铋系高温超导体
铋的导热系数
铋的导热系数
铋是一种重金属元素,其导热系数一般很低,其热导率只有0.079 W/(m·K),远低于其他金属。这意味着铋比其他金属(如铜、铁、铝等)更容易在加热后保持稳定的温度。
虽然铋的导热系数相对较低,但它具有其他重要的物理和化学性质。它是一种柔软、延展和脆性的金属,在常温下呈青铜色。铋的密
度较低,只有约9.8 g/cm³,这使得它很容易加工。
铋还表现出一些非常有用的性质,例如超导性和磁性。在它的超
导态下,铋具有非常低的电阻率和非常高的电导率。这使得它成为一
种用于制造超导线圈的流体冷却的材料,以及制造其他超导性质材料
的成分之一。
另一个铋的有趣性质是它的磁电效应。当铋在受到电场的作用时,它的磁性和电学性质会发生变化,这种效应被称为铋棒效应。这种效
应使得铋成为一种重要的材料,用于制造磁场传感器和其他电子设备。
虽然铋的导热系数较低,但它仍然可以用于高温应用,如加热器和熔炉。由于其低成本和易加工性,铋也用于制造一些普通的热交换器和冷却器。
总之,铋的导热系数虽然相对较低,但其它物理和化学性质使其成为一种有用的材料,在超导、磁场传感器和加热器方面具有广泛的应用。
高温超导体及其研究近况
高温超导体及其研究近况
姓名:高卓班级:材料化学09-1 学号:200901130805
所谓超导,是指在一定温度、压力下,一些金属合金和化合物的电阻突然为零的性质.利用此次性质做成的材料称为超导材料.
超导材料按其化学组成可分为:元素超导体,合金超导体,化合物超导体。近年来,由于具有较高临界温度的氧化物超导体的出现,有人把临界温度Tc达到液氮温度(77K)以上的超导材料称为高温超导体,上述元素超导体,合金超导体,化合物超导体均属低温超导体。以下就高温超导体作一个简要介绍。
一材料特点
自1964年发现第一个超导体氧化物SrTiO3以来,至今已发现数十种氧化物超导体。这些氧化物超导体具有如下共同的特征:(1)超导温度相对而言比较高,但载流子浓度低;(2)临界温度Tc随组分成单调变化,且在某一组分时会过渡到绝缘态;(3)在Tc以上温度区,往往呈现类似半导体的电阻-温度关系;(4)Tc和其他超导参量对无需程度敏感。
高温超导体在结构和物性方面具有以下特征;(1)晶体结构具有很强的地维特点,三个晶格常数往往相差3-4倍;(2)输运系数(电导率、热导率等)具有明显的各向异性;(3)磁场穿透深度远大于相干长度,是第二类超导体;(4)载流子浓度低,且多为空穴型导电;(5)同位素效应不显著;(6)迈斯纳效应不完全;(7)隧道实验表明能隙存在,且为库柏型配对。氧化物超导体的这些特征,引起人们的兴趣和关注。
二发展趋势
目前,在高温超导研究领域中,各国科学家正着重进行三个方面的探索,一是继续提高Tc,争取获得室温超导体;二是寻找适合高温超导的微观机理;三是加紧进行高温超导材料与器件的研制,进一步提高材料的Jc和Tc,改善各种性能,降低成本,以适用实用化的要求。
高温超导材料
高温超导材料
樊世敏
摘要自从1911年发现超导材料以来,先后经历了简单金属、合金,再到复杂化合物,超导转变温度也逐渐提高,目前,已经提高到164K(高压状态下)。本文主要介绍高温超导材料中的其中三类:钇系(YBCO)、铋系(BSCCO)和二硼化镁(MgB2),以及高温超导材料的应用。与目前主要应用领域相结合,对高温超导材料的发展方向提出展望。
关键词高温超导材料,超导特性,高温超导应用
1 引言
超导材料的发现和发展已经有将近百年的历史,前期超导材料的温度一直处于低温领域,发展缓慢。直到1986年,高温超导(HTS)材料的发现,才进一步激发了研究高温超导材料的热潮。经过20多年的发展,已经形成工艺成熟的第一代HTS带材—-BSCCO带材,目前正在研发第二代HTS带材-—YBCO涂层导体,近一步强化了HTS带材在强电领域中的应用。与此同时,HTS薄膜和HTS块材的制备工艺也在不断地发展和完善,前者己经在强电领域得到了很好的应用,后者则在弱电领域中得到应用,并且有着非常广阔的应用前景.
