演示文稿超導材料講解

（優(yōu)選）第三章超導材料目前一頁\總數五十一頁\編于四點目前二頁\總數五十一頁\編于四點3-1超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)荷蘭物理學家KammerlinghOnnes（1853-1926）1895：空氣被液化-192℃（81K）1898：氫氣被液化-253℃（20K）1908：氦氣被液化-268.9℃（4.25K）“絕對零度先生”極低溫下電阻的可能變化目前三頁\總數五十一頁\編于四點“Mercuryhaspassedintoanewstate，whichonaccountofitsextraordinaryelectricalpropertiesmaybecalledthesuperconductivestate.”水銀電阻隨溫度的變化Hg在4.2K時，電阻完全消失！目前四頁\總數五十一頁\編于四點超導電性：低溫下失去電阻的性質；超導體：具有超導電性的物質。臨界溫度（Tc）：電阻消失時的溫度，即從正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)時的溫度；超導態(tài)：超導體在超低溫下電阻為零的狀態(tài)；正常態(tài)：當溫度較高，電阻不為零的狀態(tài)。幾個概念：目前五頁\總數五十一頁\編于四點1986年：

LaBaCuO（銅氧化物超導體）；

Tc達35K；3-2超導材料的發(fā)展歷史超導體發(fā)展簡史液氫溫度（20K）液氮溫度（77K）1987年：

YBaCuO；

Tc為92K，進入液氮溫區(qū)；1993年：

HgBaCaCuO；

Tc為135K（高壓下163K）；目前六頁\總數五十一頁\編于四點

鐵基超導體

LaO1-xFxFeAs：26K；SmO1-xFxFeAs：43K；PrO1-xFxFeAs：52K

新型超導體1.電荷轉移復合物：最高Tc為12.5K；

有機超導體？MgB240K2.摻雜C60：鉀摻雜—18K；銣摻雜—28K；銫銣摻雜—33K；氯仿和溴仿結合C60—117K；4.摻雜了鉀和銣的菲：5K3.氧化聚丙烯：300K—700K；目前七頁\總數五十一頁\編于四點3-3超導體的兩個基本電磁特性電流在超導體中一旦形成，便能經久不衰的持續(xù)下去，而無需電場的作用。Perfectconductor電阻溫度：起始轉變溫度：中點溫度：零電阻溫度零電阻效應目前八頁\總數五十一頁\編于四點2.完全抗磁性（邁斯納效應）

當超導體處于超導態(tài)時，若周圍存在著磁場H，在超導體表面會感生出屏蔽電流，從而產生一個恰好能抵消外磁場的附加磁場，使外磁場完全不能進入超導體內部，這種完全抗磁性又稱邁斯納效應。H

Has

邁斯納效應和零電阻現(xiàn)象是實驗上判定一個材料是否為超導體的兩大要素。B=0

超導體的定義：具有在一定的低溫下呈現(xiàn)出電阻等于零及排斥磁力線性質的材料。目前九頁\總數五十一頁\編于四點2.1穿透深度B0穿透深度約為10-5~10-6cm。

在外磁場中的超導體，從體外到超導體內，磁感應強度不會突然降為零，而是

逐漸減小為零：XOB

磁場強度降為B0/e處距離超導體表面距離，稱為穿透深度，通常用表示；在X

>

區(qū)間：認為磁感應強度衰減到零；在0<X

<

區(qū)域，磁場可以穿透；目前十頁\總數五十一頁\編于四點

由于超導體的完全抗磁性，在X>

區(qū)域，磁力線不能穿過，因此電流不能由超導體內通過，只能在表面穿透深度的范圍內流動；

對于塊材：穿透深度遠小于樣品的尺寸，可以忽略磁通的穿透，看成是完全抗磁性的；

穿透深度又定義為：超導體中電流流動的表面層厚度。

對于粉末或者薄膜：磁通量的穿透變得非常重要，樣品內有明顯的磁通密度分布，需要單獨進行研究。元素InSaHgPbTlCdAl0

（cm10-6

）-13.05.0目前十一頁\總數五十一頁\編于四點1）穿透深度緊密的依賴于溫度的變化：Sn的穿透深度隨溫度的變化

影響穿透深度的因素溫度遠低于Tc：幾乎與溫度無關，不同材料具有不用0值；溫度高于0.8Tc：穿透深度迅速增加；溫度接近Tc：穿透深度趨于無窮大。目前十二頁\總數五十一頁\編于四點穿透深度隨溫度T的變化，常用如下的經驗公式：0：材料在絕對零度時的穿透深度；t：溫度T與臨界溫度Tc的比值，即。2）穿透深度還與材料的純度及外加磁場有關：超導體的非局域理論。目前十三頁\總數五十一頁\編于四點磁懸浮NS2.2邁斯納效應的應用省能源、低噪音、高時速；1999年，日本研制的超導磁懸浮列車時速已達552公里，創(chuàng)世界鐵路時速最高記錄。目前十四頁\總數五十一頁\編于四點1.臨界溫度Tc3-4超導的三個臨界條件

