材料科学超导材料简介(共63张PPT)

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
Nature 2000, 408, 50
第38页
四、超 导 材 料的应用
第6页
1. 零电阻效应
不同导体的电阻-的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导(电)现象,发生这一现
象的温度叫超导转变温度Tc,也叫临界温度。材料失去电阻的状态称为超导态, 存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。零电阻效应是超
导态的一个基本特征。
第7页
1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论(BCS),于 1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性作出正确的解释,并
极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。
第1页
约瑟夫森和贾埃弗的发现,对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用 价值,并导致超导电子学的建立。
第2页
1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于1987年获得若贝 尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现,并宣告 了超导技术开发应用时代即将到来。
第26页
(3)铋超导家族 铋超导家族的化学通式为Bi2Sr2Can-1CunO2n+4,n=2,3。也就是说这个
家族有两个成员,即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习惯上称为铋2212 相和铋2223相。铋2212相的超导转变温度为85K,铋2223相的超导转变温度 为110K。在铋2223相中,如果用Pb少量地取代Bi,材料的超导性能会得到改 善。
的133K是迄今为止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。
高温超导体是金属氧化物,在本质上是陶瓷材料,所以有的人将其称为陶瓷超 导材料。
第29页
第30页
高温超导线材的制备工艺
第31页
MgB2
Nature 2001, 410, 63-64 第32页
第33页
第34页
MgB2的结构
From O. Jepsen as appeared in Canfield et. al. Physics Today, March 2003, p.34
第17页
超导现象的物理本质
1957年由巴丁(Bardeen)、库珀(Cooper)和施里弗 (Sehriffer)合作创建了超导微观理论(BCS) 。
➢库珀电子对通过格波相互作用, 其作用范围为10-6~10-9m;
➢每个库珀电子对的总动量相当,
这是零电阻产生的根源;
➢材料变为超导态后,电子结为 库珀对,能量降低2△,称其为 超导体的能隙。
第一类第一类ii型超导体型超导体超导态正常态第二类第二类iiii型超导体型超导体第18页第二类超导体第二类超导体meissnermixedc1第二类超导体的相图第二类超导体的相图第19页fluxpenetratesabovelowercriticalfieldlowercriticalfieldc1c1superconductivitysurvivesupuppercriticalfielduppercriticalfieldc2c2typeiitypeiimostalloyshtsmgb混合态混合态c2第20页超导现象的物理本质超导现象的物理本质1957年由巴丁bardeen库珀cooper和施里弗sehriffer合作创建了超导微观理论bcs电子对库珀电子对通过格波相互作用库珀电子对通过格波相互作用其作用范围为106109每个库珀电子对的总动量相当这是零电阻产生的根源
第3页
金兹伯格
莱格特
阿布里科索夫
2003年诺贝尔物理学奖授予 阿尔贡国家实验室的阿力克谢·阿布里科 索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利·金兹伯格和 伊利诺斯 大学教授安东尼·莱格特,以奖励他们在超导和超流理论方面的先驱性 贡献。
第4页
吴茂昆
朱经武
钇钡铜氧化合物,1987年2月,92K
赵忠贤
第18页
2=6.4Tc[1(TTc)]12
20
2
正常态
正常态
能 费米能

超导态
费米能 超导态
T=0K,
0K<T<Tc
超导体的能隙
能隙随温度变化的曲线
第19页
三、超 导 材 料的种类
第20页
周期表中的元素超导体
大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性;碱金属、铜、银、金,以及一些铁磁和反铁磁元
素未发现其超导电性。元素超导体中,铌具有最高临界转化温度(9.2K);只有钒、铌和钽 属于第二类,其他元素均属第一类; 大多数超导合金和化合物则属于第二类。
2.迈斯纳效应
超导体排斥力使永久磁环悬浮 处在超导态的物体完全排斥磁场,即磁力线不能进入超导体内部,这一特征叫完全抗磁性,通 常也叫做迈斯纳效应,是超导态的另一个基本特征。
第8页
超导态为什么会出现完全抗磁性呢?