2 高温超导体的发现简史
20世纪初,荷兰莱顿实验室科学家卡默林昂尼斯(H K Onnes)等人的不断努力下,将氦气液化[1-7],在随后的1911年,昂尼斯等人测量了金属汞的低温电阻,发现了超导电性这一特殊的物理现象.引起了科学家对超导材料的研究热潮。从1911到1932年间,以研究元素超导为主,除汞以外,又发现了Pb、Sn、Nb等众多的金属元素超导体;从1932到1953年间,则发现了许多具有超导电性的合金,以及NaCl结构的过渡金属碳化合物和氮化物,临界转变温度(Tc)得到了进一步提高;随后,在1953到1973年间,发现了Tc大于17K的Nb3Sn等超导体.直到1986年,美国国际商用机器公司在瑞士苏黎世实验室的科学家柏诺兹(J。G。Bednorz)和缪勒(K。A。Müller)首先制备出了Tc为35K的镧—钡—铜—氧(La—Ba—Cu-O)高温氧化物超导体,高温超导材料的研究才取得了重大突破[10,11]。临界转变温度超过90K的钇-钡—铜—氧等一系列高温氧化物超导体被发
高温超导材料
一、什么是高温超导体?
高温超导材料温度超导体得天独厚
的特性,使它可能在各种领域得到广泛 的应用。但由于早期的超导体存在于液 氦极低温度条件下,极大地限制了超导 材料的应用。人们一直在探索高温超导 体,从1911年到1986年,75年间从水 银的4.2K提高到铌三锗的23.22K, 才提高了19K。 1986年1月,美国国际商用机器公司设 在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪 勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体, 将超导温度提高到30K;紧接着,日本 东京大学工学部又将超导温度提高到 37K;12月30日,美国休斯敦大学宣布, 美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提 高到40.2K。
1
演示内容
一、什么是高温超导材料? 二、高温超导体的研究现状 三、高温超导体的制备技术
四、发展前景 五、总结
一、什么是高温超导体?
高温超导材料是指具有高临
界的转变温度,并且能在液氮温 度条件下工作的一种超导材料, 这种材料性能非常好,用途非常 广泛。这是一种氧化物材料,氧 化物多是以铜为主要元素,具有 陶瓷的性质。同时,也有不含铜 的高温超导材料,主要是钡钾铋 氧体系。高温超导材料有着其 他普通材料不具有的特性,零电 阻、完全抗磁性、宏观量子效 应这些特殊的性质,使高温超导 材料在生活生产各个领域都得 到了广泛的应用。
1993 年,人们发现汞系超导体,和铊系超导相同, 汞的毒性同样也影响了HBCCO 的发展。1995年, 名古屋工学院采用溶液纺丝法(Solution spinning)制 备出Hg-1223(HgBa2Ca2Cu3Ox)的超导丝 (Φ250μm),Tc值达127k,Jc(77k,0T)达103A/cm2, 开辟了汞系超导体的制备新途径。
高温超导材料论文最新
高温超导材料研究
摘要:简要介绍了高温超导材料及其发展历史,对超导材料的发展现状和用途进行说明,对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。
关键词:超导材料研究进展高温应用
一、高温超导材料的发展历史
高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料,通常可以在廉价的液氮(77K)制冷环境中使用,主要分为两种:钇钡铜氧(YBCO和铋锶钙铜氧(BSCCO)钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜,应用在电子、通信等领域;铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。
1911年,荷兰莱顿大学的卡末林•昂尼斯意外地发现,将汞冷却到-268.98 ° 邙寸,汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡末林•昂尼斯称之为超导态,他也因此获得了1913年诺贝尔奖。
