高温超导材料及应用

高温超导材料及应用《物理学在高新技术材料中的应用》主要内容.超导体的基本知识.超导研究的历史.高温超导体的发现和特性.铁基高温超导体新进展.超导材料的应用一、超导体的基本知识1、超导体的零电阻特性.电阻为零R=0（Superconductor）TC：超导临界温度，TTC,R=01911年荷兰科学家Onnes观测到Hg的电阻在4.2K突然下降为零,首次发现了超导现象。超导环中的永久电流实验：r.10-23W.cm卡末林·昂内斯H.Kamerlingh-Onnes(1853--1926)1913年，诺贝尔物理学奖，因对物质低温性质的研究和液氦的制备而获奖。R=0insuperconductor超导体高温超导体YBCO的电阻-温度曲线2.Meissner效应Meissner效应(完全抗磁性,理想抗磁性)完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时，体内的磁感应强度为零的现象。这一现象是荷兰科学家迈斯纳发现的，因此又称为迈斯纳效应。他在实验中发现，放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。进一步研究发现，原来超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。磁感应强度B=0(超导体内)Meissner和Ochsenfeld1933年发现----和理想导体不同----存在一临界磁场HHC超导态到.正常态7完全抗磁性球体置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应”Meissner效应由于Meissner效应，磁铁和超导体之间存在很强的排斥作用，----磁悬浮右图：小磁体悬浮在超导体上。3.表征超导体的重要物理量.超导临界温度：Tc~165K(5万大气压),record,Hg-1223.临界磁场：Hc.穿透深度：.λ磁场在超导体表面穿透进入超导体的深度，~10–100nm.相干长度：.ζ，电子配对（Cooper对）的尺寸，~1-50nm临界电流：Jc，最大能通过的电流.超导能隙：Δ.，超导态（基态）与激发态的能量差，或者说，破坏一个Cooper对需要2Δ.的能量.Ginzburg-Landau参量：κ=λ/ζ4.Josephson(约瑟夫森)效应Φ0=2x10-7Gauss/cm2随磁通量变化类似光学衍射约瑟夫森效应（JosephsonEffect）1962年，Josephson预言超导电子对隧道效应，并被实验证实，在Josephson效应基础上形成“超导电子学”。1962年，英国剑桥大学超导物理学家皮帕德（A.B.Pippard）的研究生，年仅22岁bd_josep.1973NobelPrizeforPhysics（withLeoEsakiandIvarGiaever）Completedthegreatworkasapostgraduate!研究生关于约瑟夫森1969年约瑟夫森是剑桥大学的初级研究员，1965－1966年到美国伊利诺伊大学访问，任究助理教授。1972年成为高级讲师，1974年成为物理教授。目前他仍然在剑桥大学卡文迪什实验室（物理系）的凝聚态研究组工作，负责“心物统一项目”的研究工作，即从事一些不被主流科学界认可的“特异功能”研究，特别是对“遥视”的研究。60年代末，他离开了主流科学领域，从事实智能、意识、超心理学的研究。他个人兴趣广泛，爱好登山、滑冰、摄影和天文学。在漫长的超心理学研究中，他可没有象在超导研究中那么幸运，至今他仍然被科学界视为端。1994年8月12日约瑟夫森在《泰晤士报高教增刊》（TimesHigherEducationSupplement）上著文为科学上的异端作了辩护，特别提到大剂量服用维生素C、反引力和意念致动问题。他的观点很明确，总是为“弱者”辩护，并极力抱怨他们受到了科学界不公正的待遇。超导量子干涉仪(SQUID)Φ0=2x10-7Gauss/cm25、超导理论：Bardeen、Cooper、Schrierfer理论（BCS理论）1986年发现的铜氧化物超导体的超导电性不能用BCS理论解释6、超导体的分类I类超导体：Pb,Sn,Hg等单质金属B.Bc超导态.正常态Bc一般很小,中间态概念I.Ic超导态.正常态Ic一般很小(通常无用)第一类超导体.在超导态是理想的抗磁体(Meissner态)。HC：临界磁场当HHC,转变为正常态超导态完全抗磁性正常态一些元素的超导临界温度Pb7.2KLa4.9KTa4.47KHg4.15KSn3.72KIn3.40KTl1.70KRh1.697KPr1.4KTh1.38KAl1.175KGa1.10KGa1.083KMo0.915KZn0.85KOs0.66KZr0.61KAm0.6KCd0.517KRu0.49KTi0.40KU0.20KHa0.128KIr0.1125KLu0.1KBe0.026KW0.0154KPt0.0019KRh0.000325K已知的超导元素超导体的分类.第II类超导体两个临界磁场HC1、HC2H.Hc1Meissner态，完全抗磁通B=0Hc1.H.Hc2混合态，磁通格子态磁通量子、磁通钉扎、流动、蠕动。H.Hc2正常态理想第II类超导体、非理想第II类超导体第二类超导体相图Meissner态混合态正常态HC1当HC1HHC2,处于混合态，磁通部分穿透进超导体，抗磁性不完全。在混合态的磁通线有规律地排列成三角或四方格子，称为磁通格子。HC2TH混合态NbSe2,STM.1957年，苏联物理学家阿布里科索夫提出存在第二类超导体，其主要特点是存在下临界场Hc1和上临界磁场Hc2。.当材料处于HHc1的外加磁场中时，材料为完全超导态；.