高温超导材料及应用.docx
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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,T 1911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 H>HC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/ζ 4.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) Completedthegreatworkasa postgraduate! 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)上着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/cm2 5、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H>HC,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 Pb7.2KLa4.9KTa4.47KHg4.15KSn3.72K In3.40KTl1.70KRh1.697KPr1.4KTh1.38K Al1.175KGa1.10KGa1.083KMo0.915KZn0.85K Os0.66KZr0.61KAm0.6KCd0.517KRu0.49K Ti0.40KU0.20KHa0.128KIr0.1125KLu0.1K Be0.026KW0.0154KPt0.0019KRh0.000325K 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、HC2 H.Hc1Meissner态,完全抗磁通B=0 Hc1.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HC1 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。 HC2 T H 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H 当H>Hc2,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)MgB239KBa0.6K0.4BiO330K Nb3Ge23.2KNb3Si19KNb3Sn18.1KNb3Al18K V3Si17.1KTa3Pb17KV3Ga16.8KNb3Ga14.5K V3In13.9KNb0.6Ti0.49.8K(Firstsuperconductivewire)Nb9.25K Tc7.80KV5.40K Note: These3aretheonlyelementalType2 superconductors. HoNi2B2C7.5K(Borocarbide) Fe3Re26.55KGdMo6Se85.6K(Chevrel)CoLa34.28K MnU62.32K(HeavyFermion)AuZn31.21K Note: Theabove6compoundscontainelementsthat areferromagneticoranti-ferromagnetic(as oxides).Thismakesthemveryreluctant(and unusual)superconductors.Seethe"Atypical"page formore. Sr.08WO32-4K(Tungsten-bronze) Tl.30WO32.0-2.14K(") Rb.27-.29WO31.98K(") AuIn30.00005K High-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-xBaxCuO435K 1987.2YBa2Cu3O790K 1988.1Bi-Sr-Ca-Cu-O80K,110K 1988.3Tl-Ba-Ca-Cu-O130K 1992Hg-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(T>Tc)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-10K Bi2Sr2CuO6, 2212: 2层CuO面,Tc-90K Bi2Sr2CaCu2O8 2223: 3层CuO面,Tc-110-115K Bi2Sr2Ca2Cu3O10110K Bi1.6Pb0.6Sr2Ca2Sb0.1Cu3Ox115K 2234: 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) HgBa2Ca2Cu3O8133-135K HgBa2Ca1-xSrxCu2O6+123-124K HgBa2CuO4+94-98K Tl1.6Hg0.4Ba2Ca2Cu3O10+130K Tl2Ba2Ca2Cu3O10127K TlBa2Ca2Cu3O9+123K Tl0.5Pb0.5Sr2Ca2Cu3O9120K TlBa2Ca3Cu4O11112K 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)磁控溅射法: 用磁场控制Ar离子轰击材料,汽化成等离子体,沉积成薄膜; (2)脉冲激光沉积法(PLD法): 用激光轰击材料形成汽化的状态,沉积成薄膜. 