材料物理化学

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
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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。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导态。这 个化学分子式中含两个（R，Ba）类原子，一个Cu原子，4个氧原子， 所以被称为214结构。在晶格中，R和Ba的位置是等价的，所以这里把 它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，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。 （2）稀土123家族。化学通式为RBa2Cu3O7-x，R同样表示某个稀土 元素。至少有13种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。
王宁博士(左）用电镜观察纳米 碳管，旁为汤子康博士。
电镜下的纳米碳管
Science, 2001, 292, 2462
N. Wang, Z. K. Tang, G. D. Li, J. S. Chen, Nature 2000, 408, 50
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四、超 导 材 料的应用
从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类： 用超导材料作成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研 究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和 超导列车，以解决人类的能源和交通问题； 用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电 子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；
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。
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高温超导线材的制备工艺
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MgB2
Nature 2001, 410, 63-64
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MgB2的结构
From O. Jepsen as appeared in Canfield et. al. Physics Today, March 2003, p.34
• Hexagonal AlB2 type structure (P 6/m m m)
• Alternating layers of hexagonal Mg and honeycomb B
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Fermi Surface
2D Bonding px,py () 3D Bonding pz () 3D Antibonding pz ()
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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。
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金兹伯格
莱格特
阿布里科索夫
2003年诺贝尔物理学奖授予美国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 和美国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。
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2 = 6 . 4 T c [1 (
T Tc
1
)] 2
正常态 能 量 费米能
正常态
20
超导态 超导态 T＝0K, 0K<T<Tc
2
费米能
能隙随温度变化的曲线
超导体的能隙
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三、超 导 材 料的种类
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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。
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。
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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
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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
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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10页Baidu Nhomakorabea
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，又称为屏蔽电流。
氧
90.2K
氮
77.3K
氮
4.2/1.7K
Hg
4.15K
In
3.4K
Sn
3.7K
Pb
7.2K
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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。
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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。
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吴茂昆
朱经武
钇钡铜氧化合物,1987年2月，92K
赵忠贤
陈立泉
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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
二、超导电性的基本特征
Zero Resistance Meissner Effect No Power Loss Act as Magnet
Critical Properties
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（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。
Josephson Effects
-
Tc, Jc, Hc
Electron Tunnelling
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1. 零电阻效应
不同导体的电阻-温度曲线
水银的零电阻效应
在特定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。
• (quasi) 2D cylinders derived from orbitals • 3D sheets from orbitals • two superconducting gaps:6.8 meV, 1.8 meV
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MgB2的性质
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Tc= 15 K
沸石晶体内的超导纳米碳管
Most alloys, HTS, MgB2.
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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。 库珀 电子对
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（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。 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。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。
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H
Hc
正常态 超导态
0
Tc
T
第二类超导体
H Hc2
B 0, r = 0
N
Mixed T Tc
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Hc1
B = 0,
S r
= 0 Meissner
第二类超导体的相图
混合态
Flux penetrates above the lower critical field Hc1 Superconductivity survives up to the upper critical field Hc2 Type II T<Tc 0<H<Hc1 T<Tc Hc1<H<Hc2
18.1
NbTi
9.5
V3Ga
16.5
Nb3Ge
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 Tc (K)
La2C3 5.9~11.0
C8K 9.5
MgB2 39
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化 合 物 超 导 体
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从应用角度对超导材料分类
强磁场（电）超导材料
1 2 3 4
铌钛（NbTi）合金，Nb3Sn等金属间化合物
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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。 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，即下临界场Hc1和上临界场Hc2。允许磁场通过。
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（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。
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科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
美国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。
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合金超导体
• 组成元素都具有超导性
合金
Tc (K)
Nb3Sn
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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。
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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
维持超导状态的必要条件 一些金属超导体临界 磁场与温度的关系
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4. 超导隧道效应
超导材料简介
超导概述 超导电性的基本特征
超导材料的种类
超导材料的应用
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一、超 导 概 述
昂内斯(1853～1926) 荷兰低温物理学家 1908年成功地液化了氦气，1911年发现了 某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即 “超导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。
昂内斯(中间白衣者)在他 所创立的低温实验室内