第十二讲超导材料
材料科学超导材料简介(共63张PPT)
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四、超 导 材 料的应用
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1. 零电阻效应
不同导体的电阻-的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这一现
象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称为超导态， 存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。零电阻效应是超
导态的一个基本特征。
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1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论(BCS)，于 1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性作出正确的解释，并
极大地促进了超导电性和超导磁体的研究与应用。
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约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具有很高的应用 价值，并导致超导电子学的建立。
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1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于1987年获得若贝 尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料的出现，并宣告 了超导技术开发应用时代即将到来。
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（3）铋超导家族 铋超导家族的化学通式为Bi2Sr2Can-1CunO2n+4，n=2,3。也就是说这个
家族有两个成员，即Bi2Sr2CaCu2O8和Bi2Sr2Ca2Cu3O10。习惯上称为铋2212 相和铋2223相。铋2212相的超导转变温度为85K，铋2223相的超导转变温度 为110K。在铋2223相中，如果用Pb少量地取代Bi，材料的超导性能会得到改 善。
的133K是迄今为止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。
高温超导体是金属氧化物，在本质上是陶瓷材料，所以有的人将其称为陶瓷超 导材料。
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高温超导线材的制备工艺
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超导材料及其应用PPT课件
超导材料及其应用
超导材料及其应用
超导材料及其应用
08级应用物理
超导材料及其应用
· 超导简史 · 超导材料 · 超导应用
超导材料及其应用
一、超导简史
1908年，荷兰物理学家昂内斯首
次成功地把称为“永久气体”的
氦液化，因而获得4.2K 的低温源，
为超导准备了条件，三年后即
1911年，在测试纯金属电阻率的
低温特性时，他又发现，汞的直
超导材料及其应用
1.2 超导电机 超导电机包括发电
机和电动机。由于采用 了超导绕组，与常规电 机相比，能够承载更大 的电流从而产生更强的 磁场，所以在与常规电 机功率相同的情况下， 其体积和重量可以减小 到常规电机的1/5 左右。ຫໍສະໝຸດ 超导发电机，拥有两万千瓦的功率
超导材料及其应用
超导悬浮列车 由于超导体
1973 年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.2K， 该纪录保持了13年。
1986 年，IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨发现了一 种铜氧化物具有35K 的高温超导性，突破了传统“氧化物 陶瓷是绝缘体”的观念，更重要的是改变了从金属和合金 中寻找超导材料的传统思路 。
超导材料及其应用
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。
超导材料及其应用
