超导材料新进展

SeminarI高温超导材料的研究进展报告人：周海指导老师：周正有班级：金属051班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研究背景1911年，荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯(KarnerlnghOnns)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。柏诺兹(Bednorz)和缪勒(Miiller)于1986年发现超导转变温度在3OK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。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）。研究背景一些高温超导体之Tc值研究背景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)普通导体超导体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，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。NNSS注：S表示超导态N表示正常态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。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。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。高温超导材料的简介逐渐增大磁场到达一定值后，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，记为Hc。有经验公式：Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常态HHc(0)Tc临界磁场超导态高温超导材料的简介临界电流超导体无阻载流的能力也是有限的，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1V时所输送的电流。Ic(V)IV失超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)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)超导材料高温超导材料的简介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）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。2002年，诺贝尔奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论。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。高温超导材料的结构特征:层状钙钛结构组元导电层（铜氧层）Cu-O6八面体Cu-O5四方锥Cu-O4平面四边形载流子库层孔穴型电子型调节载流子浓度提供耦合机制高温超导材料的简介钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-x)超导体高温超导材料的例子1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc90K,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。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6×10５A/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83．7K的超导材料和零电阻为77K的超导薄膜.高温超导材料的例子铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体Bi2Sr2Can-1CunO2n+4n=12201相n=22212相n=32223相n=42234相Cu-O层Bi2O2层钙钛矿层高温超导材料的例子Tc100K;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。---MichaelVershinin,ShashankMisra,etal.Science,303,1995(2004).高温超导材料的例子----ElbioDagotto.Science,293,2410(2001).铜氧化物和C60超导材料Y系高温氧化物超导体的制备高温超导材料的制备原料(氧化物或碳酸物)混合化学剂量比烧结氧化处理熔融织构工艺克服大角晶界块材带材离子束辅助沉淀工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺薄膜磁控溅射法激光沉淀法高温超导材料的制备Bi系高温氧化物超导带材的制备:原材料(氧化物或碳酸物)混合化学剂量比煅烧研磨粉末充管拉拔Ag管轧制热处理压制/轧制热处理重复高温超导材料制备所面临的问题：高温超导材料的制备材料制造成本高,价格昂贵。在长距离超导线材的制造上面仍然有很大的难度。（氧化物高温超导陶瓷材料各向异性和短的电子相干长度以及大量晶界的存在严重影响线材的超导电性。）高温超导材料临界电流和临界磁场的提高仍是科学家研究的难题。-----RobertF.Serverce.Science,295,786(2002).高温超导材料的制备-----I.Chong,Z.Hiroi,*M.Izumi,J.Shimoyama,etal.Science,276,770(1997).Pb搀杂提高Bi2Sr2CaCu2O8+x的临界电流密度----MaciekZgirski,Karri-PekkaRiikonen,etal.Nanoletters,5,6(2005)超导材料的最新进展纳米尺度对超导电性的制约作用超导材料的最新进展YangGuo,Yan-FengZhang,Xin-YuBao,etal.Science,306,1915(2004).量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用AtomiclayersupercurrentsiPbS.Kang,A.Goyal,J.Li,A.A.Gapud,etal.Science,311,1911(2006).纳米材料和超导材料的结合超导材料的最新进展超导材料的最新进展---RobertF.Serverce.Science,295,786(2002).2001年1月日本东京青山学院的教授Junkimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界超导温度Tc=40k.二硼化镁超导材料的新发现超导材料的应用①在电力工程方面的应用超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，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.超导发电机，拥有两万千瓦的功率超导磁流体发电机超导磁流体发电机以C-A5飞机运往莫斯科超导材料的应用②超导技术在交通运输方面的应用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1600km/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.超导电磁动力船。此种实验船已于日本有颇为成功之测试。超导材料的应用超导磁浮列车计划中的加州超导磁浮列车超导材料的应用超导材料的应用③超导技术在电子工程方面的应用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.超导量子干涉仪超导材料的应用应用于原子融合之超导科技8T阴阳超导磁铁超导材料的应用应用超导体制成计算机元件，开关速度可达到10-12s，比半导体快1000倍左右，而功耗仅为微瓦级，体积比半导体元件小1000倍.用超导芯片制成超级计算机速度快、容量大、体积小、功耗低，美国IBM公司研制的一台运速为8000万次的超导计算机，体积只有电话机那么大.超导材料的应用高能量粒子超導加速器及碰撞器（Fig.I-1）CEBAF的电子质谱仪超导材料的应用高能量粒子超導加速器及碰撞器（Fig.I-2）超导回旋加速器等离子源超导材料的应用高能量粒子超導加速器及碰撞器（Fig.I-3）Axion超导材料的应用④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.核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图超导材料的应用医疗用MRI2.0TMRI超导材料的应用超导材料的应用医疗用MRI王氏科技公司1.0T开放式MRI超导材料的应用NMR可磁共振质谱仪超导材料的应用⑤超导技术在军事上的应用超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力，在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能力，超导计算机应用于C3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高等等.超导材料的应用超导铣矿磁分离机（Fig.III-1）CopperCoil超导材料的应用应用于高等光源之超导科技（Fig.II-1）WavelengthShifter超导材料的应用应用于高等光源之超导科技（Fig.II-2）SuperBend超导材料的应用随着超导技术的不断发展，高温氧化物超导材料和有机物超导材料将不断问世，目前超导还只应用在科学实验和高技术中，例如中国科学院合肥等离子体物理研究所，采用超导技术建成托卡马克实验装置(磁约束装置)，放电300ms，电流I=150kA，使我国核聚变研究能力向前跨进一大步.超导材料的应用发展前景节省大量资金缓解环境污染超导电缆、超导发电机、超导电缆预测低电力低能耗灵敏度度高钇钡铜超导薄膜-----应用于谐振器、滤波器、天线等有源器件商品化低电力低能耗钇钡铜超导超导块材-用于磁悬浮、储能飞轮等方面即将实业化预计在2020年左右会形成1500-2000亿美元的超导市场，其中高温超导占一半SeminarI