1933年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质,当金属处在超导状态时,这一超导体内的磁感应强度为零,却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现:锡球过渡到超导状态时,锡球周围的磁场突然发生变化,磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了,人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
自卡麦林・昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来,人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表,从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973年,发现了一系列A15型超导体和三元系超导体,如Nd Sn V3 Ga Nb a Ge,其中Nb s Ge 超导体的临界转变温度(T c)值达到23.2K o以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态,因而在应用上受到很大限制。1986年,德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO),其T c为35K,第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破,打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初,中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO g导体,已高于液氮温度
铋元素的作用范文
铋元素的作用范文
铋是一种化学元素,属于元素周期表中的第15族,原子序数为83、
铋元素在自然界中为稀有金属,在工业和科学领域具有重要的应用和作用。以下是关于铋元素的作用的一些详细介绍。
1.合金制备:铋在合金制备方面具有广泛的应用。铋合金通常在航空
航天、汽车工业、电子工业和冶金等领域中使用。例如,铋合金可以作为
高温超导体的基底材料,用于制造磁悬浮列车的导轨、汽车引擎的气门材
料等。
2.高温超导体制备:铋具有良好的超导性能,在低温下可以表现出零
电阻、完全排斥磁场的特性。这使得铋在超导体研究和应用中具有重要地位。铋基超导材料可以在低温下实现高电流密度传输,广泛应用于能源传输、磁共振成像、电磁干涉等领域。
3.反应堆冷却剂:铋具有较高的中子吸收截面积,是一种理想的核反
应堆中子减速剂和冷却剂。在核电站中,铋可以通过吸收中子来控制核反
应的速率,并稳定反应堆的温度。因此,铋在核能工业中具有重要的应用
作用。
4.理化实验研究:铋的特殊物理性质使得它在理化实验研究中具有广
泛的应用。由于其密度较大,可以用来制备密度标准样品。同时,铋是一
种光电材料,对可见光和红外光有很强的吸收能力,因此可用于制备光电
传感器和红外探测器。
5.化妆品添加剂:铋的化妆品级和医学级化合物,如铋氧化物、硝酸
铋等被广泛应用于化妆品中作为一种添加剂。它们可以提供很好的遮盖和
分散性能,使得化妆品更加光滑和均匀,同时还能为肌肤提供保护和舒缓
作用。
6.医学应用:铋在医学领域中有一定的应用价值。例如,铋材料可以
用于制备支架、植入物和人工关节等医疗器械,具有良好的耐腐蚀性和生
高温超导现象及原理
高温超导现象及原理
超导现象是指某些物质在低温下电阻突然消失的现象,即电流在这些物质中可以无阻力地流动。而高温超导现象则是指在相对较高的温度下(通常指液氮温度以下),某些物质也表现出超导的特性。高温超导现象的发现引起了科学界的广泛关注,对于理解超导现象的机制和应用于实际生产中的超导材料具有重要意义。
一、高温超导现象的发现
