功能材料概论7(超导材料).ppt

6.1 超导材料的发展概述 超导零电阻现象的发现 1911年，科学家发现金属的电阻和它的温度条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。 荷兰物理学家昂尼斯（ H. K. Onnes ）为检验金属电阻与温度之间关系的理论公式的正确性，用水银作试验。将水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银变成了固体；他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到4.2K时，水银的电阻突然变成了零。 开始他不太相信这一结果，于是反复试验，但结果都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料称超导材料，而把出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度”。 昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值。 6.2 传统超导体的微观机制 ①同位素效应 ②超导能隙 ③库柏电子对 ④相干长度 ⑤BCS理论 ①同位素效应 20年代初，同位素效应、超导能隙等发现取得了很大成功，提供了揭开超导性之谜的线索。 同位素效应是麦克斯韦和雷诺在1950年各自测量水银的同位素的临界转变温度时发现的。随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。得到原子质量M和临界温度Tc的简单关系：Tc= 1/M?，其中，?=0.50?0.03。 这种转变温度Tc依赖于同位素质量Ｍ的现象就是同位素效应。 同种材料同位素在化学性质、晶体结构、电子组态及静电性质等方面都相同，只是不同原子量对晶体点阵的热振动(晶格振动)的特性有影响。　 如果构成晶格的离子质量不同，在给定条件的情况下，晶格振动的频率会依离子质量不同而发生变化，即离子质量Ｍ可以反映出晶体的性质。 从式 Tc= 1/M? 可看出，离子质量Ｍ反映了晶体的性质，临界温度Tc反映了电子性质，所以，同位素效应把晶格与电子联系起来了。 一般金属的电阻是由于原子的振动对电子的散射引起的，即晶格振动是出现电阻的原因。 人们发现，导电性良好的碱金属和贵金属由于其电子—晶格相互作用很微弱（室温下电阻小），故都不是超导体。而常温下导电性不好的材料，在低温却有可能成为超导体。　 在固体理论中，描述晶格振动的能量子称之为声子，同位素效应明确了电子—声子的相互作用与超导电性有密切关系。 临界温度比较高的金属，由于其电子—声子相互作用强，故常温下导电性较差。因此弗洛里希提出电子—声子相互作用是高温下引起电阻的原因，而在低温下导致超导电性。 ③库柏电子对 库柏电子对理论是现代超导理论的基础，该理论认为超导态是由正则动量为零的超导电子组成的，它是动量空间的凝聚现象，要发生凝聚现象，必须有吸引的作用存在。当电子间存在这种净吸引作用时，费米面附近存在一个动量大小相等而方向相反且自旋相反的两电子束缚态，它的能量比两个独立的电子的总能量低，这种束缚态电子对称为库柏电子对。 ⑤BCS理论 美国的巴丁(J. Bardeen)、库柏(L N. Cooper)和施瑞弗(J. R. Schrieffer)在1957年提出了超导电性量子理论，被称为BCS超导微观理论。它可以解释与低温超导相关的各种实验事实，从而获得1972年诺贝尔物理奖。 其理论核心是： (1)电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对会导致能隙的存在。(预言了能隙的存在)。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配对的结果。 在低温（绝对零度）时的正常自由电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费米面上一对电子形成库柏电子对并降低总能量，那么将有更多的费米面以下的电子到费米面上去形成库柏对，以降低总能量，这个过程直到平衡为止，绝对零度时，费米面附近电子全部凝聚成库柏对。大量库柏对电子对出现就是超导态的形成。超导态中电子凝聚成库柏对就使它比正常态更有序。 当温度不是绝对零度时，一部分库柏对就要被拆散，即出现一部分正常电子。温度升高后，更多的库柏对被拆散，凝聚的电子减少，到临界温度时不再有库柏对，全部电子被激发，样品变为正常态。 6.3 超导材料的临界参数 ⑴ 临界温度Tc 超导体从常导态转变为超导态的温度，以Tc表示。 临界温度是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低时，电阻突然变为零时的温度。由于材料的不纯，这种零电阻转变前后，跨越了一个温区，因此实际超导材料的临界温度用四个参数表征。 1.3 金属间化合物超导体 金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。 目前，金属间化合物超导材料的加工方法较成熟的是化学蒸镀法和表面扩散法制成Nb3Sn带材；利用表面