電子信息材料

《電子信息材料》報(bào)告 姓名： 董瑞學(xué)號(hào)：41256030班級(jí)：通信1201題目：超導(dǎo)材料摘要：超導(dǎo)材料是具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。超導(dǎo)現(xiàn)象的特征是\o"零電阻"零電阻和完全\o"抗磁性"抗磁性?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬元素以及數(shù)以千計(jì)的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性。超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹超導(dǎo)材料的分類，性質(zhì)，應(yīng)用及研究進(jìn)展。正文：一：超導(dǎo)材料的分類由物理性質(zhì)分類：可分成\o"第一類超導(dǎo)體（頁面不存在）"第一類超導(dǎo)體（若超導(dǎo)\o"相變"相變屬于\o"一階相變（頁面不存在）"一階相變）和\o"第二類超導(dǎo)體（頁面不存在）"第二類超導(dǎo)體（若超導(dǎo)\o"相變"相變屬于\o"二階相變（頁面不存在）"二階相變）。由超導(dǎo)理論來分類：可分成\o"傳統(tǒng)超導(dǎo)體（頁面不存在）"傳統(tǒng)超導(dǎo)體（若超導(dǎo)機(jī)制可用BCS理論解釋）和\o"非傳統(tǒng)超導(dǎo)體（頁面不存在）"非傳統(tǒng)超導(dǎo)體（若超導(dǎo)機(jī)制不能用BCS理論解釋）。由超導(dǎo)相變溫度來分類：可分成\o"高溫超導(dǎo)體"高溫超導(dǎo)體（若可用\o"液態(tài)氮"液態(tài)氮冷卻就形成超導(dǎo)體）和低溫超導(dǎo)體（若需要其他技術(shù)來冷卻）。由材料來分類：它們可以是\o"化學(xué)元素"化學(xué)元素（如\o"汞"汞和\o"鉛"鉛）、\o"合金"合金（如\o"鈮鈦合金（頁面不存在）"鈮鈦合金和\o"鈮鍺合金（頁面不存在）"鈮鍺合金）、\o"陶瓷"陶瓷（如\o"釔鋇銅氧"釔鋇銅氧和\o"二硼化鎂"二硼化鎂）或\o"有機(jī)超導(dǎo)體（頁面不存在）"有機(jī)超導(dǎo)體（如\o"富勒烯"富勒烯和\o"碳納米管"碳納米管，這可能都包括在化學(xué)元素之內(nèi)，因?yàn)樗鼈兪怯蒤o"碳"碳組成）。二：超導(dǎo)材料的性質(zhì)1.零電阻超導(dǎo)材料[1]處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。2.抗磁性超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，只要外加磁場(chǎng)不超過一定值，磁力線不能透入，超導(dǎo)材料內(nèi)的磁場(chǎng)恒為零。3.同位素效應(yīng)超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開。三：超導(dǎo)材料的應(yīng)用低溫超導(dǎo)材料

具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc＜30K＝在液氦溫度條件下工作的超導(dǎo)材料，分為金屬、合金和化合物。具有實(shí)用價(jià)值的低溫超導(dǎo)金屬是Nb(鈮)，Tc為9.3K已制成薄膜材料用于弱電領(lǐng)域。合金系低溫超導(dǎo)材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體，Tc在9K以上。低溫超導(dǎo)材料已得到廣泛應(yīng)用。在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，NbTi超導(dǎo)材料用作高能物理的加速器、探測(cè)器、等離子體磁約束、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)電機(jī)及醫(yī)用磁共振人體成像儀等；Nb3Sn超導(dǎo)材料除用于制作大量小型高磁場(chǎng)（710T）磁體外，還用于制作受控核聚變裝置中數(shù)米口徑的磁體；用Nb及NbN薄膜制成的低溫儀器，已用于軍事及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域檢測(cè)極弱電磁信號(hào)。低溫超導(dǎo)材料由于Tc低，必須在液氦溫度下使用，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用昂貴，故其應(yīng)用受到限制。高溫超導(dǎo)材料

