高温超导材料的研究与应用进展-研究生课程PPT
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2. PLD一般可以分为以下四个阶段： ① 激光辐射与靶的相互作用 ② 熔化物质的动态 ③ 熔化物质在基片的沉积
④ 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成
4、高温超导材料的制备工艺
PLD特点：
① 易获得期望化学计量比的多组分 薄膜，即具有良好的保成分性；
② 沉积速率高，试验周期短，衬底 温度要求低，制备的薄膜均匀；
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用过程中的问题
1、成本高 2、临界电流、临界磁场提高困难 3、制造长距离超导线材有难度 4、加强了对新的超导体的探索：
碳基（AxC60,18K）、MgB2 （40K）、铁基（LnOFePn， 55K） 等超导材料
5、高温超导材料的应用和发展前景 高温超导材料的发展前景
钇钡铜超导薄膜---应用于谐振器、滤波 器、天线等有源器件
商品化
钇钡铜超导超导块材- 即 将
用于磁悬浮、储能飞
轮等方面
实业化
预测
超导电缆、超导发电 机、超导电缆
低电力 低能耗 灵敏度度高
低电力 低能耗
节省大量资金 缓解环境污染
预计在2050 年左右会形
成18002500亿美元 的超导市场， 其中高温超 导占一半
汞系
汞系各向异性介于稀土类和铋系之间，和铊系临 界温度相当，也易挥发而有毒，因此开发也很少。
3、影响高温超导材料研究的因素
交流损耗是一个影响高温超导材料应用的重要因素
绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要 因素，所以减小运输过程中的电流的损耗是一个必须要注意的问题。
3、影响高温超导材料研究的因素
高温超导材料
高温超导材料的研究与应用进展
汇 报 人： 学 号： 汇报时间：2017年1月8 号
1 高温超导材料的概念
2 高温超导材料的研究现状
3 影响高温超导材料研究的因素
4 高温超导材料的制备工艺
5
高温超导材料的应用和发展前景
1、高温超导材料的概念
超导材料：是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻 等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种 元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
磁场是影响高温超导材料研究的一个重要因素
高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流，高温超导磁 体的自场比单根超导带材的自场要大得多，磁体各个位置的磁场大小和方向 各不相同，所以很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流，所以对于高温 超导磁体而言，磁场是影响高温超导的一个关键因素。
3、影响高温Байду номын сангаас导材料研究的因素
2、高温超导材料的研究现状
➢目前的高温超导材料
目前高温超导材料主要是：钇系(92 K)、 铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K) 以及新发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。 其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO) 和二硼化镁(MgB)。
近年来，超导材料和超导应用技术已经取 得了重大进展，铋系氧化物(铋锶钙铜氧， BSCCO)和钇系氧化物(钇钡铜氧，YBCO) 材料的发现使高温超导材料走入实用化阶 段。基于高温超导材料的交流损耗低及高 载流能力等特点，其在电力、通信、工业、 国防等诸多领域具有广阔的应用前景。
核磁共振断层扫描仪
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用
• 高温超导材料与技术作为一个具有巨大潜在商业应用前景的高 技术产业，一直是高技术领域中的主要热点之一，在能源、信 息、交通、科学仪器、医疗技术、国防、重大科学工程等方面 有着重要应用。
• 对超导材料的实用化有三个方面的要求： • 第一、超导材料的三个临界参数必须达到应用要求的水平； • 第二、超导材料必须具有满足工程应用的形状结构、机械特 性和物理特性，强电应用必须是多芯导线，以抑制磁通跳跃 和热激活。超导线材也必须具有足够的机械强度，以满足基 于磁体应用必须达到的应力应变特性。同时，交流场合的应 用要求降低线材中由于各物理机制导致的损耗。
量子限制效应对超导薄膜性质的影响
赵忠贤院士小组与物理所表面实验室合 作，研究了超导Pb薄膜的尺寸量子限制 效应对超导转变温度和其他物性的调剂 作用。这个结果说明，只要很好的控制 与厚度相关的量子尺寸效应，可以调制 薄膜的超导性质和其他物理性质。
3、影响高温超导材料研究的因素
薄膜表面等离子激元和增强透射效应
➢ 分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材 料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂 剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高 外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可 制成化学配比较好的化合物半导体薄膜
