁能力大大增加，Ic也有所提高。英国科学家则使用质子束轰击MgBMgB2 2 ，以打乱其
16、 晶体中原本有规则的原子结构，使磁场对MgBMgB2 2超导性能的影响力下降。 二硼化镁（二硼化镁（MgBMgB2 2）超导体的发现）超导体的发现411986年后发现了更高临界温度的超导体，如YBaCuO（ Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺点为脆 性大，加工困难。 高温超导材料：Tc77K（液N温度）2.2.2高温超导体著名高温超导物理学家422.1超导材料的发展43(1)氧化物超导体2.2.2高温超导体1987年起，超导材料临界温度TC提高到77K，高温超导材料经历了四代：第一代钇系，如Y-Ba-Cu 氧化物， TC=90K； 第二代铋系，如Bi-Sr-Ca-Cu氧化物；TC=114-120K；第三代铊系，如Ta-Ca-Ba-Cu氧化物，TC=122-125K;第四代汞系，如Hg-Ca-
