高温超导材料的研究进展PPT课件
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库柏对
1电子通过声子作为媒介产生相互吸引作用并逐渐 超过库仑斥力，相成束缚对即库柏对。 2 在超导基态各个电子的动量可以不同，但是每 个库柏对却集中在零动量上。
德国马克斯·普朗克协会和普林斯顿大学1999年4月宣布，通过中 子散射实验，揭示了高 温超导金属氧化物电子自旋对的特殊行为。
2002年，诺贝尔奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论。
❖ 超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。
❖我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿 课题（2006-2020）。
3
研究背景
4
研究背景
一些高温超导体之Tc值
5
高温超导材料的简介
超导材料的基本物理特征：
❖零电阻现象
❖完全抗磁性 （迈斯纳效应）
❖超导态并非仅取决于温度 (临界电流和临界磁场)
失超
Ic(V) I
13
高温超导材料的简介
超导材料的分类：
常规超导体(如Nb-Ti合金)
高温超导体(如YBa2Cu3O7-x)
超导材料
非晶超导材料 复合超导材料(如超导线带材料)
重费米子超导体(如CeCu2Si2) 有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)
14
高温超导材料的简介
BCS超导理论:
（美国科学家巴丁、库 柏和施里弗提出）
---Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).
19
高温超导材料的例子
铜氧化物和C60超导材料
----Elbio Dagotto. Science,293,2410(2001).
Seminar I
高温超导材料的研究进展
1
目录
研究背景 高温超导材料的简介 高温超导材料的制备 超导材料的最新进展 高温超导材料的应用和发展前景
2
研究背景
❖ 1911年，荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯(Karner lngh Onns) 首次在4．2K时发现水银零电阻现象即超导现象。他于1913获得诺 贝尔奖。
10
高温超导材料的简介
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产 生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥 力越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。
15
高温超导材料的简介
高Βιβλιοθήκη Baidu超导材料的结构特征:
层状钙钛结构组元
导电层 （铜氧层）
子调 浓节 度载
流
合提 机供 制耦
载流子库层
Cu-O6八面体 Cu-O5四方锥 Cu-O4平面四边形
孔穴型 电子型
16
高温超导材料的例子
钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体
1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc>90K,超导转变 温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。
11
高温超导材料的简介
临界磁场
逐渐增大磁场到达一定值 H 后，超导体会从超导态变为 正常态，把破坏超导电性所 需的最小磁场称为临界磁场， Hc(0) 记为Hc。
有经验公式：
Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)
正常态
超导态
Tc
12
高温超导材料的简介
临界电流
超导体无阻载流的能力也 V 是有限的，当通过超导体中 的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产 生这一相变的电流称为临界 电流，记为Ic。目前，常用 电场描述Ic(V) ，即当每厘米 样品长度上出现电压为1V 时所输送的电流。
9
高温超导材料的简介
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产 生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥 力越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。
普通 导体
超导体
6
高温超导材料的简介
零电阻
零电阻是超导体的一 个重要特性，实验表 明：超导状态中零电 阻现象不仅与超导体 温度有关，还与外磁 场强度和通过超导体 的电流有关，这意味 着存在临界电流，超 过临界电流就会出现 电阻.
零电阻
7
高温超导材料的简介
迈斯纳效应
迈斯纳效应又叫完全抗
磁性，1933年迈斯纳发现，
18
高温超导材料的例子
铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体
n=1 2201相
Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 Tc>100K;
n=2 2212相 n=3 2223相 n=4 2234相
Cu-O 层 钙钛矿层 Bi2O2层
Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K;
Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K。
超导体一旦进入超导状态， 体内的磁通量将全部被排
S
出体外，磁感应强度恒为
零，且不论对导体是先降 N
温后加磁场，还是先加磁
场后降温，只要进入超导
状态，超导体就把全部磁
N
通量排出体外。
S
注：S表示超导态 N表示正常态
8
高温超导材料的简介
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产 生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥 力越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。
17
高温超导材料的例子
美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡 铜单晶体，使临界电流密度提高了100倍， 达6×10５ A/cm2，美国马萨诸萨理工学院 用在超导材料中掺入银等加热处理的方法， 解决了材料的脆弱问题，使强度比超导陶 瓷提高了10倍，适用于作输电线.我国则早 已制成零电阻为83．7 K的超导材料和零电 阻为77 K的超导薄膜.