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用
在电力工程方面的应用超导输电在原 则上可以做到没有热的损耗，因而可节省 大量能源；用超导线圈储存能量在军事上 有重大应用，超导线圈用于发电机和电动 机可以大大提高工作效率、降低损耗，从 而导致电工领域的重大变革。
超导电磁动力船，此实验船 已在日本成功测试。
动用超导体产生的强磁场可以研 制成磁悬浮列车，车辆不受地面阻力 的影响，可高速运行，车速达500km/h 以上，若让超导磁悬浮列车在真空中 运行，车速可达1600 km/h，利用超导 体制成无摩擦轴承，用于发射火箭， 可将发射速度提高3倍以上。
③ 工艺参数任意调节，对靶材的种 类没有限制；
④ 发展潜力巨大，具有极大的兼容 性；
⑤ 便于清洁处理，可以制备多种薄 膜材料。
4、高温超导材料的制备工艺
金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）
✓ 一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气 相沉积技术。
✓ 该方法现在主要用于化合物半导体的气相生长上。用该法制备 薄膜时，作为含有化合物半导体元素的原料化合物，必须满足 常温稳定且易处理，在室温附近有适当的蒸气压，反应的副产 物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层等条件。
5、高温超导材料的应用和发展前景
超导技术将成为 21 世纪的宠儿，而超导材料也将深入千家万户。超 导技术的发展、应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用，将 会为世界每年免去不必要的边缘耗散。如果能用上超导材料，那每年 消耗的能量将不可估量。如果这些能量被合理地利用起来对人类的发 展不可谓不大，或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金， 用于资助那些苦难的、急需救助的国家与人民，那意义不可谓不大。 超导材料的普及必将是一场材料大革命，其意义并不会亚于其他科技 革命。
✓ 该方法也存在一些缺点：难以进行原位监测生长过程，许多有 机金属化合物蒸气有毒、易燃；反应温度低，因此有时在气相 中就发生反应。
4、高温超导材料的制备工艺
分子束外延法（MBE）
➢ 分子束外延是种物理沉积单晶薄膜方法。在超高真空腔内，源 材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热 蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后， 经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。分子束外延是一种新的 晶体生长技术，简记为MBE。
2、高温超导材料的研究现状
➢高温超导材料在其他方面的进展
钇系
以YBa2Cu3Oy为代表，各向异性最小，
但它具有很高的临界电流密度Jc。
四
类 高 温
铋系
各向异性最大，铋系的丝材开发最好，其中 铋系的2223相的材料是丝材的主要产品。
超
导 材 料
铊系
铊系各向异性居于前两者之间，临界温度Tc高 达130k，但是易挥发而且有毒，所以开发较少。
对MgB2、NbN等薄膜远红外光学性质的研究发现表面等离子的体现象和增 强透射现象；用超导体做成的人造材料的增强透射谱随着超导体进入超导态 而发生改变。这可能将为研究物质的特性找到了一种新的研究方法。
4、高温超导材料的制备工艺
脉冲激光沉积法
1. 脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD） ，也被称为脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation， PLA），是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰 击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄 膜的一种手段。
超导技术的应用将会越来越广泛地造福人类，对超导电性机理的进一 步的了解，将会对凝聚态物理学的发展以及相关边缘学科的发展产生 极为深远的影响。各国政府，特别是工业发达国家的政府，对超导研 究极力支持，给以大量投资，这些国家有实力的公司对研究成果迅速 引进，迅速转变为生产力，这些都有利于超导技术的发展。这也说明， 政府、企业与超导专家、研究者，在对超导将起的作用的看法方面取 得了共识。超导技术在 21 世纪必将占有重要地位。
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用
超导量子干涉仪
用超导技术制成各种仪器，具有
灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小
等特点，如用超导量子干涉仪可确定
地热、石油、各种矿藏的位置和储量，
并可用于地震预报。
超导技术在生物医疗方面的应用
超导磁体在医学上的重要应用是 核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤 癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、 肺磁图，研究气功原理等。
