第二章超导体材料精要.ppt

超导研究的发展和应用前景 超导电性的发现 1908年，荷兰莱顿大学的Onnes首次实现氦的液化，获得了4.2K的低温，为研究低温条件下物质导电打开了方便之门。 1911年，他发现将汞冷却到4.2K时，汞的电阻突然消失，Onnes称这种处于超导状态的导体为超导体。超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度。由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。 超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。至今已发现有28种元素、几千种合金和化合物是超导体。我们通常称这些金属或金属合金的超导体为常规超导体。 高温超导体的发现 其它新型超导体 C60：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。 C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。 MgB2：二硼化镁（MgB2），其超导转变温度达39K。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于电力传输、超级电子计算机器件以及CT扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。 超导材料的应用 随着研究的进展，超导材料的应用大致可分为三类： 1.大电流应用（强电应用）：发电，输电和储能 2.电子学应用（弱电应用）：超导计算机，滤波器， 微波器件等 3.抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等 超导发电机　在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。 超导输电线路 　 超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 超导储能 超导计算机 　 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热正是超大规模集成电路面临的难题。如果超大规模集成电路中元件之间的互连线用零电阻或接近零电阻的、不发热或仅微发热的超导器件来制作，则不存在散热问题，亦更能提高计算机的运算速度。 此外，也有人考虑用半导体和超导体来制造晶体管，或完全用超导体来制作晶体管。 超导量子干涉器(SQUID) 超导量子干涉器(SQUID)磁强计是极其灵敏的磁场探测仪器，可以分辨相当于十亿分一的地磁场变化，广泛用于科学研究、生物磁(脑磁、心磁)、无损探伤及大地电磁测量等领域。是高温超导体最早走向实用化的领域之一。 利用超导材料做成的探矿仪器，装在飞机甚至卫星上，可以大面积地探测某些矿藏的分布。 1998年我国与德国成功地进行了SQUID磁强计系统的野外实验。证明了目前研制成功的高温SQUID系统已经成熟，高温SQUID将可能逐步取代大地电磁测量的感应探头，并得到较大范围的应用。 高温超导SQUID另一项引人注目的课题是HTS扫描SQUID显微镜。美国Neocera公司正研制和销售这种系统。 微波器件 　 利用高温超导体可以制作某些微波有源器件。超导天线、超导谐振腔等也会开始应用。 高温超导体在微波技术上的应用估计首先在卫星通信和军事技术上实现。 例如，热电子测热辐射电阻(HEB)混频器。 这种HEB采用极薄(10---20nm)的YBCO膜制备的，图形尺寸在深亚微米的量级。 近几年我国开展了多种超导微波器件的研究，制成的超导滤波器、超导天线、迟延线、振荡器、超导结型混频器等器件都具有国际先进水平。 高温超导滤波器 　 所有的无线电接收装置在接受外界讯号时总伴有一定的噪音。噪音主要可分为两部分：一是外界信号带入的，可用检波的方法加以消除；二是装置的线路内部产生的噪音。这一部分也可以用许多方法使之尽量减少，但是不能将噪音减到零。这是由于电路中存在一种所谓热噪音，它起源于电阻、电感和接线中的电子和晶格的碰撞。可以说对于有阻元件，热噪音是不可避免的。 高温超导体在超导态下电阻为零，这意味着高温超导体的热噪音十分小。用高温超导体做成的滤波器，自然可将前