超導(dǎo)材料新進(jìn)展

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,Seminar I,高溫,超導(dǎo)材料,的研究進(jìn)展,報告人：,周海,指導(dǎo)老師：周正有,班級：金屬,051,班,目錄,研究背景,高溫超導(dǎo)材料的簡介,高溫超導(dǎo)材料的制備,超導(dǎo)材料的最新進(jìn)展,高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用和發(fā)展前景,研究背景,1911,年，荷蘭萊頓實驗室的卡末林,昂納斯,(,Karner,lngh,Onns,),首次在,4,2K,時發(fā)現(xiàn)水銀零電阻現(xiàn)象即超導(dǎo)現(xiàn)象。他于,1913,獲得諾貝爾獎。,柏諾茲,(,Bednorz,),和繆勒,(,Miiller,),于,1986,年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在,3O K,溫區(qū)的高溫

2、銅氧化物超導(dǎo)體，為進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在液氮溫區(qū)值的高溫超導(dǎo)體開辟了道路。他們于,1987,年獲諾貝爾獎。,釔系,YBCO(YBa2Cu3O7-x),和鉍系,BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy),材料的發(fā)現(xiàn)使高溫超導(dǎo)材料走入實用化階段。,超導(dǎo)材料的研究在當(dāng)今與納米科技相結(jié)合走入一個全新的時代。,我國在中長期科技規(guī)劃中把高溫超導(dǎo)材料列為重點發(fā)展的前沿課題（,2006-2020,）。,研究背景,一些高溫超導(dǎo)體之,T,c,值,研究背景,高溫超導(dǎo)材料的簡介,超導(dǎo)材料的基本物理特征,：,零電阻現(xiàn)象,完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）,超導(dǎo)態(tài)并非僅取決于溫度,(,臨界電流和臨界磁場,),普通導(dǎo)體,超導(dǎo)體,零電阻,零電阻

3、是超導(dǎo)體的一個重要特性，實驗表明：超導(dǎo)狀態(tài)中零電阻現(xiàn)象不僅與超導(dǎo)體溫度有關(guān)，還與外磁場強(qiáng)度和通過超導(dǎo)體的電流有關(guān)，這意味著存在臨界電流，超過臨界電流就會出現(xiàn)電阻,.,零電阻,高溫超導(dǎo)材料的簡介,邁斯納效應(yīng),邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，,1933,年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。,N,N,S,降溫,降溫,加場,加場,S,注：,S,表示超導(dǎo)態(tài),N,表示正常態(tài),高溫超導(dǎo)材料的簡介,觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗,在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫

4、度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。,高溫超導(dǎo)材料的簡介,逐漸增大磁場到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，記為,Hc,。,有經(jīng)驗公式：,H,c,(T)=H,c,(0)(1-T,2,/T,c,2,),正常態(tài),H,H,c,(0),T,c,臨界磁場,超導(dǎo)態(tài),高溫超導(dǎo)材料的簡介,臨界電流,超導(dǎo)體無阻載流的能力也是有限的，當(dāng)通過超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時，又會重新出現(xiàn)

5、電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流，記為,Ic,。,目前，常用電場描述,Ic,(V),，,即當(dāng)每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為,1,V,時所輸送的電流。,I,c,(V),I,V,失超,高溫超導(dǎo)材料的簡介,超導(dǎo)材料的分類：,常規(guī)超導(dǎo)體,(,如,Nb,-Ti,合金,),高溫超導(dǎo)體,(,如,YBa,2,Cu,3,O,7,-x,),非晶超導(dǎo)材料,復(fù)合超導(dǎo)材料,(,如超導(dǎo)線帶材料,),重費米子超導(dǎo)體,(,如,CeCu,2,Si,2,),有機(jī)超導(dǎo)材料,(,如富勒烯等修飾的化合物,),超導(dǎo)材料,高溫超導(dǎo)材料的簡介,高溫超導(dǎo)材料的簡介,BCS,超導(dǎo)理論,:,（美國科學(xué)家巴丁、庫柏和施里弗提出）,庫柏對,1,電