是由于超導(dǎo)材具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得的穩(wěn)定強(qiáng)磁場(chǎng).可用于制交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)提高到5萬～6萬高斯并沒有能量損失，且單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍達(dá)1兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3發(fā)電效率提高50﹪；可用于磁流發(fā)電機(jī)，利用高溫導(dǎo)電性氣體作導(dǎo)體不，并高速通過5萬～6萬高斯強(qiáng)磁場(chǎng)而發(fā)電，而且這種發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高溫導(dǎo)電性氣體可重復(fù)利用的優(yōu)點(diǎn)；可利用超導(dǎo)輸電線路利用超導(dǎo)導(dǎo)線和變壓器可以幾乎無損耗地輸送電能，椐統(tǒng)計(jì)，按目前情況，如果將銅或鋁導(dǎo)改為超導(dǎo)體，光是在中國(guó)節(jié)省電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠.超導(dǎo)材料在這些方面的應(yīng)用是最誘人的;電子學(xué)應(yīng)用包包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等;抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等.目前，超導(dǎo)材料仍處于試驗(yàn)研究階段。但人們相信，隨著超導(dǎo)材料臨界溫度的提高和材料加工技術(shù)的發(fā)展，它將會(huì)在許多高科技領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。四：超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展目前，高溫超導(dǎo)材料指的是：釔系(92

K)、鉍系(110

K)、鉈系(125

K)和汞系(135

K)以及2001年1月發(fā)現(xiàn)的新型超導(dǎo)體二硼化鎂(39

K)。其中最有實(shí)用價(jià)值的是鉍系、釔系(YBCO)和二硼化鎂(MgB2)。氧化物高溫超導(dǎo)材料是以銅氧化物為組分的具有鈣鈦礦層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜物質(zhì)，在正常態(tài)它們都是不良導(dǎo)體。同低溫超導(dǎo)體相比，高溫超導(dǎo)材料具有明顯的各向異性，在垂直和平行于銅氧結(jié)構(gòu)層方向上的物理性質(zhì)差別很大。高溫超導(dǎo)體屬于非理想的第II類超導(dǎo)體。且具有比低溫超導(dǎo)體更高的臨界磁場(chǎng)和臨界電流，因此是更接近于實(shí)用的超導(dǎo)材料。特別是在低溫下的性能比傳統(tǒng)超導(dǎo)體高得多。

高溫超導(dǎo)材料已進(jìn)入實(shí)用化的研究開發(fā)階段，氧化物復(fù)合超導(dǎo)材料的耐用(robustness)

和穩(wěn)定性已引起材料科學(xué)家的廣泛重視。

由于高溫超導(dǎo)薄膜材料較早進(jìn)入電子學(xué)器件的應(yīng)用領(lǐng)域，很多學(xué)者做了薄膜材料與環(huán)境相關(guān)的穩(wěn)定性和壽命研究工作。浸泡實(shí)驗(yàn)是一種常用的方法：在不同試劑

(水、酒精和丙酮等)、不同氣氛(干氮、濕氮和流動(dòng)氧等)中做周期循環(huán)和熱時(shí)效疲勞試驗(yàn)。研究表明，

超導(dǎo)電性的退化主要來自于雜相

(第二相)

及時(shí)效過程中的析出相。美國(guó)西北大學(xué)的Mirkin建議把在其它材料中應(yīng)用已十分廣泛的分子單層表面化學(xué)改性(又稱“自裝配，Self

assembly”)

引入到高溫超導(dǎo)銅氧化合物中來。例如用有機(jī)物對(duì)YBCO表面進(jìn)行分子單層表面改性，以此改善薄膜對(duì)環(huán)境的敏感性。

高溫超導(dǎo)帶材以鉍鍶鈣銅氧(BSCCO/2223)系為第一代帶材，它以優(yōu)良的可加工性而得到了廣泛的開發(fā)，并在超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要位置。但鉍系材料的實(shí)用臨界電流密度較低，并且在77

K的應(yīng)用磁場(chǎng)也很低。相反，YBCO材料在77

K的超導(dǎo)電性遠(yuǎn)優(yōu)于BSCCO材料；然而它的可加工性卻極差，傳統(tǒng)的壓力加工和熱處理工藝難以做出超導(dǎo)性好的帶材。

近年來隨著材料科學(xué)工藝技術(shù)的發(fā)展，一種在軋制

(rolling)

金屬基帶上制造YBCO超導(dǎo)帶材的工藝受到極大重視，

并被冠以“下一代”高溫超導(dǎo)帶材或“第二代”帶材。有兩種基本技術(shù)方案：(1)

以美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

(ORNL)

為代表的一個(gè)方案，

稱作軋制雙取向金屬基帶法

(RABiTS)。會(huì)上Specht報(bào)告了基帶的退火織構(gòu)穩(wěn)定性分析，并在1m長(zhǎng)的取向金屬基帶上用激光沉積YBCO外延膜。

歐洲以德國(guó)、丹麥等為代表，努力開展高溫超導(dǎo)材料工藝及應(yīng)用研究。丹麥的NKT已批量制造鉍系超導(dǎo)帶材。長(zhǎng)10m、2000

A的超導(dǎo)電力電纜正在研制中，下一步開發(fā)三相、50～100

m輸電電纜。西門子公司計(jì)劃到2003年