2.2 铋系高温超导体(BSCCO) 这是仅次于钇系研究得颇为透彻的高温超
导体。1988年初日本人用便宜的Bi2O3 代替 稀土，用锶、钙代替钡在BSCCO系中发现了 新的高温超导相。此后,美、日都宣布发现了 Tc=110Ｋ的超导体，经研究BSCCO共有 Bi2Sr2CaCu2O8(Bi2212) 和(Bi， Pb)2Sr2Ca2Cu3O10(Bi2223) 两个高温超导 相,前者的Tc约80Ｋ,后者为110Ｋ。BSCCO 粉具有极好的烧结特性和超导性能，目前已 商品化生产用于制造和开发铋系线材。
超导材料及其应用
超导材料及其应用超导材料是指在低温下具有零电阻的材料。
它们是一种特殊的物质，可以在一定的温度和电流密度条件下将电流高效地传输而无能量损耗。
超导材料在电力输送、磁共振成像、高能物理实验等领域有广泛的应用，具有巨大的潜力。
超导材料最早被发现是在1911年，荷兰物理学家海克·卡梅林·杰平斯发现了汞在4.2K（约-269℃）温度下失去电阻的现象。
随后，人们陆续发现了其他物质也具有这种性质。
目前，已经发现的超导材料包括铜氧化物、铜化合物、铝化合物以及镧系和铀系化合物等。
超导材料的应用主要集中在两个方面：能源输送和磁共振成像。
在能源输送方面，超导材料可以用于电力线路的输送。
由于超导材料具有零电阻特性，电流在其内部可以无能量损耗地传输。
与传统的电线相比，超导线路具有更高的电流能力和输电距离。
这意味着可以减少能源损失，提高电能的利用率。
超导线路还可以减少输电过程中的电磁辐射和故障短路的可能性。
然而，目前超导材料的低温要求和成本限制了其商业化应用的普及。
在磁共振成像方面，超导材料可以用于制造超导磁体。
超导磁体的磁场强度远远超过传统的电磁磁体，因此可以提高成像的分辨率和准确性。
超导磁体广泛应用于核磁共振成像（MRI）、磁共振治疗（MRT）和粒子加速器等领域。
其中，MRI是医学影像学中常用的一种成像技术，可以用于诊断疾病和观察人体内部结构。
超导磁体的发展推动了MRI技术的进步和普及。
此外，超导材料还在高能物理实验、电力电子和量子计算等领域有潜在的应用。
在高能物理实验中，超导材料可以用于制造高能粒子加速器，如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。
在电力电子方面，超导材料可以用于电力变压器和传输线路，提高系统的效率和稳定性。
在量子计算领域，超导材料的零电阻特性可以用于储存和传输量子位，实现更高性能的计算机。
总之，超导材料是一种具有零电阻特性的特殊物质。
它们在能源输送和磁共振成像等领域具有重要应用。
材料物理性能第十三章---超导材料(1)
1911年LK.Onners发现了超导电性后，人们一 直在努力寻找更高临界温度的超导体。1986 年J.G.Bednorz和K.A.Mller发现了高温氧化物 超导体在35K下的超导现象，随后在短短十年 间临界温度提高到了160K，这个温度是在丰 富而廉价的液氮的沸点(77K)以上，因而被称 为高温超导，它使超导性的应用变为现实， 从此超导体在全世界范围内引起公众、政府 的极大关注。各国众多科学工作者都参与了 超导研究工作，人们期望着高温超导体的发 展与应用最终会给社会带来巨大的技术与变 革。
第十三章 超导材料
某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产 生零电阻率和排斥磁场的能力，这种现象被 称为超导电性，该类材料称为超导体或超导 材料。电力设备采用该类材料后，可以具有 传统设备根本无法达到的技术及经济效益； 有利于设备的小型化、轻量化及高效化；能 抑制大电网的短路电流；可解决远距离、大 容量输电的稳定性问题；能提高高密度输电 的可靠性等等。
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正常电子穿越势垒，隧道电流是有电阻 的，但如果绝缘介质的厚度只有1纳米 时，则将会出现新的隧道现象，即库柏 电子对的隧道效应，电子对穿越势垒后 仍保持着配对状态。这就是约瑟夫隧道 效应。在不加任何外电场时，有直流电 流通过结，这就是直流约瑟夫效应。
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当外加一直流电压时，结可以产生单粒 子隧道效应，结区将产生一个射频电流， 结将以同样的频率向外辐射电磁波，这 就是交流约瑟夫效应，即在结的两端施 加电压能使得结产生交变电流和辐射电 磁波；对节进行微波辐照，则结的两端 将产生一定电压的叠加。
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2.1.2 超导合金及超导化合物
