导电材料

第一章导电材料

一、导电材料的分类

导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。

电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率≥105S/m，超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温度时），半导体的电导率为10-7~104 S/m。当材料的电导率小于10-7S/m时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。

导体、超导体、半导体和绝缘体的区别不仅是电导率的大小，它们的能带结构和导电机理也有很大的不同。

四、导体材料的种类

导体材料按照化学成分主要有以下三种：

（1）金属材料。这是主要的导体材料，电导率在107~108S/m之间，常用的有银、铜和铝等。

（2）合金材料。电导率在105~107S/m之间，如黄铜，镍铬合金等。

（3）无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间。如石墨在基晶方向为2.5×106S/m

半导体材料

3、半导体的分类

按成分分类：可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。

按掺杂原子的价电子数分类：可分为施主型（又叫电子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者掺杂原子的价电子大于纯元素的价电子，后者正好相反。

按晶态分类：可分为结晶、微晶和非晶半导体。

超导材料

某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性。

低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。

从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导临界温度Tc。

超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10-26Ω·cm，可以认为电阻为零。

一、引言

在生物无法生存的低温世界里，许多物质的性质会发生意想不到的变化，超导性便是其中之一。超导材料的研究及开发近百年来一直是当今世界最前沿的课题之一。1911年H.K.Onnes发现金属汞在4.2K附近电阻突然消失，揭开了超导物理和超导材料科学研究的历史篇章。超导体具有极为丰富而奇特的物理化学特性，如零电阻、抗磁性、磁通量子效应以及Josephson效应等，正是这些特性使它在电力、可控核聚变、磁悬浮、电磁推进装置、储能、磁材料、微电子以及微波器件等领域显示出其它材料无法比拟的优越性，成为推动超导材料研究的巨大动力。但是，尽管世界各国的科学家和工程师为之辛勤奋斗多年，然而超导材料的实用化进程却没有像人们预想的那样快，这主要是人们始终无法逾越影响超导实用的最基本障碍，即“温度壁垒”。从发现超导现象到1986年为止，75年来人们研究了各种超导材料，但是其最高超导转变温度只有23K，因此超导材料只能工作在昂贵、复杂的液氦或者液氢介质中。超低温制冷技术及成本问题极大地限制了超导技术的开发应用。

1986年4月Bednorz和Muller发现了La-Ba-Cu-O氧化物超导材料，其超导转变温度Tc>30K，是超导材料研究的重大突破，从此翻开了探索高临界温度超导材料的新篇章。1987年2月，朱经武（美）、吴茂昆（美）和赵忠贤（中）（它们都是炎黄子孙）等发现了Y-Ba-Cu-O超导材料，其Tc>90K，进入了成本极其低廉的液氮（77K）温区，令世人惊喜！这引起了一场科学史上空前的研究高临界温度超导材料的热潮，并席卷全球！人们将这类临界温度大于77K的超导材料，称为“高临界温度超导材料”，简称“高温超导材料”。

超导的研究从学科上可分为物理学和材料工程学两大部分。前者从凝聚态物理角度，研究超导态性质及正常态性质，电子结构及超导电性机理等。重费米子超导材料和铜氧化物超导材料的发现向传统超导理论的配对机制提出了挑战，是当前凝聚态物理中最活跃的研究领域。后者则从材料工程角度出发，研究超导材料的成分设计、原材料合成技术、线带材、块材和薄膜的制备技术与改善电磁特

图4－2超导材料的R －T 关系曲

性的制备技术、材料基础（相图和精细微观结构）研究、材料的应用（弱点和强点）研究开发等，是超导材料的产业化基础。本章将重点从材料工程学方面介绍一下超导材料领域的研究进展情况。

二、超导的基本特性

1.零电阻效应

材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Superconductor）。1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯（H.K.Onnes）发现在T＝4.1K 下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R－T 特性曲线，如图4－2所示。

图中的R n 为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度

T S ；当电阻减小到R n /2时的温度称为中点温度T M ；当电阻减小至零时的温度为零

电阻温度T 0。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条

件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。

2.迈斯纳效应

1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见图4－3），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象

称为迈斯纳效应。

图4－3迈斯纳效应示意图

3.同位素效应

超导体的临界温度T

C 与其同位素质量M有关。M越大，T

C

越低，这称为同位

素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的T

C

是4.18K，而原子量为203.4

的汞同位素，T

C 为4.146K。M与T

C

有近似关系：

2

1

M

T

C＝常数

4.约瑟夫森效应

当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。如图4－4所示。

总结：临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流Ic是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。

第二章磁性材料

一、基本知识磁性材料

1．定义：磁性材料主要是指由过渡元素铁,钴,镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。

2．分类：

图4－4约瑟夫森效