高温超导材料进展

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1、高温高温超导材料超导材料的研究进展的研究进展 目录 研究背景研究背景 高温超导材料的简介高温超导材料的简介 高温超导材料的制备高温超导材料的制备 超导材料的最新进展超导材料的最新进展 高温超导材料的应用和发展前景高温超导材料的应用和发展前景超导的发现超导的发现 1908年，荷兰物理学家昂纳斯昂纳斯首次成功地把称为“永久气体”的氮液化，因而获得4.2K 的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。昂纳斯昂纳斯在1911

2、年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。研究背景v 19111911年，荷兰莱顿实验室的卡末林年，荷兰莱顿实验室的卡末林昂纳斯昂纳斯( (KarnerKarner lnghlngh OnnsOnns) )首次在首次在4 42K2K时发现水银零电阻现象即超导现象。他于时发现水银零电阻现象即超导现象。他于19131913获得诺获得诺贝尔奖。贝尔奖。v 柏诺兹柏诺兹( (BednorzBednorz) )和缪勒和缪勒( (MiillerMiiller) )于于19861986年发现超导转变温度年发现超导转变温度在在3O K3O K温区的高温铜

3、氧化物超导体，为进一步发现在液氮温区值温区的高温铜氧化物超导体，为进一步发现在液氮温区值的高温超导体开辟了道路。他们于的高温超导体开辟了道路。他们于19871987年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。v 钇系钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x )YBCO(YBa2Cu3O7-x )和铋系和铋系BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材材料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。v 超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。v我国在中长期科技规划中把高温超

4、导材料列为重点发展的前沿我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿课题（课题（2006-20202006-2020）。）。高温超导材料的简介高温超导材料的简介超导材料的基本物理特征超导材料的基本物理特征：v零电阻现象v完全抗磁性（迈斯纳效应）v超导态并非仅取决于温度(临界电流和临界磁场)普通导体超导体1. 1. 零电阻零电阻将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下273），而高温超导体YBCO的临界温度为94K。迈斯纳效应迈斯纳效应 迈斯纳效应又叫完

5、全抗迈斯纳效应又叫完全抗磁性，磁性，1933年迈斯纳发现，年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁状态，超导体就把全部磁通量排出体外。通量排出体外。NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度在锡盘上放一条永久磁铁，当温度

6、低于锡的转变温度时，小磁铁会离低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。力相平衡时，就悬浮不动了。3. 3. 超导态的临界参数超导态的临界参数 温度（TC）超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（J

7、C）通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。 逐渐增大磁场到达一定值逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，需的最小磁场称为临界磁场，记为记为Hc。有经验公式：有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常态正常态HHc(0)TcT临界磁场临界磁场超导态超导态临界电流临界电流 超导体无阻载流的能力也超导体无阻载流的能力也是有限的，

8、当通过超导体中是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界生这一相变的电流称为临界电流，记为电流，记为Ic。目前，常用目前，常用电场描述电场描述Ic(V) ，即当每厘米即当每厘米样品长度上出现电压为样品长度上出现电压为1 V时所输送的电流。时所输送的电流。Ic(V)IV失超目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。 第第I I类超导体类超导体第I类超导体主要包括一些

9、在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其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。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。 第第IIII类超导体类超导体除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：1)第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）2)第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；3)第II类超导体比第I类超导体有更 超导材料的分类：超导材料的分类：常规超导体(如Nb-

10、Ti合金)高温超导体高温超导体(如如YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7-x-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(如富勒烯等修饰的化合物)超导材料高温超导材料的简介高温超导材料的简介高温超导材料的简介高温超导材料的简介 BCS超导理论:（美国科学家巴丁、库柏和施里弗提出）库柏对1电子通过声子作为媒介产生相互吸引作用并逐渐超过库仑斥力，相成束缚对即库柏对。2 在超导基态各个电子的动量可以不同，但是每个库柏对却集中在零动量上。 2002年，诺贝尔奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论。 德国马克斯普朗克协会和普林

11、斯顿大学1999年4月宣布，通过中子散射实验，揭示了高 温超导金属氧化物电子自旋对的特殊行为。高温超导材料的结构特征高温超导材料的结构特征:层状钙钛结构组元层状钙钛结构组元 导电层导电层（铜氧层）（铜氧层）Cu-O6八面体八面体Cu-O5四方锥四方锥 Cu-O4平面四边形平面四边形 载流子库层载流子库层孔穴型孔穴型电子型电子型调调节节载载流流子子浓浓度度提提供供耦耦合合机机制制高温超导材料的简介高温超导材料的简介钇钡铜氧化物（钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体超导体高温超导材料的例子高温超导材料的例子1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc90K,超导转变温度打破了液氦，解