高温超导材料：是指具有高临界的转变温度(Tc)，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，多 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、高临界转变温度等特殊性质，将使高 温超导材料在生活生产各个领域得到广泛的应用。
④ 薄膜在基片表面的成核（nucleation）与生成
4、高温超导材料的制备工艺
PLD特点：
① 易获得期望化学计量比的多组分 薄膜，即具有良好的保成分性；
② 沉积速率高，试验周期短，衬底 温度要求低，制备的薄膜均匀；
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用过程中的问题
1、成本高 2、临界电流、临界磁场提高困难 3、制造长距离超导线材有难度 4、加强了对新的超导体的探索：
碳基（AxC60,18K）、MgB2 （40K）、铁基（LnOFePn， 55K） 等超导材料
5、高温超导材料的应用和发展前景 高温超导材料的发展前景
钇钡铜超导薄膜---应用于谐振器、滤波 器、天线等有源器件
商品化
钇钡铜超导超导块材- 即 将
用于磁悬浮、储能飞
轮等方面
实业化
预测
超导电缆、超导发电 机、超导电缆
低电力 低能耗 灵敏度度高
低电力 低能耗
节省大量资金 缓解环境污染
预计在2050 年左右会形
成18002500亿美元 的超导市场， 其中高温超 导占一半
汞系
汞系各向异性介于稀土类和铋系之间，和铊系临 界温度相当，也易挥发而有毒，因此开发也很少。
3、影响高温超导材料研究的因素
交流损耗是一个影响高温超导材料应用的重要因素
绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要 因素，所以减小运输过程中的电流的损耗是一个必须要注意的问题。
3、影响高温超导材料研究的因素
高温超导材料
高温超导材料的研究与应用进展
汇 报 人： 学 号： 汇报时间：2017年1月8 号
1 高温超导材料的概念
2 高温超导材料的研究现状
3 影响高温超导材料研究的因素
4 高温超导材料的制备工艺
5
高温超导材料的应用和发展前景
1、高温超导材料的概念
超导材料：是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻 等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种 元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
磁场是影响高温超导材料研究的一个重要因素
高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流，高温超导磁 体的自场比单根超导带材的自场要大得多，磁体各个位置的磁场大小和方向 各不相同，所以很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流，所以对于高温 超导磁体而言，磁场是影响高温超导的一个关键因素。
3、影响高温Байду номын сангаас导材料研究的因素
2、高温超导材料的研究现状
➢目前的高温超导材料
目前高温超导材料主要是：钇系(92 K)、 铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K) 以及新发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。 其中最有实用价值的是铋系、钇系(YBCO) 和二硼化镁(MgB)。
近年来，超导材料和超导应用技术已经取 得了重大进展，铋系氧化物(铋锶钙铜氧， BSCCO)和钇系氧化物(钇钡铜氧，YBCO) 材料的发现使高温超导材料走入实用化阶 段。基于高温超导材料的交流损耗低及高 载流能力等特点，其在电力、通信、工业、 国防等诸多领域具有广阔的应用前景。
核磁共振断层扫描仪
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用
• 高温超导材料与技术作为一个具有巨大潜在商业应用前景的高 技术产业，一直是高技术领域中的主要热点之一，在能源、信 息、交通、科学仪器、医疗技术、国防、重大科学工程等方面 有着重要应用。
• 对超导材料的实用化有三个方面的要求： • 第一、超导材料的三个临界参数必须达到应用要求的水平； • 第二、超导材料必须具有满足工程应用的形状结构、机械特 性和物理特性，强电应用必须是多芯导线，以抑制磁通跳跃 和热激活。超导线材也必须具有足够的机械强度，以满足基 于磁体应用必须达到的应力应变特性。同时，交流场合的应 用要求降低线材中由于各物理机制导致的损耗。
量子限制效应对超导薄膜性质的影响
赵忠贤院士小组与物理所表面实验室合 作，研究了超导Pb薄膜的尺寸量子限制 效应对超导转变温度和其他物性的调剂 作用。这个结果说明，只要很好的控制 与厚度相关的量子尺寸效应，可以调制 薄膜的超导性质和其他物理性质。
3、影响高温超导材料研究的因素
薄膜表面等离子激元和增强透射效应
➢ 分子束外延的优点就是能够制备超薄层的半导体材料；外延材 料表面形貌好，而且面积较大均匀性较好；可以制成不同掺杂 剂或不同成份的多层结构；外延生长的温度较低，有利于提高 外延层的纯度和完整性；利用各种元素的粘附系数的差别，可 制成化学配比较好的化合物半导体薄膜