超导合金或化合物在技术上有重要价值，它 们大多是第二类超导体，具有较高的临界温 度和特别高的临界磁场和临界电流密度，超 导合金具有塑性好，易于大量生产、成本低 等优点。 Nb-Ti合金是实用超导线材的主流，其Tc随成 分变化，Ti含量增加，强磁场的特Байду номын сангаас提高。 Nb-Ti合金价格低廉，机械性能优良，易于加 工，但不宜制成扁线，因为Nb-Ti合金有显著 的各项异性。
【实用】超导材料的约瑟夫森和超导应用PPT资料
当两个金属都处于正常态，夹层结构(或隧道结) 的电流--电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正 比于电压，如图所示：
贾埃弗(I. Giaever)发现，如果金属中的一个变 为超导体时，电流--电压的特性曲线会变化如下：
2 、 约瑟夫逊隧道电流效应
上面所述的NIS结和SIS结，其隧道电流都 是正常电子穿越势垒。
在超导状态下，由于晶格振动，自由 电子通过时造成原子的偏离而产生另 一电子的吸引作用
两个电子相互吸引形成库伯电子对
自由电子经由间接的吸引力结合成库伯电子对， 库伯电子对相互也随着晶格振动产生的正负电 荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电 阻的产生
④ 相干长度
皮帕德(A.B. Pippard)证明，当一个电子 从金属的正常区移动到超导区时，其波函数 不能从它的正常态值突然转变为超导态值， 这种转变只能发生在一个距离上， 被称为 相干长度。
伦敦第二方程：
m /nse2Js B
结合麦克斯韦方程，可以说明超导体 表面的磁感应强度B以指数衰减为零
J （ sx ） (B / 0)e x/Y 称为磁场
穿透深度。
微观机制
同位素效应：
随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。对 实验数据处理后得到原于质量M和临界温度Tc 的简单关系： Tc= 1/M
第三节：约瑟夫森效应－－超 导量子隧穿效应
1973年诺贝尔物理学奖一半授予 纽约州的：约克城高 地(Yorktown Heights) IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈 (Leo Esaki)， 纽约州斯琴奈克塔迪(Schenectady)通 用电器公司的贾埃弗(Ivar Giaever)，以表彰他们分别 在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；
简单的说，在低温（绝对零度）时的正常自由 电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态 全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费 米面上一对电子形成库伯电子对并降低总能量， 那么将有更多的费米面一下的电子到费米面上 去形成库伯对，以降低总能量，这个过程直到 平衡为止，绝对零度时，费米面附近电子全部 凝聚成库伯对。大量库伯对电子对出现就是超 导态的形成。超导态中电子凝聚成库伯对就使 他比正常态更有序。
※超导简介与超导材料的历史
神奇的超导：超导简介与超导材料的历史神奇的超导罗会仟周兴江一、什么是超导？电阻起源于载流子（电子或空穴）在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼。
按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。
绝大部分金属都是良导体，他们在室温下的电阻率非常小但不为零，在10－12 mΩ∙cm量级附近。
自然界是否存在电阻为零的材料呢？答案是肯定的，这就是超导体。
当把超导材料降到某个特定温度以下的时候，将进入超导态，这时电阻将突降为零（图1），同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外，导致体内磁感应强度为零，即同时出现零电阻态和完全抗磁性。
超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度，一般定义为Tc。
微观上来说，当超导材料处于超导临界温度之下时，材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对，这些电子对将同时处于稳定的低能组态，叫“凝聚体”。
在外加电场驱动下，所有电子对整体能够步调一致地运动，因此超导又属于宏观量子凝聚现象。