1986年,瑞士IBM研究实验室的研究人员在钇钡铜氧(YBa2Cu3O7)化合物中发现了高温超导现象,这一发现被认为是超导研究领域的一次重大突破。此后,科学家们陆续在其他化合物中也观察到了类似的高温超导现象,如铋钡钙铜氧(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)等。这些高温超导材料的发现为超导技术的发展开辟了新的道路。
二、高温超导现象的原理
高温超导现象的原理主要涉及到几个重要概念,包括电子配对、库珀对和BCS理论。
1. 电子配对
在超导材料中,电子会通过与晶格振动相互作用而形成电子配对。这种电子配对的形成是超导现象发生的基础,也是高温超导现象能够在相对较高温度下发生的重要原因之一。
2. 库珀对
电子配对形成的结果就是库珀对,库珀对是超导电流的载体。在超导
材料中,库珀对可以在晶格中自由移动,而不受到晶格的阻碍,从而
形成超导电流。
3. BCS理论
BCS理论是描述超导现象的重要理论之一,它由约翰·巴丁、莱昂·库珀和罗伯特·施里弗提出。该理论认为,在超导材料中,电子通过库
珀对的形式结合在一起,形成了一种凝聚态,从而导致了超导电流的
产生。
三、高温超导现象的应用
高温超导材料具有许多潜在的应用价值,主要体现在以下几个方面:
铋锶钙铜系高温超导氧化物研究_王子良
在 860
,
0
C 左 右 保 温 2 4 小时 进 行 烧 结
。
这 种 材 料 需 在 熔 点 附近
只 有 在相 当 窄 的 温 度 范 围内
。
通过 类 液相 反 应 来进行 烧 结
, ,
故 对烧 结 温 度 的要 求很 高
O
最初
,
的 实 验 结 果 表 明 材 料在 8 5 0 C 的 条 件 下
r
a
,
B a 和 C u 层状 钙钦 矿 型 氧 化物 中 发 现 了 高 于 3 o K 的 超
,
导 现象
,
此后
高 温 超导 材 料 的 研 究 工作 进 展 很 快
,
, 接 着在 高 于 7 K 的 液 氮 温 区 发 现 了 忆
钡铜氧 系 的 超 导 现 象 到 一 年 的 时 间里
,
被 称 为 第 二代 高 温 超导 材 料
7 零 电阻 温 度 为 8
K
12 0
K
的材 料
。
“
上 的试 剂进 行 配 料 时
;
原 料 用 两 次相 似 的 工 艺 进 行 合 成
820 c
,
“
第 一 次 合 成 条件 为 8 0 0
、
第 二 次合成 条件 为
,
下 保 温 1 2小 时
高温超导材料
高温超导材料
摘要:简要介绍了高温超导材料及其发展历史,对超导材料的发展现状和用途进行说明,对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。
关键词:超导材料研究进展高温应用
一、高温超导材料的发展背景及其发展历史
高温超导体通常是指在液氮温度(77 K)以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候(1911年),就被其奇特的性质(即零电阻,反磁性,和量子隧道效应)所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的超导体都只是在极低的温度(23 K)下才显示超导,因此它们的应用受到了极大的限制。
高温超导材料一般是指临界温度在绝对温度77K以上、电阻接近零的超导材料,通常可以在廉价的液氮(77K)制冷环境中使用,主要分为两种:钇钡铜氧(YBCO)和铋锶钙铜氧(BSCCO)。钇钡铜氧一般用于制备超导薄膜,应用在电子、通信等领域;铋锶钙铜氧主要用于线材的制造。
1911年,荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现,将汞冷却到-268.98°C时,汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡末林·昂尼斯称之为超导态,他也因此获得了1913年诺贝尔奖。
1933年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质,当金属处在超导状态时,这一超导体内的磁感应强度为零,却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现:锡球过渡到超导状态时,锡球周围的磁场突然发生变化,磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了,人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