当Hc1HHc2时，材料处于部分超导态，材料内部出现许多细小的管状正常态区域——有磁场通过——称为磁通线；---混合态当HHc2,变成正常态.MixedState,vortices混合态涡流II类超导体磁通穿透合金及化合物超导体Cs3C6040K(Highest-TcFulleride)MgB239KBa0.6K0.4BiO330KNb3Ge23.2KNb3Si19KNb3Sn18.1KNb3Al18KV3Si17.1KTa3Pb17KV3Ga16.8KNb3Ga14.5KV3In13.9KNb0.6Ti0.49.8K(Firstsuperconductivewire)Nb9.25KTc7.80KV5.40KNote:These3aretheonlyelementalType2superconductors.HoNi2B2C7.5K(Borocarbide)Fe3Re26.55KGdMo6Se85.6K(Chevrel)CoLa34.28KMnU62.32K(HeavyFermion)AuZn31.21KNote:Theabove6compoundscontainelementsthatareferromagneticoranti-ferromagnetic(asoxides).Thismakesthemveryreluctant(andunusual)superconductors.SeetheAtypicalpageformore.Sr.08WO32-4K(Tungsten-bronze)Tl.30WO32.0-2.14K()Rb.27-.29WO31.98K()AuIn30.00005KHigh-Tccuprates:Tc,max~135K(常压),165K(高压)Fe(Ni)pnictides:Tc,max~56K二、超导研究的历史过程1、1986年以前超导研究过程.1911年Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零.1933年Meissner效应的发现.1911-1932年间,以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、Ta…..1932-1953年，发现了许多具有超导电性的合金。如Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re……..1953-1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。如Tc.17K的V3Si，Nb3Sn；特别是Nb3Ga，Nb3GeTc.23.2K其中1957年提出了BCS理论(1972年诺贝尔物理奖)1962年发现了Josephson效应(1973年诺贝尔物理奖)2、1973-1986年.超导临界温度的提高，停滞不前。Tc=23.2KNb3Ge(1973年发现)非常规超导体研究得到了蓬勃发展重Fermi子超导体非晶态超导体低载流子密度超导体磁性超导体低维无机超导体超晶格超导体有机超导体三、高温超导体研究的重大突破1986年Müller和Bednorz发现高温超导体1986.1La2-xBaxCuO435K1987.2YBa2Cu3O790K1988.1Bi-Sr-Ca-Cu-O80K,110K1988.3Tl-Ba-Ca-Cu-O130K1992Hg-Ba-Ca-Cu-O135K(几万个大气压165K)高温超导体的机理研究.1987年两人获得诺贝尔物理学奖高温超导体难以用BCS理论解释超导转变温度Tc大大超出BCS理论极限40K;正常态非常反常（TTc)不符合通常金属的理论—郎道费米液体理论高温超导体是强关联电子体系.超导能隙.具有强的各向异性–d波对称性.奇怪的同位素效应：BCS理论给出：Tc∝M-α.,α.=0.5,M为同位素质量高温超导体：α.~0高温超导体的结构.在结构上看,是类钙钛矿结构,铜和氧在ab方向上形成了CuO2平面,层状结构特性..CuO2平面是导电平面,是主要的.电子特性具有准二维特性..有人说:只要有CuO2平面和可移动的载流子,就必定是个超导体高温超导体是II类超导体.La系：La2-xXxCuO4(X=Ca,Sr,Ba)(也称214相).Y系：YBa2Cu3O7(也称123相)，Y可用其它稀土元素替代。稀土元素：(Sc),Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu。除Ce、Pr、Pm等以外，都能形成90K超导体。.Bi系：有Bi2201、2212、2223等系列。.Tl系：有Tl2201、2212、2223系列和Tl1201、1212、1223等系列。。.Hg系：有Hg1201、1212、1223等系列。.其它，如(Sr,Ca)CuO2等。Bi系氧化物超导体CuO层增加,Tc逐步增加2201:1层CuO面,Tc-10KBi2Sr2CuO6,2212:2层CuO面,Tc-90KBi2Sr2CaCu2O82223:3层CuO面,Tc-110-115KBi2Sr2Ca2Cu3O10110KBi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox115K2234:4层CuO面,Tc-110K不稳定.Hg和Tl系铜氧化物超导体Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33*138K(record-holder)HgBa2Ca2Cu3O8133-135KHgBa2Ca1-xSrxCu2O6+123-124KHgBa2CuO4+94-98KTl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10+130KTl2Ba2Ca2Cu3O10127KTlBa2Ca2Cu3O9+123KTl0.5Pb0.5Sr2Ca2Cu3O9120KTlBa2Ca3Cu4O11112K高温超导体的电子态相图欠掺杂最佳掺杂过掺杂高温超导体的制备方法多晶样品(陶瓷样品)固相反应法:例如:YBa2Cu3O7超导体的制备:原料:Y2O3,BaCO3,CuO,按比例称好,混合烧结工艺:900C烧结24小时,重新研磨,压片,再930C烧结24小时.高温超导体的制备方法单晶样品的生长:(1)助熔剂法(fluxmethod)1100C左右(全部熔化成液体),缓慢降温,结晶.(2)光学加热法(光学熔融浮区法)(floatingzone)专门的单晶炉.光学单晶炉可以达到2000C.日本CrystalSystemCo,100-150万元.高温超导体的制备方法.超导薄膜的制备:(1