对于零电阻态，实验上已经证实超导材料的电阻率小于10－23 mΩ∙cm，在实验精度允许范围内已经可以认为是零。
如果将超导体做成环状并感应产生电流，电流将在环中流动不止且几乎不衰减。
超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序，也称为迈斯纳（Meissner）效应。
一个材料是否为超导体，零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。
超导态下配对的电子对又称库珀（Cooper）对。
配对后的电子将处于凝聚体中，打破电子对需要付出一定的能量，称为超导能隙，它反映了电子间的配对强度。
一般来说，超导态在低外磁场及低温下是稳定的有序量子态。
超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体，比如实现无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。
正因如此，自从超导发现以来，人们对超导材料的探索脚步一直不断向前，对超导微观机理和超导应用的研究热情也从未衰减。
随着对超导研究的深入，一系列新的超导家族不断被发现，它们展现的新奇物理现象也在不断挑战人们对现有凝聚态物理的理解，同时实验技术手段也因此得以加速进步，理论概念更是取得了诸多飞跃。
超导材料与超导体系
超导材料与超导体系超导是物理学中的一个非常重要的领域，它的应用可以覆盖电子、天文学、磁学等多个领域。
超导材料和超导体系是超导研究的两个重要方面，本篇文章就着重介绍超导材料和超导体系的相关知识。
一、超导材料超导材料是指在低温下把电阻降到零的材料。
在超导材料中，电子会形成电子对，这些电子对能够通过涡旋和振荡相互作用来维持其超导的状态。
超导材料具有许多出色的性能，包括高电流密度、高磁通密度、零电阻等。
这些性能使得超导材料被广泛应用于医学成像、磁暴防护、能源输送等方面。
超导材料的分类:1、金属超导体金属超导体是最早被发现的超导材料之一，由于其较好的超导性能，因此在许多领域得到了广泛应用。
常见的金属超导体有铝、铅等。
2、合金超导体合金超导体是由多个元素组成的超导材料，其超导性能通常比单一金属超导体更优秀。
常见的合金超导体有Nb3Sn、V3Si等。
3、氧化物超导体氧化物超导体是一种类金属硅酸盐结构材料，由于其较高的超导转变温度和较大的超导电流密度，因此被广泛应用于MRI、密封磁体等领域。
常见的氧化物超导体有YBCO（钆钡铜氧气化物）、Bi-2212等。
4、有机超导体有机超导体主要是指含有有机分子的超导材料。
由于其较高的超导转变温度和优良的电性质，因此在传感器、有机电子学和光电子技术等领域得到广泛应用。
常见的有机超导体有TTF-TCNQ、BEDT-TTF等。
二、超导体系超导体系是指包括超导材料、超导器件、超导电路等在内的综合性超导系统。
超导体系的研究可以为超导技术的应用提供基础技术支持。
超导体系包括以下几个方面:1、超导磁体超导磁体是超导体系中最重要的部分之一。
它是利用超导材料产生极高电流、远超常规电气容量的一种电性设备，广泛应用于核磁共振、医学成像、加速器等领域。
在高能物理实验中，超导磁体可以产生超巨型磁场，被视为重要的发展方向。
2、超导电路超导电路是将超导材料制成的电器元件，其具有零电阻、高导磁率等优异的超导特性。
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*Hg系列超导体
Hg系超导体HgBa2Can-1CunO2n+2+δ 是至今合 成的最新也是具有最高超导临界温度的高温超导系列。已知 结构的Hg系超导体都是四方晶系，空间群为P4/mmm，n=1、2、 3、4的a轴和c轴长度分别为（3.889Å,9.546 Å）(3.8586 Å,12.697 Å)(3.855 Å,15.858 Å)和(3.849 Å,19.003 Å)。 Hg系超导临界温度比其它类别的超导体有很大提高，N=1的 相HgBa2CuO4+δ 具有94K的转变温度，这在单层CuO2面中是最 高的;随n的增加Tc值也随之增加，在n=3时Tc达到最大值 133K(常压)，这是已知超导体中最高的；虽然n甚至还可以 提高到8，但临界温度却在降低,这一点对别的系列的超导体 也是适用的[40]。该系列的压力效应十分显著。朱经武等 [41]在高压条件下观测到的Hg-1223的Tc从常压时的135K增加 到15GPa时的153K，以后又将其提高到45GPa时的164K[42]， 原因尚不清楚。