超导材料及应用
超导材料
摘要:简要介绍了超导材料的发展历史、现状,对未来的超导材料的发展作了展望,并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。
关键词:超导体研究进展高温低温应用
一前言
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。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程,经过无数科学家的努力,超导材料的研究已经取得了巨大的发展。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。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展,一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在,超导材料的研究主要集中在超导输电线缆,超导变压器等电力系统方面,还有,利用超导材料可以形成强磁场,是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地,另外,超导材料在医学,生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来,超导材料的研究将会努力向实用化发展。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。
二研究现状
1.超导材料的探索与发展
探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用,同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来,人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表,从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973
年,发现了一系列A
15型超导体和三元系超导体,如Nb
3
Sn、V
3
Ga、Nb
3
Ge,其中Nb
铋基高温超导体的电磁性能与应用研究
铋基高温超导体的电磁性能与应用研究
随着科学技术的迅猛发展,超导材料的研究逐渐成为现代物理学和材料
科学的热点领域之一。铋基高温超导体作为一类重要的超导材料,具有许多
独特的电磁性能和广泛的应用前景。本文将详细探讨铋基高温超导体的电磁
性能以及其在不同领域的应用研究。
首先,让我们简要了解一下铋基高温超导体的特点。铋基高温超导体最
显著的特点是其临界温度(Tc)相对较高,通常在室温附近。这使得铋基高
温超导体在应用上具有一定的优势,特别是与传统的低温超导体相比。此外,铋基高温超导体具有较高的临界电流密度(Jc)和较低的剩余电阻。这些优
点为其在电磁应用中的广泛应用提供了坚实基础。
铋基高温超导体的电磁性能主要包括其电阻特性、磁化特性以及交流损
耗等。首先,我们来看看它的电阻特性。铋基高温超导体的电阻主要分为零
电阻和有限电阻两种情况。在超导转态下,铋基高温超导体表现出零电阻行为,电流通过时不会有任何能量损耗。而在非超导态下,铋基高温超导体会
呈现有限电阻,且其电阻值通常较低。
铋基高温超导体的磁化特性是其另一个重要的电磁性能。在外加磁场的
作用下,铋基高温超导体会发生磁通钉扎现象,即磁场在材料中会形成一种
磁通结构。这种磁通结构不仅可以改变超导体的电性质,同时还会影响超导
体的磁化行为。因此,研究铋基高温超导体的磁化特性对于其应用的进一步
发展具有重要意义。
除了上述电磁性能,铋基高温超导体的交流损耗也是一个非常重要的研
究方向。铋基高温超导体在交流电场作用下会出现极化现象,其中包括迟滞
现象和频率依赖性。迟滞现象是指超导体在自磁场影响下形成局部过渡区域,
高温超导体工作原理
高温超导体工作原理
