糊弄老师的论文

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1、超导材料概述与应用进展1911年，昂尼斯在莱顿大学研究低温下金属的电阻时观察到了一个非常意外的现象，汞的电阻在 4.2K 时突然减小到无法测量， 此现象被称为超导现象， 这是人类第一次观测到这种 现象。 把物质所处的这种状态叫超导态， 能够实现这种状态的物质叫超导体， 超导体要实现 超导态时的温度称为超导体的临界温度Tc,它是超导材料研究的一个重要临界参量。超导是人类发现的最神奇的现象之一， 它的发现为人类认识自然、 探索自然规律提供了丰富的研究 手段与理论参考。超导技术已广泛运用于各种实用化产业与研究领域,如超导磁悬浮列车、 超导电机、 无摩擦的超导轴承及超导量子干涉仪等。 l00 年来,

2、人们对超导的研究从未停止。 1超导体基本性质1.1 零电阻性超导体中的传导电流的超导电子是结合成对的，叫Cooper对。Cooper对不能互相独立地运动, 而只能以关联的形式作集体运动, 当某一电子对受到扰动, 就要涉及到这个电子对所 在空间范围内的所有其它电子对。这个范围内的Cooper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其它正常电子那样,被晶体缺陷和振散 射产生电阻,从而呈现零电阻现象。1.2 完全抗磁性在临界温度以下处在外磁场中的材料内部磁场强度为零。BCSI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Meissner效应。1

3、.3 Josephson 效应 （Cooper 对的隧道效应 ）对于超导体-绝缘层一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“Josephson效应”。过去十余年中，在国家 863专项计划、国家重点研究基础计划和各地方科技计划的支持下,我国在超导技术 领域的研究能力大大加强, 取得了一系列的科研成果。 目前我国在超导技术领域与国际先进 水平的差距正在缩小, 形成了具有一定规模的超导技术产业, 增强了我国在超导技术领域的 国际竞争力。2超导材料

4、2 1 超导元素迄今, 科学家发现在常压下有 28种元素可实现超导态,如钨的临界温度为 0.012K , 锌为0.75K，铝为1.196K，铅（Pb）为7.193K，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。其中，应用价值 最大的是Nb和Pb，已用于高Q直谐振腔、制造交流多相超导电缆等。2.2 超导合金及化合物超导元素与其他元素结合制成超导合金或化合物， 可以使超导材料的临界温度提高。 例 如，铌钛合金 NbTi，其 Tc为 9. 3K,铌锆合金（NbZr） , Tc=10. 8K, Nb Sn, Tc=18. 1K。到目 前为止，Tc最高的超导化合物是 Nb3Ge Tc=23. 22K。NbT

5、iflNb Sn是目前最实用的超导材料， 主要用作超导电机、 超导储能、 探测器、 医用核磁共振仪、等离子体磁约束及高能物理的加 速器等。2001年，日本的J. NagamatSl等人发现一种很简单的化合物 MgB，具有39K的超 导转变温度2.3 超导陶瓷超导材料以其特殊的性能被广泛应用的同时， 科学家发现， 超导元素和超导合金只存在 于温度极低的液氦条件下， 极大地限制了超导材料的应用。从超导元素、超导合金、超导 化合物等的不同阶段的研究，将Tc从Hg的4. 2K提高lJNb Ge的23. 22K, 一直没有太大进展。直到1986年，超导材料的研究取得了重大的突破，美国IBM公司设在瑞士苏

6、黎世实验室的德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒通过用Ba、sr或ca替代La, CuO中的La”，发现了Tc超过了 30K的铜氧化物超导体，超过了 BCSI论预言最高临界温度。随后，日本东京大学工学部又将Tc提高137K; 12月3O日，美国休斯敦大学宣布，华裔科学家朱经武又将临界 温度提高到40.2K。柏诺兹和缪勒因为他们开创性的工作而获得了1988年的诺贝尔物理学奖，掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象,以寻找高临界温度超导体 （ 高温超导体 ）为目标的“超导热” 。目前超导陶瓷主要包括铜基氧化物超导体和铁基氧化物超导体2.3.1 铜基氧化物超导体1987年初，中国科学院物理研究所的赵忠

7、贤、陈立泉领导的研究组，获得了48.6K的LaSrCuC超导体。同年2月美国和中国相继报道了 Tc超过了 98K的超导体，这种材料就是钇、 钡、铜和氧的化合物（YBa2Cu3O7- 0，此后对超导材料的研究主要是以 丫系超导体展开的。3 月北京大学成功地用液氮 （77K） 进行超导磁悬浮实验, 中国也因此走在国际超导材料研究领 域的前列。以价格较低的液态氮代替昂贵的液态氦作超导制冷剂获得超导体,被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一, 使超导技术走向大规模开发应用, 例如, 中国西南交通大学 王家素教授成功研制了世界首辆载人超导磁悬浮列车。1987年到1988年，BiSrCuO、BiSrCaC

