《超导材料》PPT课件

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1、超导材料(Superconductormaterial)栗志同一.超导现象的发现及进展1911年，昂内斯在液氦温度下研究金属的电阻与温度的关系时，发现温度T=4.2K附近水银样品的电阻从0.125欧姆突然降至零，他把这种现象称为零电阻性或超导电性。出现超导电现象的那个温度称为临界温度或转变温度，用TC表示。自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0.1K—9.13K，最高温度为9.13K的是铌元素。1950年，科学家将注意力转向了合金和化合物。1952年，发现了

2、临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。21973年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.3K，该纪录保持了13年。1986年，米勒和贝德诺尔茨发现了一种氧化物（镧-钡-铜-氧化物陶瓷超导材料）具有35K的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”被跨越。1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到9

3、0K以上，液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导（TC>77K)叫做高温超导体。1987年底铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。1991年发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-氧系材料。3近年来，人们对超导电性的研究又不断取得新的进展，如发现了新型超导体C60，C60被誉为21世纪新材料的“明星”，由于它

4、弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。4二.相关参量和基本性质Ⅰ.相关参量☆临界温度(TC)：外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度。TC值因材料不同而异，如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。☆临界磁场（HC)：使超导材料的超导态破坏而转变到

5、正常态所需的磁场强度。☆临界电流（IC）：使超导态破态而转变为正常态所需的通过超导材料的电流。☆临街电流密度（JC）:单位面积的临界电流。超导材料在同时满足TC、HC、JC的条件下方可表现出超导态。对于超导材料来说，这三个参数的值越大越好。56Ⅱ基本性质☆零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零。原因：超导电子Cooper对的关联效应☆完全抗磁性(迈斯纳效应）：在临界温度TC以下处在外磁场中的材料内部磁场强度为零。原因：BCS理论认为，正是由于超导电子Cooper对的关联效应，使外磁场很难进入，从而导致了迈斯纳效应7☆Jos

6、ephson效应(Cooper对的隧道效应)对于超导体-绝缘层-超导体互相接触的结构(S-I-S结构)，当绝缘层的厚度只有几十埃时，超导体内的电子对就有可能穿透绝缘层势垒形成电流，而隧道结两端没有电压即绝缘层也成了超导体。此时发生的量子力学隧道效应称为“Josephson效应。☆同位素效应超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这称为同位素效应，其中M与TC有这样一个关系：TCM1

7、2=常数例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146K。当

8、通以低于临界电流值IC时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流I>IC时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。8三、超导理论简介现代超导微观理论即BCS理论认为：电子通晶格相互作用，在常温下形成导体的电阻，但在超低温下，这种相互作用是产生电子对（Cooper电子对）的原因。温度越低，所产生的这种电子对越多。超导电子对不能互相独立的运动，只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到干扰时，就要涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其

9、他电子对。这个空间范围内的所有电子对，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，就不像正常电子那样，被晶体缺陷和晶格振动散射而产生电阻，从而呈现电阻消失的现象。超导理论能较好的说明超导现象和第一类超导体的性质，但是尚不能完满解决完全抗磁性的问题，随着超导材料的发展，BCS理论出现很多不足