高温超导体是一种具有特殊电导性能的材料,能够在相对较高的温
度下表现出超导特性。与传统低温超导体相比,高温超导体的工作原
理更为复杂,但也具有更广泛的应用前景。本文将详细介绍高温超导
体的工作原理,并探讨其在科学研究和工程技术领域的应用。
一、超导现象简介
超导是指某些材料在低温下表现出无电阻和完全排斥外磁场的性质。这一现象于1911年首次被荷兰物理学家海克·卡末林发现,并在后来的几十年里得到了广泛研究和应用。传统超导体需在极低温度下才能达
到超导状态,而高温超导体则相对较高温度下仍能保持超导性能。
二、高温超导体的分类
根据高温超导体的结构和化学组成,可以将其分为几个主要类别。
其中最早被发现的是第一类高温超导体,主要是指由铜氧化物和铁基
化合物构成的材料。第二类高温超导体主要是指镧系和铋系化合物。
此外,还有一些稀土金属和钬钛矿结构氧化物也被归类为高温超导体。
三、BCS理论
高温超导体的工作原理与传统的BCS(巴丁-库伯)理论有所不同。传统的BCS理论主要解释了低温超导体的超导性质,而高温超导体存
在于较高的温度下,因此需要其他理论来解析。研究者提出了各种假
设和模型来解释高温超导体的特性,但目前仍然没有一个统一的理论
来完全解释高温超导体的工作机制。
四、可能的工作机制
尽管高温超导体的工作机制尚不明确,但研究表明其中可能存在以下几种机制。
1. 理论模型一:BCS-BEC足迹
基于BCS理论和玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)理论的结合模型被提出来解释高温超导体的性质。这个模型认为,在高温下,电子对之间的库仑相互作用变得强大,使得电子对表现出类似玻色子的行为,并在材料中形成BEC。
铋的独特金属
铋的独特金属
铋是一种非常独特的金属元素,它拥有许多独特的特性和应用。铋
是一个很容易识别的元素,它拥有闪亮的银白色外观和良好的延展性。但是,铋的最独特之处在于它的物理性质和化学性质。
首先,让我们来看看铋的物理性质。铋属于具有屏障金属特性的重
金属。它的密度相对较高,约为9.8克/立方厘米。由于其较高的密度,铋在常温下是固态。另外,铋的熔点非常低,仅为271.4度摄氏。这使
得铋成为非常可塑的金属,在温度较低的情况下就能够熔化。在液态
状态下,铋具有很高的表面张力,这使得它的液滴能够以球形形状存在,这是非常罕见的。当液滴不再增大,变得足够大时,表面张力将
趋向于使降低其能量。这将导致液滴分裂为两个或多个更小的液滴。
此外,铋还具有一些特殊的性质。例如,铋是一种超导体,具有极
低的电阻和完全阻抗性。这使得铋在一些特殊的应用中非常有用。在
超导体领域,铋通常用于制造高温超导体材料。此外,铋还可以在较
低温度条件下展现出一些有趣的现象,如霍尔效应和稀磁性。这些性
质使铋成为研究新型材料和现象的理想选择。
另外,铋还具有许多重要的应用。其中一个最重要的应用是作为防
辐射材料。由于铋的高密度和良好的辐射屏蔽能力,它被广泛用于核
能和医学放射治疗中。此外,铋还用作制造火花塞、半导体材料和杀
菌剂等。它还可以合金化制造一些不锈钢和特殊钢材料。此外,铋还
用于制造镜片、电极和磁存储材料等。
除了上述的特性和应用外,铋还具有一些有趣的历史和文化意义。
在古代,铋被认为是贵金属之一,常用于制作珠宝和装饰品。另外,
铋的名字源于拉丁语“bismuthum”,意为“白色”。这个名字非常贴切地
高温超导材料
2、钇系高温超导体(YBCO)
• 较之第一代铋系高温超导带材,第二代 钇系带材具有以下优点: • ( 1) 较高的不可逆场 • ( 2) 强磁场下较强的载流能力 • ( 3) 较低的工业成本 • ( 4) 更好的机械性能
3 、二硼化镁(MgB2)
二硼化镁是常规超导体中临界温度最高的 (39K),具有较高的临界电流密度。 一般构成氧化物高温超导体的化学元素昂 贵,合成的超导材料脆性大,难以加工成 线材,而硼和镁的价格低廉,且容易制成 线材。
五、超导体材料的应用
• 综合超导技术的发 展情况,超导技术 目前在电力能源、 交通运输、生物医 学、高能物理、电 子学和通讯等方面 取得了很大的发展
高温超导电缆
高温超导电机
磁悬浮列车
核磁共振人体成像仪(NMRI)
电感器
六、高温超导体的下一目标
谢 谢 大 家 !