超導轉變溫度Tc，超導體最重要的參數之一，提高Tc是超導研究最主要的目標；常用的超導體Tc的測量方法：

1）測量電阻（R）隨溫度（T）的變化：R-T曲線；

2）測量磁化率（x）隨溫度（T）的變化：x-T曲線；

加壓可以提高超導體的臨界溫度：HgBaCaCuO的Tc為135K，加壓后變?yōu)?63K。零電阻效應邁斯納效應目前十五頁\總數五十一頁\編于四點2.臨界磁場強度Hc

在小于Tc的一定溫度下，外加磁場強度大于某一特定值Hc時，超導體的超導態(tài)被破壞，轉變?yōu)檎B(tài)，Hc被稱為臨界磁場強度。

臨界磁場是溫度的函數，記為Hc（T）

；不同的超導體，它們的Hc（T）曲線盡管有差異，但都非常相似：T=0K：Hc最大；T=Tc：Hc=0;0<T<Tc：Hc（T）隨溫度升高而減小。目前十六頁\總數五十一頁\編于四點Hc(0)：0K時的臨界磁場，超導體任何溫度下的臨界磁場可以由Hc(0)和Tc確定。Hc（T）曲線都可以近似的表示為：

（1特斯拉=104奧斯特)元素PbInAlZnCdHc(0),(Oe)803293995230目前十七頁\總數五十一頁\編于四點

超導體的相圖

臨界溫度Tc和臨界磁場Hc是超導體的本征參數，只跟材料的電子結構有關。超導態(tài)正常態(tài)目前十八頁\總數五十一頁\編于四點

超導體分為兩類：第一類超導體和第二類超導體；第一類超導體（軟超導體）：只有一個臨界磁場Hc，除鈮、釩、锝以外的元素超導體，主要用于固體物理和超導理論研究。第二類超導體（硬超導體）：存在兩個臨界磁場，下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2，

鈮、釩、锝及合金、化合物和高溫超導體，具有實用價值。①

H<Hc1：第二類超導體也表現(xiàn)出完全抗磁性；Superconductor目前十九頁\總數五十一頁\編于四點②

Hc1<H<Hc2：Superconductor

磁力線進入超導體內，說明超導體內部分區(qū)域轉變?yōu)檎B(tài)，其余部分仍處于超導態(tài)，稱這時的超導體處于混合態(tài)；H超導區(qū)正常區(qū)

超導體失去完全抗磁性，磁力線開始穿過超導體內部；并且隨著外磁場的增大，進入超導體內的磁力線逐漸增多；

混合態(tài)中的正常區(qū)是以貫穿超導體的磁力線為中心，半徑很小的圓柱形區(qū)域，正常區(qū)周圍是連通的超導區(qū)。目前二十頁\總數五十一頁\編于四點③

H>Hc2：

隨著外磁場的增加，圓柱形正常區(qū)的面積并不擴大，只是數目增加，即貫穿的磁力線數增加。

處于混合態(tài)的第二類超導體仍具有抗磁性（不完全），電阻仍為零；Superconductor進入超導體的磁力線數增多到使圓柱形區(qū)域彼此接觸，超導區(qū)消失，材料轉變?yōu)檎B(tài)。目前二十一頁\總數五十一頁\編于四點THTc超導體正常金屬混合態(tài)Hc2Hc1Hc1–下臨界磁場：超導體內出現(xiàn)第一根磁通線時的外加磁場的大小；Hc2

–上臨界磁場：超導體完全變?yōu)檎B(tài)時的外加磁場的大小。第二類超導體相圖目前二十二頁\總數五十一頁\編于四點3.臨界電流密度Jc

處于超導態(tài)的超導體，通過其中的電流超過一定值Ic時，超導態(tài)將被破壞，變成具有電阻的正常導體，這一定值Ic就稱為超導體的臨界電流。0HcIc

西耳斯比定則：在無外加磁場時，臨界電流Ic在超導體表面產生的磁場恰好等于臨界磁場Hc；臨界電流密度Jc=臨界電流Ic/超導體流通截面積。第二類超導體不遵守西耳斯比定則。目前二十三頁\總數五十一頁\編于四點