t称为容忍因子，Ra, Rb和Rx分别 是A, B和X离子的半径。经验表 明，当A 离子和B离子的价态之 和等于+6以便保持化合物的电中 性且0.8≤t≤1.0时，复合金属 氧化物ABX3能以钙钛矿型结构存 在。
*钙成的反铁磁背景的Mott 绝缘体，由钙钛矿结构单元通 过堆叠或者错位堆叠的方式长 成大的晶胞，并在某些位置上 失去氧而形成。
Tl系分为TlBa2Can-1CunO2n+3和Tl2Ba2Can1CunO2n+4两种，除了前者在n=1时是半导体外， 二者的Tc均随n的增加而增大，并且在n相同 时，前者的Tc比后者低15－20K左右， Tl2Ba2Ca2Cu3O10的Tc可达125K。含有单Tl-O 层的晶格为简单四方结构，空间群为P4/mmm, a轴长度在n=1、2、3时分别为3.869、3.850、 3.843Å,c轴长度分别为9.69、12.72和 15.87Å；含有双Tl-O层的材料晶格一般认 为是体心四方，空间群为I4/mmm。晶胞两端 的两个Tl-O层以RS的形式排列，这样每个能 反应对称性的晶胞包含两个化学式量的原子， 其c轴均比相应的单Tl-O层的c轴长一倍以上， a轴则比相应单Tl-O层的a轴稍短。
*Bi系超导体
Bi2Sr2Can-1CunO2n+4。当n=1,2,3时，分别
被称为Bi-2201、Bi-2212、Bi-2223相。它们的Tc随 CuO面的层数增加而增加。分别为~10K, ~85K和 ~110K 。Bi系超导体晶格属于底心正交晶格，空间群 为Amaa(n=1)A2aa(n=2,3)，a≈b≈5.4Å,c轴随n=1到3 的增加从约24Å到36 Å变化。晶格特点是两个RS结构 的Bi-O层和一个Sr-O层与被n-1个Ca层间隔开的nCuO2 超导层沿c轴方向相间排列而成。
Pb系容易通过原子替代生成很多超导体， 现以常见的Pb2Sr2MCu3O8（M为Ca、Y或稀土 元素）来说明其结构。它与Tl系最大的不 同在于多了一个Cu原子层作为绝缘层，这 与YBCO有些相似：Cu担当两个角色，由此 可把Pb2Sr2MCu3O8结构形式表示成Pb-3212。
*La系超导体
La2-xAxCuO4+δ (la-0201) 为四 方晶系，在室温x>0.05时空间 群I4/mmm，晶格参数 a=3.8Å,c=13.2 Å其母体结构为 La2Cu04结构（n=1,R-P）,钙钛 矿结构单元LaCuO3以a/2+b/2的 位移方式堆叠形成这种结构。 该结构也可看成是IL(CuO2)和 RS(La2O2)交错排列形成。
*Y系超导体
同属于正交晶系的Y-124相 与Y-123的不同在于b方向的CuO单链变成了双链，两个Cu-O链 在b方向有相对b/2的错位，形 成了edge-sharing 形式的平行 于bc面的单层Cu-O面。由于空 间对称性发生了变化，Y-124的 晶胞c轴是123相的两倍多，达 到27.24Å，空间群为Acentered Ammm。具有更长c轴 的Y2Ba4Cu7O15-δ 则是Y-123和Y124在c方向交替排列的结果。 常见的超导相有Y-123(7-δ )、 Y-124和Y-247
第四章
材料研究新进展
高温超导体 *研究历史
从超导电性的发现到BCS 理论的建立（1911-1957） 从BCS理论的建立到高温 超导体的发现（1957-1986）
第一节 超导材料
从高温超导体的发现到 MgB2的发现（1986-2001）
从MgB2的发现至今（2001超导转变温度提高的历史
*晶格结构
*Y系超导体
常见的超导相有 Y-123(7-δ )、 Y-124和Y-247
Y-123(7-δ )
Y-123 的很多性质均随着氧含量的不同而发 生变化。在δ<0.2时，晶体属于正交晶系，空间群 Pmmm， 晶 格 参 数 a=3.8187Å, b=3.8833Å, c=11.6687Å；δ=1 时， Cu-O 链上含氧量为零，晶 格变为四方晶系，空间群变为 P4/mmm；δ在约在 0.6-1.0区间内时，δ个氧原子随机分布在晶胞两端 的Cu-Cu 之间，此时晶格也是四方结构。Y-123的 Tc 也随着氧含量的多少而变化，而且在0.3< δ<0.5 时， Tc 达到 60K 并且不随 δ 变化，形成一个“平 台”，曾经认为平台的形成和 orthⅠ和orthⅡ转变 有关，后来发现并非如此，关于该现象尚无合理 的解释。
CaTiO3的结构
Ra Rx t 2 (Rb Rx )
图中表示出原点不同的两种晶胞。 (a)以Ca作晶胞原点，则原子坐标参数为： 1 1 1 1 1 Ca(0,0,0)，Ti( 2 , 2 , 2 ),O( 2 , 2 ,0)； (b)以Ti作晶胞原点，则原子坐标参数为： 1 1 1 1 Ca( 2 , 2 , 2 )，Ti(0,0,0)，O(0,0, 2 )