一、什么是超导体
按照电阻率随温度变化的不同行为,介质
材料可以划分为:绝缘体、半导体、导体和超 导体。超导体指的是某些材料降至特定温度以 下时,电阻率降为零(零电阻效应),同时外 磁场磁力线全部排出体外(完全抗磁性)的一
种宏观电磁现象。
二、超导材料两大特性
定义:
高温超导材料一般是指临界温度在绝对温
度 Tc(77K)以上、电阻接近零的超导材 料。因为目前发现的主要是氧化物材料, 故又称高温氧化物超导材料。
半导体新材料——半金属铋
半导体新材料——半金属铋
半金属铋(Bismuth)是一种半导体材料,具有一些特殊的物
理和电学性质。它是一种属于钆族元素的半金属元素,化学符号为Bi,原子序数为83,原子量为208.98。
半金属铋的晶体结构可以看作是由钆族元素构成的具有层状结构的化合物。在室温下,铋的电子能带结构显示出半金属特性,即铋的导带和价带部分重叠,形成能隙较小的直带。这种重叠的能带结构导致了铋的电子输运性质的独特性质。
半金属铋具有较低的导电性,但在较高温度下,其电导率会增加,表现出正温度系数的电阻率。这种电学性质使得半金属铋在高温电阻材料和热敏电阻器件中具有广泛应用。
此外,半金属铋还具有热电效应,即在温度梯度下产生电压差。这种热电效应使得半金属铋在热电材料中具有应用潜力。它可以用于制备热电发电器件,将热能转化为电能。
总的来说,半金属铋是一种独特的半导体材料,具有特殊的物理和电学性质。它在高温电阻材料和热电器件中有广泛应用,并显示出潜在的应用前景。
超导体(共7张PPT)
其中最有实用前途的是铋系、钇系(YBCO)和二硼化镁(MgB2)。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜,但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力,应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
高温超导体研究分类
1.高温超导线带材 2.超导块材 3.薄膜
1.高温超导线带材
• 高温超导体在强电方面众多的潜在应用(如:磁体、 电缆、限流器、电机等)都需要研究和开发高性能的 长线带材(千米量级)。
• A. 第一代Bi系高温超导带材:BSCCO超导体晶粒的层状
化结构使得人们能够利用机械变形和热处理来获得具
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜,但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上,零 磁场下77K时,临界电பைடு நூலகம்密度已超过 1×106A/cm2,工艺已基本成熟,目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能问题如磁场下临界电流的急剧衰减等,使得基于它的超导技术在工业上的大规模应用前景变得渺 茫。
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式中 H co 是絕對零度時的臨界磁場。
超導體中通過足夠強的電流也會破壞超導電性,導致破壞超導電性所需要
的電流稱作臨界電流 I c (T ) 。
T2 I c (T ) I co 1 2 Tc
(5-4)
在結上加上直流電壓 V,兩邊波函數與時間有關的項
Jo是通過的最大零電壓電流,正比於遷移相互作用,且與弱連接的性質有 關, 為兩個超導體的位相差。為直流約瑟夫遜效應。 E exp i t
不同,
相互干涉就會產生交變的電流
2V J J 0 sin t 0 (5-5)
Chapter 5 超導材料
本章大綱 5.1 超導電性的基本性質 5.2 超導原理 5.3 第I類超導體和第II類超導體 5.4 低溫超導體 5.5 高溫超導體 5.6 超導材料的應用
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5.1 超導電性的基本性質
1911年荷蘭物理學家昂內斯( H. R. Onnes )在研究水銀在低溫下的電阻時,發現當
這些條件的上限分別稱為臨界溫度(critical temperature, Tc)、 臨界磁場(critical magnetic field, Hc)和 臨界電流密度(critical electric current density, Jc)。
超導電性有三個基本條件
完全導電性 完全抗磁性 隧道效應。
1986年,人們已發現了常壓下有 28種元素、近5000種合金和化合物具有超導電性。
常壓下,Nb的超導臨界溫度Tc=9.26K是元素中最高的。合金和化合物中,臨界溫 度最高的是Nb3Ge,Tc=23.2K。
1987年2月,美國的朱經武等宣布發現了Tc~93K的氧化物超導材料。 1987年底,馬依達(H‧Maeda)等人發現Bi-Sr-Ca-O化合物系列有Tc~115K的高Tc相。
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這稱為交流約瑟夫森效應。