第二類超導體的臨界電流是由于超導體內作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentHIFLH1）第二類超導體中的洛倫茲力目前二十四頁\總數五十一頁\編于四點

第二類超導體的臨界電流是由于超導體內作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導體中的洛倫茲力目前二十五頁\總數五十一頁\編于四點

第二類超導體的臨界電流是由于超導體內作用在磁通線上的洛倫茲力超過了釘扎力，磁通線開始運動，使樣品變成有阻的正常態(tài)。CurrentH1）第二類超導體中的洛倫茲力目前二十六頁\總數五十一頁\編于四點2）第二類超導體中的釘扎作用

釘扎作用可以有效的提高臨界電流密度Jc，在第二類超導體中產生晶格缺陷或

摻入雜質：內部存在缺陷的第二類超導體，稱為非理想的第二類超導體；在非理想的第二類超導體中，晶格缺陷或雜質會阻礙磁力線運動的作用，稱為釘扎作用。

用各種粒子（中子或各種離子）輻照高溫超導體后，其Jc可提高兩個數量級；工業(yè)生產的NbTi線，臨界電流密度2×10-4~10-5A/cm2，一根沒有缺陷的NbTi線，臨界電流密度幾乎為零。目前二十七頁\總數五十一頁\編于四點

臨界電流常用測量方法：

臨界電流是溫度和磁場的函數，談到材料的臨界電流時，必須指明磁場和溫度；對于第二類超導體，臨界電流與材料的顯微結構有著密切關系。1）增加通過超導體的電流，測量樣品的電阻，電阻從零突變?yōu)橛邢拗禃r的電流即為臨界電流。2）增加通過超導體的電流，測量每厘米樣品長度上的電壓，當電壓為1μV時的電流即為臨界電流。目前二十八頁\總數五十一頁\編于四點超導態(tài)的臨界參數

臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度之間相互關聯(lián)；只有當溫度、磁場和電流都小于臨界值時，才能出現(xiàn)超導現(xiàn)象；

實用超導材料，要求這三個參數越高越好。目前二十九頁\總數五十一頁\編于四點3-5超導體的BCS理論巴丁(Bardeen)庫珀(Cooper)施瑞弗（Schrieffer）1957年，美國物理學家巴丁、庫珀和施瑞弗提出了超導的微觀理論：BCS理論；三人獲得1972年諾貝爾物理學獎。目前三十頁\總數五十一頁\編于四點1）超導相變前后晶體結構不變--超導相變是電子態(tài)相變超導相變不影響晶格點陣的結構和晶格振動，超導體發(fā)生正常態(tài)—超導態(tài)相變前后，晶格結構不發(fā)生變化。1.建立BCS理論的實驗基礎Tl2Ba2Ca2Cu3O10在150K、13K的中子粉末衍射譜，Tc約為125K。但這并不表示超導相變與晶體點陣結構和振動無關!目前三十一頁\總數五十一頁\編于四點2）電子比熱躍遷—超導態(tài)存在能隙

超導電子比熱的指數規(guī)律與存在能隙的單電子體系比熱很類似，揭示超導態(tài)存在能隙，稱為超導能隙，記作△。存在能隙的單電子體系：正常態(tài)電子：超導態(tài)電子：T=Tc時，電子比熱發(fā)生陡變

一個電子從正常態(tài)進入超導態(tài)，能量降低了△，體系能量下降，正常態(tài)超導態(tài)△e說明電子之間存在相互吸引作用。目前三十二頁\總數五十一頁\編于四點Hg等超導體的同位素的臨界溫度Tc與同位素質量M之間滿足：3）同位素效應

同位素效應表明，晶格振動對超導態(tài)電子的行為有重要影響，電子—

聲子相互作用起決定性作用。金屬PbHgSnTiCdZnβ0.48±0.010.50±0.030.47±0.020.50±0.100.50±0.100.45±0.01M-1/2β：同位素效應系數。

同一種超導元素的各種同位素的臨界溫度與同位素的原子質量有關；目前三十三頁\總數五十一頁\編于四點2.電子對的形成

電子-聲子相互作用把兩個電子耦合在一起形成電子對，這種耦合就像兩個電子之間相互吸引一樣，電子-聲子相互作用越強，電子對間的吸引力就越大；++++e1++++++++++++e2+++++e1e2通過電子–聲子相互作用形成電子對Cooper首先證明費米面附近的電子通過電-聲相互作用結合成電子對，因此超導體中電子對也稱Cooper對。目前三十四頁\總數五十一頁\編于四點