外磁场在试样表面产生感应电流(b)。此电流所经路径电阻为零,故它 所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等,方向相反,因而使超导体 内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外磁场从超导体内挤出 (c),故称磁抗感应电流,又因其能起着屏蔽磁场的作用,又称为屏蔽
弱连接超导体:S-I-S
超导隧道结(约瑟夫森结)示意图 两超导体中间的绝缘(真空,正常)层 也能让超导电流通过的现象叫超导隧道 效应。
第12页
物体是否为超导体的实验判据
电阻(率)-温度曲线,磁化率-温度曲线,比热容-温度曲线
第13页
实 例
水银的零电阻效应
MgB2的x-T曲线
锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容
第14页
两类超导体
第一类(I型)超导体
它们具有完全的迈斯纳效应(完全 的抗磁性)。如果外部磁场过强, 就会破坏超导体的超导性能。这类 超导体只有两个态,即低温超导态 和正常态。主要是金属超导体。
H
Hc
正常态
超导态
0
Tc
T
第二类(II型)超导体
主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁场,即下
所以这个分族有成员几十个。因这个分族每一个分子中只含一个铊原子,即在晶格中只有一
层铊原子,所以人们又常把这个分族称为铊单层分族。铊单层分族的1201相、1212相和 1223相的超导转变温度分别为45K,95K和120K。
第28页
(5)汞超导家族
汞超导家族的化学通式为HgBa2Can-1CunO2n+2+x,n=1,2,3…。因这个家族的晶 格中一般地有多余的氧原子存在,所以在氧的下标上有"+x"。这个家族的主要成员 有HgBa2CuO4,HgBa2CaCu2O6+x和HgBa2Ca2Cu3O8+x,即1201相、1212相和 1223相,这三个相的转变温度分别为85K,120K和133K。其中1223相中
另一个分族的化学分子通式为Tl(Ba,Sr)2 Can-1CunO2n+3, n=1,2,3。这个通式中的(Ba,Sr)表示 这个位置可以是Ba也可以是Sr。当这个位置的原子是Sr时,Ca可以被某一种稀土元素(R)部
分取代。能参与取代的稀土元素达15种之多。这个家族的主要成员在晶体结构上有三个,即
1201相,1212相和1223相。因为每个相的(Ba,Sr)的位置都可以是Ba或者是Sr,所以结构上 的三个相在化学组成上就分成了TlBa2CuO5, TlSr2CuO5;TlBa2CaCu2O7,TlSr2CaCu2O7; TlBa2Ca2Cu3O9,TlSr2Ca2Cu3O9 6个成员。而每个含Sr的成员的Ca又可以被稀土元素取代。
Tc (K) 18.1
9.5
16.5 23.2
• 组成元素只有一种是超导元素或都不具有超导性
合金
La2C3
C8K
Tc (K) 5.9~11.0 9.5
MgB2 39
第23页
化 合 物 超 导 体
第24页
从应用角度对超导材料分类
强磁场(电)超导材料
铌钛(NbTi)合金,Nb3Sn等金属间化合物
1 23 4
• Hexagonal AlB2 type structure (P 6/m m m)
• Alternating layers of hexagonal Mg and honeycomb B
第35页
Fermi Surface
3D Antibonding pz ()
• (quasi) 2D cylinders derived from s orbitals • 3D sheets from orbitals
第27页
(4)铊超导家族
铊超导家族是高温超导体中最大的家族。又可分为两个分族。
第一个分族的分子通式为Tl2Ba2Can-1CunO2n+4,n=1,2,3…。这个家族有三个主要成员, 即2201相,2212相和2223相。2201相(Tl2Ba2CuO6)的超导转变温度为90K,2212相 (Tl2Ba2CaCu2O8)的超导转变温度为110K。2223相(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)的超导转 变温度为125K。因这一分族的每个成员的分子式里都含有两个Tl原子,在晶体结构上 对应两个铊原子层,所以人们又把这个分族叫做铊双层分族。
电流。
第9页
超导体与理想导体的磁性质的区别
超导态是一个热 力学平衡现象, 抗磁性可逆;理 想导体的这种磁 性质与加场过程 有关,不可逆。