12、决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。铋锶钙铜氧化物（铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体）超导体Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 层Bi2O2层 钙钛矿层高温超导材料的例子高温超导材料的例子Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K。-Michael -Michael VershininVershinin, , ShashankShashank MisraMisra, , et alet al. . Scie

13、nce,Science,303,1995(2004).303,1995(2004).高温超导材料的例子高温超导材料的例子 -ElbioElbio DagottoDagotto. Science,Science,293,2410(2001).293,2410(2001).铜氧化物和铜氧化物和C C6060超导材料超导材料Y Y系高温氧化物超导体的制备系高温氧化物超导体的制备高温超导材料的制备原料原料(氧化物氧化物或碳酸物或碳酸物)混合混合化学剂量比烧结烧结氧化处理氧化处理熔融织构工艺熔融织构工艺克服大角晶界块块材材带带材材离子束辅助沉淀工艺离子束辅助沉淀工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺轧制辅助双轴织

14、构衬底工艺薄薄膜膜磁控溅射法磁控溅射法激光沉淀法激光沉淀法高温超导材料的制备BiBi系高温氧化物超导带材的制备系高温氧化物超导带材的制备: :原材料原材料(氧化物或碳酸物氧化物或碳酸物)混混 合合化学剂量比煅煅 烧烧研研 磨磨粉末充管粉末充管拉拉 拔拔Ag管轧轧 制制热处理热处理压制压制/轧制轧制热处理热处理重复高温超导材料制备所面临的问题：高温超导材料制备所面临的问题：高温超导材料的制备 材料制造成本高, 价格昂贵。 在长距离超导线材的制造上面仍然有很大的难度。（氧化物高温超导陶瓷材料各向异性和短的电子相干长度以及大量晶界的存在严重影响线材的超导电性。） 高温超导材料临界电流和临界磁场的提高

15、仍是科学家研究的难题。-Robert F. Serverce.-Robert F. Serverce.ScienceScience,295,786(2002).,295,786(2002).高温超导材料的制备-I. Chong, Z. Hiroi,* M. Izumi, J. Shimoyama, et al. Science,Science,276,770(1997).276,770(1997).PbPb搀杂提高搀杂提高Bi2Sr2CaCu2O8+xBi2Sr2CaCu2O8+x的临界电流密度的临界电流密度-Maciek Zgirski, Karri-Pekka Riikonen, et a

16、l. Nano letters, 5,6(2005)超导材料的最新进展纳米尺度对超导电性的制约作用纳米尺度对超导电性的制约作用超导材料的最新进展Yang Guo, Yan-Feng Zhang, Xin-Yu Bao, et al. Science,Science,306,1915(2004).306,1915(2004).量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用 Atomic layersupercurrentsiPbS. Kang, A. Goyal, J. Li, A. A. Gapud, et al. Science, 311, 1911(2006).纳

17、米材料和超导材料的结合纳米材料和超导材料的结合超导材料的最新进展超导材料的最新进展 -Robert F. Serverce.-Robert F. Serverce.ScienceScience,295,786(2002).,295,786(2002). 2001年1月日本东京青山学院的教授Jun kimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界超导温度Tc=40k.二硼化镁超导材料的新发现二硼化镁超导材料的新发现发展前景发展前景节省大量资金节省大量资金缓解环境污染缓解环境污染超导电缆、超导发电超导电缆、超导发电机、超导电缆机、超导电缆预预 测测低电力低电力低能耗低能耗灵敏度度高灵敏度度高钇钡铜超导薄膜钇钡铜超导薄膜-应用于谐振器、滤波应用于谐振器、滤波器、天线等有源器件器、天线等有源器件商品化商品化低电力低电力低能耗低能耗钇钡铜超导超导块材钇钡铜超导超导块材-用于磁悬浮、储能飞用于磁悬浮、储能飞轮等方面轮等方面即即 将将实业化实业化预计在预计在20202020年年左右会形成左右会形成1500-20001500-2000亿美亿美元的超导市场，元的超导市场，其中高温超导其中高温超导占一半占一半