6、子通過聲子作為媒介產(chǎn)生相互吸引作用并逐漸超過庫侖斥力，相成束縛對即庫柏對。,2,在超導(dǎo)基態(tài)各個電子的動量可以不同，但是每個庫柏對卻集中在零動量上。,2002,年，諾貝爾獎得主,Laughlin,提出,Gossamer,超導(dǎo)理論。,德國馬克斯,普朗克協(xié)會和普林斯頓大學(xué),1999,年,4,月宣布，通過中子散射實驗，揭示了高,溫超導(dǎo)金屬氧化物電子自旋對的特殊行為。,高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)特征,:,層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)組元,導(dǎo)電層,（銅氧層）,Cu-O6,八面體,Cu-O5,四方錐,Cu-O4,平面四邊形,載流子庫層,孔穴型,電子型,調(diào)節(jié)載流子濃度,提供耦合機(jī)制,高溫超導(dǎo)材料的簡介,釔鋇銅氧化物（,YBa2Cu3

7、O7-x),超導(dǎo)體,高溫超導(dǎo)材料的例子,1987,年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，,Tc,90K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破了液氦，解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問題。,美國貝爾實驗室采用快中子輻射氧化釔鋇銅單晶體，使臨界電流密度提高了,100,倍，達(dá),610,A/cm2,，美國馬薩諸薩理工學(xué)院用在超導(dǎo)材料中摻入銀等加熱處理的方法，解決了材料的脆弱問題，使強(qiáng)度比超導(dǎo)陶瓷提高了,10,倍，適用于作輸電線,.,我國則早已制成零電阻為,83,7 K,的超導(dǎo)材料和零電阻為,77 K,的超導(dǎo)薄膜,.,高溫超導(dǎo)材料的例子,鉍鍶鈣銅氧化物（,Bi-,Sr,-Ca-Cu-O,）超導(dǎo)體,Bi,2,Sr,2,Ca,n-1,C

8、u,n,O,2n+4,n=1 2201,相,n=2 2212,相,n=3 2223,相,n=4 2234相,Cu-O 層,Bi,2,O,2,層,鈣鈦礦層,高溫超導(dǎo)材料的例子,Tc,100K;,Tl-Ba-Ca-Cu,系，,Tc,達(dá)到了,125K;,Hg-,Ba,-Ca-Cu,系，,Tc,達(dá)到了,135K,高壓下,Tc,達(dá)到了,164K,。,-Michael,Vershinin,Shashank,Misra,et al,.,Science,303,1995(2004).,高溫超導(dǎo)材料的例子,-,Elbio,Dagotto,.,Science,293,2410(2001).,銅氧化物和,C,60,

9、超導(dǎo)材料,Y,系高溫氧化物超導(dǎo)體的制備,高溫超導(dǎo)材料的制備,原料,(,氧化物,或碳酸物,),混合,化學(xué)劑量比,燒結(jié),氧化處理,熔融織構(gòu)工藝,克服大角晶界,塊材,帶材,離子束輔助沉淀工藝,軋制輔助雙軸織構(gòu)襯底工藝,薄膜,磁控濺射法,激光沉淀法,高溫超導(dǎo)材料的制備,Bi,系高溫氧化物超導(dǎo)帶材的制備,:,原材料,(,氧化物或碳酸物,),混 合,化學(xué)劑量比,煅 燒,研 磨,粉末充管,拉 拔,Ag,管,軋 制,熱處理,壓制,/,軋制,熱處理,重復(fù),高溫超導(dǎo)材料制備所面臨的問題：,高溫超導(dǎo)材料的制備,材料制造成本高,價格昂貴,。,在長距離超導(dǎo)線材的制造上面仍然有很大的難度。（氧化物高溫超導(dǎo)陶瓷材料各向異性

10、和短的電子相干長度以及大量晶界的存在嚴(yán)重影響線材的超導(dǎo)電性。）,高溫超導(dǎo)材料臨界電流和臨界磁場的提高仍是科學(xué)家研究的難題。,-Robert F.Serverce.,Science,295,786(2002).,高溫超導(dǎo)材料的制備,-I.,Chong,Z.,Hiroi,*M.Izumi,J.,Shimoyama,et al.,Science,276,770(1997).,Pb,攙雜提高,Bi2Sr2CaCu2O8+x,的臨界電流密度,-,Maciek,Zgirski,Karri-,Pekka,Riikonen,et al.,Nano,letters,5,6(2005),超導(dǎo)材料的最新進(jìn)展,納米尺

11、度對超導(dǎo)電性的制約作用,超導(dǎo)材料的最新進(jìn)展,Yang,Guo,Yan-Feng,Zhang,Xin,-Yu,Bao,et al.,Science,306,1915(2004).,量子尺寸效應(yīng)對超導(dǎo)臨界溫度的調(diào)制作用,Atomic layer,supercurrent,si,Pb,S.Kang,A.,Goyal,J.Li,A.A.,Gapud,et al.,Science,311,1911(2006).,納米材料和超導(dǎo)材料的結(jié)合,超導(dǎo)材料的最新進(jìn)展,超導(dǎo)材料的最新進(jìn)展,-,-Robert F.Serverce.,Science,295,786(2002).,2001,年,1,月日本東京青山學(xué)院的