第10页
3. 超导体的临界参数
➢临界温度Tc ➢临界磁场Hc
➢临界电流密度Jc
一些金属超导体临界 磁场与温度的关系
维持超导状态的必要条件
第11页
4. 超导隧道效应
超导电子材料(弱电)
超导微波器件(YBCO高温超导薄膜) 超导量子干涉器件(SQUID)
铜稳定化多芯扭绞 超导线材Nb3Sn的截面
Tc=18.2K
高温超导材料
镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物
第25页
目前已被发现的高温超导体
——铜基氧化物超导体分为五大家族
(1)稀土214家族。化学通式一般写为(R, Ba)2CuO4-x,R表示某一种稀土元素。
稀土元素可以用来合成这个家族的超导体。因为这个家族的分子式中金属元素的个数
分别为1,2和3,所以人们把这三种家族称为123超导体家族。因为元素的增多,人
们习惯上不再把氧原子写出来表示这个家族。由于这个家族被发现的第一个成员
的稀土元素是钇(Y),所以人们也常把123家族称为钇家族。123家族的超导转
变温度为90K左右。
• two superconducting gaps:6.8 meV, 1.8 meV
第36页
MgB2的性质
第37页
Tc= 15 K
沸石晶体内的超导纳米碳管
王宁博士(左)用电镜观察纳米碳管, 旁为汤子康博士。
Science, 2001, 292, 2462
电镜下的纳米碳管
N. Wang, Z. K. Tang, G. D. Li, J. S. Chen,
临界场Hc1和上临界场Hc2。允许磁场通过。
第15页
第二类超导体
H Hc2
B 0, r = 0
Mixed
S Hc1 B = 0, r = 0 Meissner
第二类超导体的相图
N
T Tc
第16页
混合态
T<Tc 0<H<Hc1
T<Tc Hc1<H<Hc2
Flux penetrates above the lower critical field Hc1 Superconductivity survives up to the upper critical field Hc2 Type II Most alloys, HTS, MgB2.
化—学—通 铜式基至为氧少化RB有物a2超十C导u种3体O稀分7-为x土,五元R大同素家样族可表示以某用个来稀土合元成素这。 个家族的超导态。这个化学分子式中含两个(R,Ba)
因为这个类家原族的子分,子式一中金个属C元u素原的个子数,分别4为个1,氧2和原3,子所,以人所们以把这被三称种家为族2称14为结123构超导。体在家族晶。格中,R和Ba的
第21页
科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素研究所,以 约翰·尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效应,证实钚、钴和镓 的合金在温度为18.5K时会变成超导体。
第22页
合金超导体
• 组成元素都具有超导性
合金 Nb3Sn NbTi V3Ga Nb3Ge
Zero Resistance
-
No Power Loss
1957年位巴丁置、是库珀等和价施里的弗,合作所创以建了这超里导微把观它理论们(B看CS)作,于一19类72原年获子诺。贝尔由奖于。 一般地讲,在晶格中存在着
高库温珀超 电导子氧线对原材通的过子制格少备波工相缺艺互,作用所,以在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为36K。
这个家族的超导转变温度约为36K。
这个家族有三个主要成员,即2201相,2212相和2223相。
所以这个分族有成员几十个。
Physics Today, March 2003, p.
理19想86导年体(缪的勒2这和)种柏稀磁德性土诺质兹1与发2加3现家场了过族钡程镧。有铜化关氧,学体不系通可高式逆温。为超导R化B合a物2。Cu3O7-x,R同样表示某个稀土元素。至少有13种
陈立泉
锶镧铜氧(1987年初,48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料,铋系超导体
第5页
二、超导电性的基本特征
Zero Resistance
-
Meissner Effect -
Critical Properties -
Josephson Effects -
No Power Loss
Act as Magnet Tc, Jc, Hc Electron Tunnelling
相关文档
最新文档