实验设备: 激光镀膜装置(PLD)DSC00800 KrF准分子激光器波长: 248纳米单脉冲能量: 250mJ脉冲宽度: 25纳秒 四、其它奇异超导体 1。 插水钴氧化物超导体: NaxCoO2.yH2O 2003年日本物质材料研究机构科学家发现。 NaxCoO2的奇异性质: (1)离子导体,离子电池的材料; (2)热电材料,热电势S很大; (3)插水后出现超导电性; (4)改变Na含量,甚至可以变绝缘体。 NaxCoO2—三角格子的钴氧平面 .准二维的体系,三角格子排列的 钴氧平面为导电平面 .电子也有强关联的特性 热电势和热电材料的要求 .热电材料的效率由一个无量纲参量ZT表征,被称为品 质因子(figureofmerit): Z=S2/κρT: 温度,S: 热电势,κ: 热导,ρ: 电阻率 Mg—Si,Bi2Te3,SiGe等半导体材料是目前应用广泛 的热电材料,高温时其ZT值1左右。 .一般认为载流子浓度n为1019cm-3是最佳的,Z最大。 .1997年日本早稻田大学的Terasaki教授首先发现 NaxCoO2的热电势反常大,引起了极大的关注。 .NaxCoO2是金属,电导率很大,却仍有这么大的热电 势,是一般金属所没有的现象。 插水后的NaxCoO2.yH2O成为超导体! .2003年3月《Nature》报道了日本物质材料研究所合成了插水化合物超导体-Na0.35CoO2-1.3H2O,Tc=4.7K。 引起了又一浪研究热潮。 Na0.5CoO2: 电荷有序现象 .2003年底普林斯顿大学Ong和Cava研究组又报道了 x=0.5时由于电荷有序化引起了金属-绝缘体相变。 Phys.Rev.Lett.92,247001(2004). X=0.50,电荷有序化 T=50K,电阻率急剧增大;T=30K,50K,87K,磁化率有变化 2、Ax-C60超导体 60个顶点和32个面,其中12个面为正五边形,20个面为正六边形.Fullerene: 富勒烯也称巴基球. 1985年9月,美国Rice大学和英国Sussex大学的研究小组在合作研究星际物质中可能存的碳原子团簇的一系列实验中,发现了球状C60分子的存在。 H.W.Kroto,etal.,Nature329,529(1987). 猜测C60分子结构直径0.7nm R.E.Smalley,R.F.Kurl,H.W.Kroto获1996年诺贝尔化学奖。 1970年,日本科学家大泽映二预言,自然界中碳元素还应该有第四种同素异形体存在–球形碳分子。 世界范围的C60研究热潮由此开始,并促成1996年的C60诺贝尔奖! 1991年凝聚态物理领域的研究发现K3C60超导体(转变温度为18K)。 A.F.Hebard,Nature350,600(1991). Smalley等用大功率的激光束轰击石墨使其汽化,用1MPa压力的氦气产生超声波,使被激光束汽化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀,并迅速冷却形成新的碳原子,从而得 到了C60。 在碱金属、碱土金属,稀土金属金属掺杂的C60固体中发现约二十种超导 A.F.Hebard,etal.,Nature350,600(1991), K3C60超导转变温度18K;(最早) R.M.Fleming,etal.,Nature352,787(1991), Rb2Cs1C60超导转变温度31K。 (最高) 1997在Eu掺杂的C60固体中发现铁磁体; 2002在Eu掺杂的C60固体中发现巨磁电阻; 2003在Sm掺杂的C60固体中发现近藤效应、负热膨胀。 3.Fe基超导体LnO1-xFxFeAs 日本小组2006年发现2个类似结构的低Tc超导体 *LaOFeP(Tc~5K): Kamihara,Y.etal.,J.Am.Chem.Soc.2006,128, 10012. *LaONiP(Tc~3K) Watanabe,T.etal.,Inorg.Chem.2007,46,7719 LaO1-xFxFeAs,Tc=26K Y.Kamihara,TokyoInstituteofTechnology J.Am.Chem.Soc.,ASAPArticle,10.1021/ja800073m S0002-863(80)00073-X February23,2008 54LnOFeAsZrCuSiAs-type 一类新的高温超导体横空出世! FeAs平面是关键的导电平面。 中国的小组迅速跟进! 2008-3-3: 物理所王楠林组宣布合成Tc=26K的La1-xFxFeAs给出超导的基本性质,Hc2(0)~60T 2008-3-6: 物理所闻海虎组也宣布成功! HideoHosonoTokyoInstituteofTechnology HideoHosono Citation: "Forhis2008discoveryofLaO1-xFxFeAsthathasheraldedintheeraofFe-pnictidesforthesearchforandtheunravelingofhightemperaturesuperconductivity." 