超导材料的原理与应用.docx

超导材料发展及其应用材料学院有机化学08级02 班李飞摘要超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质超导材料是当代材料科 学领域一个十分活跃的重要前沿，其发展将推动功能材料科学的深入发展高温 超导材料经过近 20 年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化随着 超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得 重要应用关键词：超导 超导材料 临界温度 进展AbstractSuperconducting metal or alloy in the nature of the lower temperature resistance reaches zero.Superconducting material is a very active and important contemporary materials science frontiers, which will promote the in-depth development of functional materials science.After nearly 20 years of research and development of high temperature superconducting materials, has been initially entered the practical application of large-scale and industrialization.With the critical temperature of superconducting material to improve and the development of materials processing technology, it will be important in many high-tech areas.Key words:Superconducting ，Superconducting materials ，Criticaltemperature，Progress1. 超导材料的概念超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于 零的现象。

具有这种特性的材料称为超导材料超导材料最独特的性能是电能在 输送过程中几乎不会损失超导体另外一个性质是宏观的量子现象这两个特点， 就是超导体最基本的性质自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅 速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材 料的物质结构及性质已逐渐研究清楚近年来，随着材料科学的发展，超导材料 的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高高温超导材料的发现，是最 近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界的广泛关注 一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻 的影响2. 超导材料的发展史1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853〜1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样 随温度降低逐渐减小，而是当温度降到 4.15K 附近时，水银的电阻突然降到零 超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC1986 年，高温超导体的研究取得了重大的突破掀起了以研究金属氧化物陶瓷 材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”全世界有260 多个 实验小组参加了这场竞赛1986 年 1 月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎 世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温 度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高12月30日， 美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高。

1987年1月 初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究 所又将超导温度提高到46K和53K现已发现大多数金属元素以及数以千计的 合金、化合物都在不同条件下显示出超导性如钨的转变温度为0.012K，锌为 0.75K，铝为 1.196K，铅为 7.193K3. 超导材料的分类(1) 超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌(Nb)的Tc最高，为9.26K电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb,Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、 高 Q 值谐振腔等如图 3-1 所示：IAIIAKNOVS^N SUPERCONDUCTIVEUAIYAYAVIAIIIBELE^ffiNTSBLUE = Al ENTpreSSURESREEN «= ONLY UWE R HUSH PRESSUREIl &d5&310NenMgISAlSirtP16■I?Cl严ArIV B¥6Yi&¥■6Vll~IB£0ai垃2工2$曲轴3l处KCaScT|VCrMbFeCONiCUZnGaG色AserKrJ?56期犷£142卅■43<6时羽旳W3】鼬壮AbSrY?rNbMoTgRuAhPdAgCdInSnSbT合1Xe55羽577?74TP旳洱8U$1第厂脚朝0$那CsBa*LaHrTatwOslrPtAuwgTlPbBiP©AtRnRa+AcRf105Ha俪10610710710ft108IQ?Il to110111111112112SUPERCO VO£/C TO 斑呂.ORG58烦)6365&&67&8&9TO71CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErYbLu909192■93■MTO96979899100101102103ThPauNpPuAmCmftkCfE寻FmMdNqLr* LanthariidsSeries+ ActmidoSeries图 3-1 超导材料元素表(2) 合金材料：超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。

如 最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，He为8.7特继后发展了铌 钛合金，虽然Te稍低了些，但He高得多，在给定磁场能承载更大电流其性 能是 Nb-33Ti, Tc=9.3K, Hc=11.0 特；Nb-60Ti, Te超导材料性质研究=9.3K, He=12特(4.2K)目前铌钛合金是用于7〜8特磁场下的主要超导磁体材料铌 钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高,Nb-60Ti-4Ta的性能是,Tc=9.9K, He=12.4 特 (4.2K)； Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K, Hc=12.8 特3） 超导陶瓷：20 世纪 80 年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能 有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于 1986 年在镧－钡－铜－氧 化物中发现了 Tc=35K的超导电性1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡 －钇－铜氧化物中发现 Tc 处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展 前景的超导材料4. 超导材料的性质（1）零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能如果用磁场在超 导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。

这种“持续电流”已 多次在实验中观察到例如：科学家发现铅在 7.20K（-265.95 摄氏度）以下， 电阻就变成了零2）完全抗磁性： 超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超 导材料内的磁场恒为零3）约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm ）而形成低电阻连接时，会有电 子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体当 电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U （也可加一电压U）,同时，直流电流 变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电 子电荷这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的 依据如图 4-1 所示：Q0=2x1 Q-7Gauss/cm2约瑟夫森超流随硫通的变化类似光学单缝弗朗霍天衍射图样图 4-1 衍射图（4）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 位素效应例如，原子量为 199.55 的汞同位素，它的 Tc 是 4.18 开，而原子量 为 203.4 的汞同位素， Tc 为 4.146 开5. 超导材料的基本参数（1） 临界温度：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，以Tc表示。

Tc值因材料不同而异已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K到1987年， 临界温度最高值已提高到 100K 左右2） 临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以 Hc 表示 Hc 与温度T的关系为He二H0[1-（T/Tc）2]，式中H0为0K时的临界磁场3）临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以 Ic表示Ic 一般随温度和外磁场的增加而减少单位截面积所承载的Ic称为临 界电流密度，以 Jc 表示6. 超导材料的研究（1）非常规超导体磁通动力学和超导机理： 主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温 度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性超导机理研究侧 重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及 T

低维不稳定性导致了多种有 序相强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段主要研究内容包括：有机铁磁 性的结构和来源 可用作超导材料的金属在周期表上的分布；有机（包括富勒烯） 超导体的机理和磁性；强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；低维磁 性材料的相变和磁相互作用；有机导体在磁场中的输运和载流子特性；磁场中的 能带结构和费米面特征等3）强磁场下的半导体材料的光、电等特性： 强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外 磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而 在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用 通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握 半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展 高科技。