5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應
圖5-4 不同情形下的電流-電壓曲線 (a) 被 氧 化 層 隔 開 的 正 常 金 屬 結 構 的 電 流 - 電 壓 曲 線 (b)被氧化層隔開的正常金屬與金屬超導體結構的電流-電壓曲線
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5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應
M / H 1
(5-3)
Baidu Nhomakorabea
B 0 1 H 0
B0 0 H 超導體內的磁化率為 -1(M為磁化強度, )。超導體在靜磁 場中的行為可以近似地用”完全抗磁體”來描述。邁斯納效應通常又 稱為完全抗磁性。
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圖5-2 邁斯納效應:當T<TC時,磁通被完全排斥出超導體
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5.1 超導電性的基本性質 5.1.1 完全導電性
對於超導體來說,在低溫下某一溫度 Tc時,電阻會突然降為零,顯示
出完全導電性。圖5-1表示上述電阻隨溫度變化的特性。在4.2K下對鉛 環做的實驗證明,超導鉛的電阻率小於 3.6 1025 cm ,比室溫下銅的 電阻率的分之一還小。
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式中
I co 是絕對零度時的臨界電流。
5.1 超導電性的基本性質 5.1.2 完全抗磁性
在超導狀態,外加磁場不能進入超導體的內部。原來處在外磁場中的
正常態樣品,變成超導體後,也會把原來在體內的磁場完全排出去, 這一性質被稱為邁斯納效應,如圖5-2所示。超導體內磁感應強度B總 是等於零,即金屬在超導電狀態的磁化率為 ,
當交變電流的頻率是
2eV /
(5-6)
圖5-5給出了在直流和交流電壓下SIS結的零電壓下最大約瑟夫遜電流與準
粒子隧道電流。臺階的大小是 V h / 2e 。微波誘發的電壓臺階是上述 直 流 電 壓 產 生 交 變 超 導 電 流 的 效 應 的 另 一 種 表 現 。 有 時 叫 沙 比 羅 (S. Shapiro)效應。
溫度降低至 4.2K 以下後,水銀的電阻突然消失,呈現零電阻狀態。昂內斯便把這 種低溫下物質具有零電阻的性能稱為超導電性(superconductivity)。
1933年邁斯納(W. Meissner)和奧克森菲爾德(R. Ochsenfeld)發現,不僅是外加磁
場不能進入超導體的內部,而且原來處在外磁場中的正常態樣品,當溫度下降使 它變成超導體時,也會把原來在體內的磁場完全排出去,這是超導體所具有的另 一個重要性質。
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圖5-1 汞在液氦溫度附近電阻的變化行為
5.1 超導電性的基本性質 5.1.1 完全導電性
超導電性可以被外加磁場所破壞,對於溫度為 T(T<Tc) 的超導體,當外加
磁場超過某一數值Hc(T)的時候,超導電性就被破壞了,Hc(T)稱為臨界磁 場。在臨界溫度Tc,臨界溫度為零。 Hc(T)隨溫度的變化一般可以近似地 表示為拋物線關係
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5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應
考慮被絕緣體隔開的兩個金屬,如圖 5-3所示。絕緣體通常對於一
種金屬流向另一種金屬的傳導電子起阻擋層的作用。如果阻擋層相 當薄之下則電子流將產生隧道效應,電子具有相當大的機率穿越絕 緣層。 1960年賈埃弗 (I. Giaever)首先發現如果金屬中的一個變為 超導體時,即形成(NIS)結時,電流-電壓的特性曲線由圖5-4的直線 變為圖5-4的曲線。
圖5-3 正常金屬N、絕緣層I和超導體S組成的結
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5.1 超導電性的基本性質 5.1.3 超導隧道效應
假如兩塊超導體分得很開,每塊都可以有自己獨立的位相,當兩塊超
導體接近,中間有一定的弱連接時,它們的電子對波函數可穿過弱連 接而耦合,而降低能量,得超過電流與相位差的關係近似於:
J J 0 sin
後來,在Tc系中得到了Tc~125K的相,並證實其組成是Tl2Ba2Ca2Cu3O10+y。高臨界溫 度超導材料研究成為了當今最活躍的新材料研究領域之一。
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5.1 超導電性的基本性質
物質由常態轉變為超導態的溫度稱其為超導臨界溫度,用 Tc 表示。
超導臨界溫度以絕對溫度K來表示。超導體與溫度、磁場、電流密 度的大小密切相關。