12、教授,Jun,kimitsu,宣布了這一發(fā)現(xiàn)。,MgB,2,的臨界超導(dǎo)溫度,Tc,=40k.,二硼化鎂超導(dǎo)材料的新發(fā)現(xiàn),超導(dǎo)材料的應(yīng)用,在電力工程方面的應(yīng)用超 導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革,.,超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，擁有兩萬千瓦的功率,超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī),超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)以,C-A5,飛機(jī)運往莫斯科,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)技術(shù)在交通運輸方面的應(yīng)用,動用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以研制成磁懸浮列車，車輛不受地面阻力的影響，可高速運行，車速達(dá),500 km/h,以上

13、，若讓超導(dǎo)磁懸浮列車在真空中運行，車速可達(dá),1 600 km/h,，利用超導(dǎo)體制成無摩擦軸承，用于發(fā)射火箭，可將發(fā)射速度提高,3,倍以上,.,超導(dǎo)電磁動力船。此種實驗船已于日本有頗為成功之測試。,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)磁浮列車,計劃中的加州超導(dǎo)磁浮列車,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用,用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預(yù)報,.,超導(dǎo)量子干涉儀,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,應(yīng)用于,原子,融合之超導(dǎo)科技,8 T,陰陽超導(dǎo)磁鐵,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,應(yīng)用超導(dǎo)體制成計算機(jī)元件，開關(guān)速度可達(dá)

14、到,10-12 s,，比半導(dǎo)體快,1 000,倍左右，而功耗僅為微瓦級，體積比半導(dǎo)體元件小,1 000,倍,.,用超導(dǎo)芯片制成超級計算機(jī)速度快、容量大、體積小、功耗低，美國,IBM,公司研制的一臺運速為,8 000,萬次的超導(dǎo)計算機(jī)，體積只有電話機(jī)那么大,.,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器,（,Fig.I-1,）,CEBAF,的,電子質(zhì)譜儀,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器,（,Fig.I-2,）,超導(dǎo)回旋加速,器等,離,子源,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,高能量粒子超導(dǎo)加速器及碰撞器,（,Fig.I-3,）,Axion,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用,超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)

15、上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù)，可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等,.,核磁共振斷層掃描儀與人體斷層掃描圖,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,醫(yī)療用,MRI,2.0,T MRI,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,醫(yī)療用,MRI,王氏,科技,公司,1.0,T,開,放式,MRI,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,NMR,可磁共振質(zhì)譜儀,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用,超導(dǎo)儲能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展,.,超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，推進(jìn)器在飛機(jī)上的應(yīng)用可大大提高飛機(jī)的生存能力，在航海中的應(yīng)用，可大大減小甚至沒有噪音，推進(jìn)速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰(zhàn)能力，超導(dǎo)計算機(jī)應(yīng)用于,C3I,指

16、揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高等等,.,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)銑礦磁分離機(jī),（,Fig.III-1,）,Copper Coil,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,應(yīng)用于,高等光源,之超導(dǎo),科技,（,Fig.II-1,）,Wavelength Shifter,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,應(yīng)用于,高等光源之超,導(dǎo),科技,（,Fig.II-2,）,Super Bend,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫氧化物超導(dǎo)材料和有機(jī)物超導(dǎo)材料將不斷問世，目前超導(dǎo)還只應(yīng)用在科學(xué)實驗和高技術(shù)中，例如中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所，采用超導(dǎo)技術(shù)建成托卡馬克實驗裝置,(,磁約束裝置,),，放電,300 ms,，電流,I=150 kA,，使我國核聚變研究能力向前跨進(jìn)一大步,.,超導(dǎo)材料的應(yīng)用,發(fā)展前景,節(jié)省大量資金,緩解環(huán)境污染,超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)發(fā)電,機(jī)、超導(dǎo)電纜,預(yù) 測,低電力,低能耗,靈敏度度高,釔鋇銅超導(dǎo)薄膜,-,應(yīng)用于諧振器、濾波,器、天線等有源器件,商品化,低電力,低能耗,釔鋇銅超導(dǎo)超導(dǎo)塊材,-,用于磁懸浮、儲能飛,輪等方面,即 將,實業(yè)化,預(yù)計在,2020,年左右會形成,1500-2000,億美元的超導(dǎo)市場，其中高