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用
在电力工程方面的应用超导输电在原 则上可以做到没有热的损耗，因而可节省 大量能源；用超导线圈储存能量在军事上 有重大应用，超导线圈用于发电机和电动 机可以大大提高工作效率、降低损耗，从 而导致电工领域的重大变革。
超导电磁动力船，此实验船 已在日本成功测试。
动用超导体产生的强磁场可以研 制成磁悬浮列车，车辆不受地面阻力 的影响，可高速运行，车速达500km/h 以上，若让超导磁悬浮列车在真空中 运行，车速可达1600 km/h，利用超导 体制成无摩擦轴承，用于发射火箭， 可将发射速度提高3倍以上。
③ 工艺参数任意调节，对靶材的种 类没有限制；
④ 发展潜力巨大，具有极大的兼容 性；
⑤ 便于清洁处理，可以制备多种薄 膜材料。
4、高温超导材料的制备工艺
金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）
✓ 一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气 相沉积技术。
✓ 该方法现在主要用于化合物半导体的气相生长上。用该法制备 薄膜时，作为含有化合物半导体元素的原料化合物，必须满足 常温稳定且易处理，在室温附近有适当的蒸气压，反应的副产 物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层等条件。
5、高温超导材料的应用和发展前景
超导技术将成为 21 世纪的宠儿，而超导材料也将深入千家万户。超 导技术的发展、应用和普及将会在世界能源方面发挥不朽的作用，将 会为世界每年免去不必要的边缘耗散。如果能用上超导材料，那每年 消耗的能量将不可估量。如果这些能量被合理地利用起来对人类的发 展不可谓不大，或者每年为这些能量的耗散而投入的不必要的资金， 用于资助那些苦难的、急需救助的国家与人民，那意义不可谓不大。 超导材料的普及必将是一场材料大革命，其意义并不会亚于其他科技 革命。
✓ 该方法也存在一些缺点：难以进行原位监测生长过程，许多有 机金属化合物蒸气有毒、易燃；反应温度低，因此有时在气相 中就发生反应。
4、高温超导材料的制备工艺
分子束外延法（MBE）
➢ 分子束外延是种物理沉积单晶薄膜方法。在超高真空腔内，源 材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热 蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后， 经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。分子束外延是一种新的 晶体生长技术，简记为MBE。
2、高温超导材料的研究现状
➢高温超导材料在其他方面的进展
钇系
以YBa2Cu3Oy为代表，各向异性最小，
但它具有很高的临界电流密度Jc。
四
类 高 温
铋系
各向异性最大，铋系的丝材开发最好，其中 铋系的2223相的材料是丝材的主要产品。
超
导 材 料
铊系
铊系各向异性居于前两者之间，临界温度Tc高 达130k，但是易挥发而且有毒，所以开发较少。
对MgB2、NbN等薄膜远红外光学性质的研究发现表面等离子的体现象和增 强透射现象；用超导体做成的人造材料的增强透射谱随着超导体进入超导态 而发生改变。这可能将为研究物质的特性找到了一种新的研究方法。
4、高温超导材料的制备工艺
脉冲激光沉积法
1. 脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，PLD） ，也被称为脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation， PLA），是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰 击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄 膜的一种手段。
超导技术的应用将会越来越广泛地造福人类，对超导电性机理的进一 步的了解，将会对凝聚态物理学的发展以及相关边缘学科的发展产生 极为深远的影响。各国政府，特别是工业发达国家的政府，对超导研 究极力支持，给以大量投资，这些国家有实力的公司对研究成果迅速 引进，迅速转变为生产力，这些都有利于超导技术的发展。这也说明， 政府、企业与超导专家、研究者，在对超导将起的作用的看法方面取 得了共识。超导技术在 21 世纪必将占有重要地位。
5、高温超导材料的应用和发展前景
高温超导材料的应用
超导量子干涉仪
用超导技术制成各种仪器，具有
灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小
等特点，如用超导量子干涉仪可确定
地热、石油、各种矿藏的位置和储量，
并可用于地震预报。
超导技术在生物医疗方面的应用
超导磁体在医学上的重要应用是 核磁共振成像技术，可分辨早期肿瘤 癌细胞等，还可做心电图，脑磁图、 肺磁图，研究气功原理等。
高温超导材料：是指具有高临界的转变温度(Tc)，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，多 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、高临界转变温度等特殊性质，将使高 温超导材料在生活生产各个领域得到广泛的应用。