關于Cooper電子對的說明：1）（p，-p）電子對：配對的電子自旋相反，且具有大小相等，方向相反的動量。Cooper對2）相干長度ξ

兩個電子不會在相距過遠的地方發(fā)生配對，這個距離的極限稱為相干長度；

純金屬的相干長度為1μm的數量級；如在金屬中摻入雜質，相干長度變短。目前三十五頁\總數五十一頁\編于四點幾種物質在0K下的超導相干長度

目前三十六頁\總數五十一頁\編于四點3）超導電子對不能互相獨立的運動，它們通過動量彼此關聯(lián)，成為有序的集體；因此超導電子對在運動時，不像正常電子那樣，會被晶體缺陷和聲子散射而產生電阻，呈現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象。4）超導電子對的束縛能為2△，這是破壞電子對所需的最小能量；溫度越高，被破壞的電子對越多，電子對被完全破壞時對應的溫度即超導臨界溫度。Schrieffer將電子對的物理圖像和當時流行的舞蹈Frug作了類比，在這種舞蹈中跳舞者在舞池中相互分離，中間隔了許多其它人，但是他們始終是一對。目前三十七頁\總數五十一頁\編于四點3.BCS理論超導電性源于固體中電子的配對；電子配對的相互作用源于電子和晶格振動間的相互作用；配對發(fā)生在自選相反，總動量為零的兩個電子之間。BCS理論預言，超導臨界溫度的極限是30K；BCS理論不適用于高溫超導體和第二類超導體；

隨著超導電性研究的深入和超導材料的發(fā)展，BCS理論表現(xiàn)出越來越多的不足。目前三十八頁\總數五十一頁\編于四點3-6約瑟夫遜效應1.單電子的量子隧道效應：由于微觀粒子具有粒子和波動二象性，即使粒子的動能小于勢壘高度V0，仍然有一定的機會貫穿勢壘到達另一側。目前三十九頁\總數五十一頁\編于四點超導電子對

勢壘約瑟夫遜2.電子對的隧道效應當兩塊超導體夾著一層很薄（1~3nm）的絕緣層時，超導電子對可以穿過中間的絕緣層，出現(xiàn)電子對隧道效應，稱為約瑟夫遜效應。？目前四十頁\總數五十一頁\編于四點超導體超導體絕緣層Ic電子對約瑟夫遜（SIS）結II<Ic：SIS結處于超導態(tài)，結上電壓為零；3.約瑟夫遜結在兩塊超導體間夾一層很薄的絕緣層，形成一個超導–絕緣–超導結（S-I-S結），稱為約瑟夫遜結。SIS結的臨界電流對于外加磁場十分敏感，可以用來測量極弱的磁場。I>Ic：SIS結超導態(tài)被破壞，結上出現(xiàn)有限的電壓。目前四十一頁\總數五十一頁\編于四點4.約瑟夫遜效應的應用

最理想的約瑟夫遜結是SIS結，由于高溫超導體的相干長度太短，要求中間絕緣層的厚度不能超過2nm，在制備技術上難以實現(xiàn)，因此到目前為止，世界上還沒有做出SIS結；超導體超導體絕緣層SIS結

如果把中間的絕緣層換成金屬（N）做成SNS結，電子對更容易隧穿，金屬層可以做到幾十到幾百納米，現(xiàn)在實用的是SNS結。SNS結超導體超導體金屬層目前四十二頁\總數五十一頁\編于四點

弱磁探測心臟磁圖的測量超導磁力儀

約瑟夫遜結可做成超導量子干涉器（SQUID），用于探測微弱磁場，靈敏度達10-11高斯，可測地球磁場的十億分之一：

軍事：可以發(fā)現(xiàn)深水潛艇；勘探：可找到有價值的礦床和弱磁性礦；醫(yī)學：人體心磁(10-5~10-6G)，腦磁（10-8~10-9G）等等都可以探測。目前四十三頁\總數五十一頁\編于四點超導芯片

超導計算機用一磁場可使約瑟夫遜結從零壓狀態(tài)轉變?yōu)橛袎籂顟B(tài)，約瑟夫遜結的這一特性便可作成計算機的開關元件，開關速度達10-12

秒，比半導體的開關速度快100倍，而能耗比半導體元件約小1000倍，為制造亞納秒電子計算機提供了途徑。目前四十四頁\總數五十一頁\編于四點3-7高溫超導材料

高溫超導體（High-temperaturesuperconductor--HTS）：

asuperconductorwithaTchigherthanthehighestvalueexpectedfromconventionalBCStheo