超导材料的性能与应用综述

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1、超导材料的性能及应用综述班级：10粉体（2）班学号：1003012003姓名：徐明明摘要：回顾了超导现象的发现及发展，综述了超导电性的微观机理，超导物理学研究的历史和主要成果，介绍了超导电性的几种突出的应用，并指出目前对于超导电性的认识在理论、实验、研究上都是初步的,还需要进行更多的和更深入全面的研究。关键词:超导电性；超导应用；BCS理论；应用一、超导现象的发现及发展1908年,荷兰莱登实验室在卡茂林-昂尼斯的指导下,用液氢预冷的节流效应首次实现了氦气的液化，从而使实验温度可低到4~1K的极低温区,并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。1911年

2、,卡茂林-昂尼斯[1]发现Hg的电阻在4.2K时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度,即Hg在一确定的临界温度Tc=4.15K以下将丧失其电阻,这是人们第一次看到的超导电性。昂尼斯也凭这一发现获得了1913年的诺贝尔物理学奖。后来的实验证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度Tc、临界电流Ic、临界磁场Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科——超导。一直到20世纪50年代,超导

3、只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究,1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer[2]提出了著名的BCS理论,揭示了漫长时期不清楚的超导起因。1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体,开辟了超导在强电中的应用,特别是1962年Josephson效应的出现,将超导应用推广到一个崭新的领域。到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表上排列、组合成各种二元、三元合金或化

4、合物,但进展一直不大,人们又去找四元化合物,仍无成效,1973年找到的最高临界温度是23.2K的Nb3Ge薄膜。直到1986年4月当瑞士苏黎世的IBM研究室的学者Bednorz和Muller[3]报道了La-Ba-Cu-O体系的超导转变温度为36K时,人们是多么的激动,从而在世界范围内掀起了研究、探索高温超导材料的热潮。最引人注目的突破性进展是几个系列高温超导氧化物的相继问世。1987年初,美国的朱经武等[3]和中科院物理所的赵忠贤等[4]分别独立地发现了Tc超过90K的Y-Ba-Cu-O超导体,这是第一个液氮温区超导体,实现了Tc超出液氮沸点的重要突破

5、。1988年又发现了更高Tc的两个系列超导氧化物:110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O[5]和125K的Tl-Ba-Ca-Cu-O[6]系统,随后,Hg-Ba-Ca-Cu-O[8]等高温超导材料相继问世,。1993年12月法国国家科研中心宣布也是在HgBaCaCuO体系中(估计是1234或1245结构)出现了-43℃～-3℃的超导现象,如果这一结果得到其他实验室的独立证实,那将是一种非常接近室温超导的材料。2000年,Schoen等人[7]报道采用在场效应晶体管结构下通过栅极诱导的空穴掺杂使C60的空穴密度显著增大,从而在很宽的空穴密度范围内观察到超导电

6、性。2001年1月,Nagamatsu等人[8]报道发现了一种新的超导材料MgB2。它是简单的二元金属化合物,Tc=39K左右。在非铜氧化物和没有C60基的超导材料中,其Tc已相当高,并且制作方法简单,因此在全世界范围内掀起了对其基础性质和实际应用进行研究的极大兴趣。二、超导电性的本质自1911年发现超导电性开始，人们一直在努力探索产生超导电性本质。大量实验表明,超导电性是由于电子气的行为发生了某种深刻变化引起的,特点是无阻地运动,电子气处在这种高度有序的状态意味着电子之间的相互作用是吸引的。1957年,Bardeen、Cooper和Schrieffer

7、三人提出了一种完整的超导微观理论,简称为BCS理论。BCS理论是第一个成功的微观理论,它很好地解释了大多数金属元素的超导电性的起因及其重要性质,由它预言的结果与实验很好地符合。BCS理论认为:超导体中的传导电流的超导电子是结合成对的,叫Cooper对。Cooper对不能互相独立地运动,而只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到扰动,就要涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其它电子对。这个范围内的所有Cooper对,在动量上彼此关联成为有序的集体,因此超导电子对在运动时,就不像其它正常电子那样,被晶体缺陷和振动散射产生电阻,从而呈现零电阻现象。同时还能

8、抗拒外来磁场的进入而导致Meissner效应。BCS理论可以解释常规超导体中的超