注: YoshiteruMaeno因为发现另一个超导体Sr2RuO4同时得奖。 (Sept.2009,Tokyo) http: //www.m2s-tokyo.org/award.html 浙江大学的成果之一(许祝安、曹光旱) 铁基高温超导体新材料探索 .中国科学家随后把Tc推高到40K以上 .电子型掺杂方法 (1)FdopeonOsite (2)O-vacancy 我们提出了新方法: Th4+dopeforLn3+ ZrCuSiAs-typelayeredstructure层结构 Thdopingsystem: Gd1-xThxOFeAs, Tc=56K,推向新高! (2008年4月) arXiv.org: 0804.2290,2008-4-28 CWangetal.EurophysLett.83,67006(2008) 他人引用已超过24次.据 arXiv,已经50余次引用。 Thdopingsystem: Gd1-xThxOFeAs, Tc=56K,推向新高! (2008年4月) Thdoping优点: 对于重稀土,有利于改善LnO层与FeAs之间的晶格失配,比F掺杂容易实现。 受到国际同行的高度评价,如美国物理学会刊物《Physics》的评价;美国化学学会Chem&EnginNews整段报道。 这类超导体的临界温度在几月内不断升高 美国物理学会(APS)刊物《Physics》的评价 超导的“铁”时代 美国《化学与工程新闻》杂志(2008-10) 封面故事整段介绍我们的工作: 就在几周前,中国杭州的浙江大学曹光旱、许祝安报道了另外一种掺杂方法,把Tc推向新高。 ……与其他研究组不同,浙江大学团队利用Th部分替代Gd获得Gd0.8Th0.2FeAsO. 浙大成就之二: (袁辉球) 铁基高温超导体的3D超导态特性袁辉球及合作者: 在二维层状晶体结构的铁 基超导体中发现超导态的“各向同性”,这是首次在二维层状的超导材料中报道三维的超导 特性。 论文在Nature发表。 Yuanetal.,Nature457,565(2009) 《自然》杂志评审专家认为,这是超导研究领域一项非常独特而重要的发现,将对研究铁基 高温超导形成机理具有重要意义。 1111and122structures各层比例关系 五、超导体的应用 1.超导强电应用 物理基础: (1)r=0(无焦尔热损耗) (2)(Tc,Jc,Hc2)高 如NbTi,Nb3Sn和V3Ga等超导线材在强磁场中,能负载很高的临界电流 超导磁体 .能在大的空间内产生很高的磁场,所需的励磁功率很小,一个10Tesla的磁体只要汽车蓄电 池充电即可。 .重量轻,体积小,稳定性好,均匀度高(1cm范围内达到10-8量级),也可以产生高梯度场(14T/cm) .和常规磁体相比,提高效率,节省费用。 美国Janis公司的14T超导磁体 美国国家强磁场实验室(NHMFL) 1990年建立,由三部分组成: .FloridaStateUniversity,Tallahassee(总部); .UniversityofFlorida,Gainesville; .LosAlamosNationalLaboratory,NewMexico thelargestandhighest-poweredmagnet磁体laboratoryintheworld. .35T水冷磁体 .45T混合磁体(hybridmagnet) .100T脉冲磁场 45teslaworld-recordhybrid混合magnet磁体 1999开始运行; 造价: 144万美元; 重量: 35吨; 高度: 6.7米; 用水: 15000公升/分; 用电: 33兆瓦 运行费: 4000美元/小时 超导悬浮高速列车 时速达500km/hrs,安全、稳定,为下一代的交通工具. 日本山梨试验线 .1975年在日本宫崎建立了一条7公里长的磁悬浮列车试验铁路。 (1997年扩 展为42.8公里) .2003年12月2日,一辆3车厢载人列车创造了最大时速581km/h的世界记录. 日本磁浮列车MagLev的原理princlevit每个车厢带4个超导线圈,每边各2个,传统超导材料制备,由液氦冷却. 超导线圈能够产生5Tesla的强磁场. 超导线圈与导轨上的铜线圈之间的距离只有8cm. 导轨线圈 导轨上有3套常规的铜线圈,分别用于浮力,推进力,和侧面稳定.72MLU002N于1993年建成,最高载人时速411公里/小时。 高温超导磁悬浮实验车―世纪号 .“九五”期间国家863计划项目. .西南交通大学2000年12月. .采用国产YBaCuO高温超导体块材,悬浮总重量为635公斤,在长15.5米的钕铁硼永磁导轨上自动运行. .“2001年中国高等学校十大科技进展”,排名第2. 超导贮能装置超导体强大的磁场可以贮存大量的电磁能,而且可以瞬间释放,在军事上有极大 的用处,比如作为定向能武器,或者电磁炮的能量转换装置. 超导核磁共振成像 目前都采用超导磁体,提高分辨率. 液氦冷却! 零下269度. 电力输送的新星超导电缆 .传统电缆由于有电阻,电
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