❖ 柏诺兹(Bednorz)和缪勒(Miiller)于1986年发现超导转变温度 在3O K温区的高温铜氧化物超导体，为进一步发现在液氮温区值 的高温超导体开辟了道路。他们于1987年获诺贝尔奖。
❖ 钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x )和铋系BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材 料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。
1电子通过声子作为媒介产生相互吸引作用并逐渐 超过库仑斥力，相成束缚对即库柏对。 2 在超导基态各个电子的动量可以不同，但是每 个库柏对却集中在零动量上。
德国马克斯·普朗克协会和普林斯顿大学1999年4月宣布，通过中 子散射实验，揭示了高 温超导金属氧化物电子自旋对的特殊行为。
2002年，诺贝尔奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论。
❖ 超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。
❖我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿 课题（2006-2020）。
3
研究背景
4
研究背景
一些高温超导体之Tc值
5
高温超导材料的简介
超导材料的基本物理特征：
❖零电阻现象
❖完全抗磁性 （迈斯纳效应）
❖超导态并非仅取决于温度 (临界电流和临界磁场)
失超
Ic(V) I
13
高温超导材料的简介
超导材料的分类：
常规超导体(如Nb-Ti合金)
高温超导体(如YBa2Cu3O7-x)
超导材料
非晶超导材料 复合超导材料(如超导线带材料)
重费米子超导体(如CeCu2Si2) 有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)
14
高温超导材料的简介
BCS超导理论:
（美国科学家巴丁、库 柏和施里弗提出）
---Michael Vershinin, Shashank Misra, et al. Science,303,1995(2004).
19
高温超导材料的例子
铜氧化物和C60超导材料
----Elbio Dagotto. Science,293,2410(2001).
Seminar I
高温超导材料的研究进展
1
目录
研究背景 高温超导材料的简介 高温超导材料的制备 超导材料的最新进展 高温超导材料的应用和发展前景
2
研究背景
❖ 1911年，荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯(Karner lngh Onns) 首次在4．2K时发现水银零电阻现象即超导现象。他于1913获得诺 贝尔奖。
10
高温超导材料的简介
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产 生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥 力越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。
15
高温超导材料的简介
高Βιβλιοθήκη Baidu超导材料的结构特征:
层状钙钛结构组元
导电层 （铜氧层）
子调 浓节 度载
流
合提 机供 制耦
载流子库层
Cu-O6八面体 Cu-O5四方锥 Cu-O4平面四边形
孔穴型 电子型
16
高温超导材料的例子
钇钡铜氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超导体
1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc>90K,超导转变 温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。
11
高温超导材料的简介
临界磁场
逐渐增大磁场到达一定值 H 后，超导体会从超导态变为 正常态，把破坏超导电性所 需的最小磁场称为临界磁场， Hc(0) 记为Hc。
有经验公式：
Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)
正常态
超导态
Tc
12
高温超导材料的简介
临界电流
超导体无阻载流的能力也 V 是有限的，当通过超导体中 的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产 生这一相变的电流称为临界 电流，记为Ic。目前，常用 电场描述Ic(V) ，即当每厘米 样品长度上出现电压为1V 时所输送的电流。
9
高温超导材料的简介
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产 生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥 力越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。
普通 导体
超导体
6
高温超导材料的简介
零电阻
零电阻是超导体的一 个重要特性，实验表 明：超导状态中零电 阻现象不仅与超导体 温度有关，还与外磁 场强度和通过超导体 的电流有关，这意味 着存在临界电流，超 过临界电流就会出现 电阻.
零电阻
7
高温超导材料的简介
迈斯纳效应
迈斯纳效应又叫完全抗
磁性，1933年迈斯纳发现，
18
高温超导材料的例子
铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体
n=1 2201相
Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 Tc>100K;
n=2 2212相 n=3 2223相 n=4 2234相
Cu-O 层 钙钛矿层 Bi2O2层
Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K;
Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K, 高压下Tc达到了164K。
超导体一旦进入超导状态， 体内的磁通量将全部被排
S
出体外，磁感应强度恒为
零，且不论对导体是先降 N
温后加磁场，还是先加磁
场后降温，只要进入超导
状态，超导体就把全部磁
N
通量排出体外。
S
注：S表示超导态 N表示正常态
8
高温超导材料的简介
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度 低于锡的转变温度时，小磁铁会离 开锡盘飘然升起，升至一定距离后， 便悬空不动了，这是由于磁铁的磁 力线不能穿过超导体，在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产 生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥 力越小，当斥力减弱到与磁铁的重 力相平衡时，就悬浮不动了。
17
高温超导材料的例子
美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡 铜单晶体，使临界电流密度提高了100倍， 达6×10５ A/cm2，美国马萨诸萨理工学院 用在超导材料中掺入银等加热处理的方法， 解决了材料的脆弱问题，使强度比超导陶 瓷提高了10倍，适用于作输电线.我国则早 已制成零电阻为83．7 K的超导材料和零电 阻为77 K的超导薄膜.
❖ 柏诺兹(Bednorz)和缪勒(Miiller)于1986年发现超导转变温度 在3O K温区的高温铜氧化物超导体，为进一步发现在液氮温区值 的高温超导体开辟了道路。他们于1987年获诺贝尔奖。
❖ 钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x )和铋系BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材 料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。