8、uO、TlBaCaCuC等系列更高临界温度的超导体相继 被发现，1993年以后，Chu CW在高压下合成了临界温度高达 164K的HgBaCaCu高温超导体， 它 是目前公认的具有最高 Tc的超导材料。此时高温超导体均为铜基氧化物。2.3.2 铁基氧化物超导体2008年2月，日本东京工业大学 Hideo Hosono发现的一种氟掺杂镧氧铁砷 （LaOFeAS）化 合物的新型超导材料，它在26K时具有超导电性，被称为铁基超导体。 这项成果打破了科学家一直认为铜基氧化物才是高温超导材料的看法， 让全世界受之鼓舞。 各国科学家相继投入 研究，3月中科院物理所超导国家重点实验室闻海虎领导的小组通过在L

9、aOFeAs材料中用sr替换La成功将空穴载流子引入系统，发现有25K以上的超导电性，该超导体名称为锶掺杂镧氧铁砷，分子式为 （La 1-xSrx ）OFeAs。 3月 25日，中国科学技术大学陈仙辉领导的研究小组在 arXiv上报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43K时也变成超导体。3月底，中科院物理研究所赵忠贤领导的小组报告， 氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达52K， 4月 13l3 日，该小组发现在压力环境下氟掺杂钐氧铁砷化合物的超导临界温度提升至55K。 2011年6月25日，据新华社记者报道： 清华大学物理系薛其坤、 陈曦及中国科学院物理研究所马旭村 等科学家近日制造出超

10、高质量的铁硒超导单晶薄膜，确认了铁硒超导体中电子配对的方式， 这项成果为揭开铁硒等铁基超导体的超导机制之谜打下坚实基础。虽然本文没有涉及超导机理的论述，但是在这里希望此项工作能给超导理论研究带来光明。除了上述超导材料以外， 科学家还在有机材料、碳 60分子和一维碳纳米管中发现超导性。3. 超导材料的主要制备技术超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。 超导材料最独特的性能是电能在输送 过程中几乎不会损失。近年来， 随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化， 实现超导 的临界温度也越来越高。 一旦室温超导体达到实用化、 工业化， 将对现代文明社会中的科学 技术产生深刻的影响。 有序、 高质

11、量晶体的超导转变温度较高， 晶体质量往往强烈依赖于合 成技术和条件。 控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。实验研究和理论进展一直受到材料问题的阻碍。目前常用的超导材料制备技术主要有以下两种。3. 1 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。过去10年来这些技术不断发展，溶剂、输运剂、可控温度的范围在不断扩大。 各类超导体的最新样品可通过这些方法制备。 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。 但是， 它并不能生产出固定中 子散射实验所需的立方厘米大小的样品。

12、 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 L 2 SrxCuO4晶体生长得到改善，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。在 TIBa2Ca2Cu3O9和Bi 2Sr2CaCi2O8中，有可能削弱无序的影响从而提高临界 转变温度 。3 2 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。MB尤其能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外廷超导薄膜。目前正在研制平衡方 法可使多层膜原子层工程具有新功能。在品格匹配的单晶衬底上生长的外延高

13、温超导薄膜， 已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在过去的2O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MgB却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。如LSCO单晶薄膜的 Tc=51.5 K ，比块状晶体 （ 40 K） 要高，外延应力是产生这种强化现象的部分原 因。4. 超导电性及其材料的应用4 1 强电应用 强电在以下几个方面得到了广泛的应用。 41 1 超

14、导输电美国物理学家波恩特特奥马梯阿斯指出：龟能的输送是超导体最重要的应用之一。”发电站输出电能常用铝线和铜线。 由于电阻的存在一部分电力在输出过程中转变为热能而消 失，存在着严重的损耗。而利用超导材料输电，由于导线电阻消失，线路损耗也就降为零， 用超导材料可制高效率大容量的动力电缆， 并且可减少导体的需求量， 节约大量有色金属资 源。目前，高温超导体（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 系统中L7j。2000年美国已在底特律市的变电站使用第一条大容量HTS俞电电缆。我国第一根HTS电缆模型已于1998年底在中科院研制成功。41 2 超导储能 人类对电力网总输出功率的

15、要求是不平衡的。即使一天之内，也不均匀。利用超导体， 可制成高效储能设备 J 。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 lJ ?。美国已设计出一种大型超导储能系统，可储存5000兆瓦小时的巨大电能， 充放电功率为 1000兆瓦， 转换时间为几分之一秒， 效率达 98， 它可直接与电力网相 连接，根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出，不必经过能量转换过程。41 3 变压器发展超导变压器，可提高电力变压器的性能 _l 。从经济上看，超导材料的低阻抗特性 有利于减小变压器的总损

16、耗， 高电流密度可以提高电力系统的效率， 采用超导变压器将会大 大节约能源， 减少其运作费用； 从绝缘运行寿命上看， 超导变压器的绕组和固体绝缘材料都 运行于深度低温下， 不存在绝缘老化问题， 即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿 命；从对电力系统的贡献来看，正常工作时超导变压器的内限很低，增大了电压调节范围， 有利于提高电力系统的性能； 从环保角度看， 超导变压器采用液氮进行冷却， 取代了常规变 压器所用的强迫油循环冷却或空冷， 降低了噪声， 避免了变压器可能引起的火灾危险和由于 泄露造成的环境污 染。41 4 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。