超导材料研究论文

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超导材料研究毕业论文目录摘要IABSTRACTII目录III第一章前言1第二章超导发展历程32.1超导的发现32.1.1超导物理之父—海克·卡末林·昂内斯32.1.2液化氦气成功为超导的发现奠定基础32.1.3首次发现超导42.1.4零电阻效应的证实42.2超导技术的发展历程52.2.1BCS理论的发现与证实52.2.2高温超导材料的发展6第三章超导微观机制73.1超导特性73.1.1零电阻效应73.1.2迈斯纳效应73.1.3约瑟夫森效应83.2超导的三个临界参量93.2.1超导材料的临界温度93.2.2超导材料的临界磁场113.2.3超导材料的临界电流113.3低温超导的微观机制123.3.1二流体模型123.3.2同位素效应123.3.3库珀对133.3.4BCS理论1439 3.3.5伦敦方程163.4高温超导体163.4.1高温超导体材料特性163.4.2高温超导机制17第四章超导材料简介194.1超导体的分类194.1.1超导界面能分类194.1.2超导的化学成分分类204.1.3超导临界温度分类214.2高温超导材料的制备工艺214.2.1薄膜224.2.2厚膜224.2.3线材、带材224.2.4块材234.3部分超导材料简介234.3.1碳60（）234.3.2二硼化镁()23第五章超导技术的应用245.1超导技术在强电中的应用245.1.1超导在电力传输中的应用245.1.2超导发电机255.1.3超导变压器265.1.4超导限流器275.2超导材料在弱电中的应用275.2.1无损检测275.2.2超导微波器件在移动通信中的应用285.2.3超导探测器285.2.4超导计算机285.3超导技术在交通运输中的应用285.3.1超导磁悬浮列车295.3.2超导轴承2939 5.4超导储能技术29第六章结论32参考文献34文献综述3639 四川理工学院毕业设计（论文）第一章前言自从1911年卡末林—昂内斯发现了低温超导体（汞温度4.2K以下电阻突然消失）以来，100年已经过去。人类对超导理论（或微观机理）以及超导技术应用的研究始终保持着高度热情。高温超导问题，一直以来既是物理上令人感兴趣的问题之一，也是从超导技术应用来讲潜在的极其重要的难题之一。著名科学家马梯阿斯曾经断言：“如果在常温下能够实现超导，那么现代文明的一切技术都将发生变化。”超导技术的发展史大致可以分为三个阶段。第一阶段：1911年低温超导现象被发现到1957年低温超导微观理论被发现。这一阶段是人类对超导电性的基本认知阶段。1957年由巴丁、库珀、施里弗共同发现的低温超导理论（也可称为常规超导理论），该理论的核心是提出了库珀电子对概念。1972年巴丁、库珀、施里弗三人因此获得诺贝尔物理学奖。这是人类对超导电性的基础认识阶段。第二阶段：从1958年到1985年，在这一阶段人类进一步发现了低温超导材料的众多特性为超导技术的应用做好了充分的准备。1961年贾埃瓦通过实验证明了BCS理论，并测量到零电压超导电流。1962年约瑟夫逊在著名科学家安德森的指导下发现了约瑟夫逊效应（隧道效应）。这一阶段的发现拓展了超导的应用范围。第三阶段：1986年发现了转变温度高于30K的超导材料（钡镧铜氧化物）后，人们逐步转入高温超导技术开发时代。在这一阶段人类对高温超导机制的认识及理论上的进步也相伴而生。到目前为止，高温超导材料已经发展了三十多年，但对高温超导问题仍众说纷纭，高温超导理论仍还在探讨。改革开放以来我国社会主义市场经济体制逐步建立，综合国力日益增强，人民生活水平大大提高，然而在这快速发展的同时一些深层次的矛盾与问题日益积累和加深，致使我国的可持续发展面临着诸多困境。一、一次能源资源面临枯竭，相关要素资源严重短缺。目前我国探明可开采的石油储量约21亿吨预计还可开采11.3年，煤炭1145亿吨预计还可开采45年，天然气1.88万亿立方米预计还可开采27.2年（数据来源：BP世界能源统计2008）。二、资源消耗过大，环境严重恶化，面临巨大的温室气体减排压力。科学观测表明，地球大气中二氧化碳的浓度已从工业革命前的280ppm（280毫升/立方米）上升到了2008年的386ppm[1]39 四川理工学院毕业设计（论文）。以上的数据表明我国（乃至全球）要实现可持续发展必须走低能高效之路，一方面最大限度地提高能源特别是不可再生能源的终端利用效率，另一方面大力开发利用新能源，寻找满足我国能源需求的终极解决途径。中国南方电力公司副总经理肖鹏曾在《中国电力工业变革与发展的战略选择》中强调要高度重视并加快高温超导技术的研发利用。他指出：高温超导技术是21世纪有可能为电力工业带来革命性变化的唯一高科技储备，也是未来新能源变革的重要技术支撑。高温超导技术的应用前景十分广阔，其大致可分为三大类：强电应用（主要用于超导发电机发电、超导电缆输电、超导电机和超导储能技术等）；弱电应用（主要用于超导天线、超导计算机、超导微波器件等）；完全抗磁性的应用（主要用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等）。在目前各类应用中，高温超导输电与电网企业最为相关。从超导材料被发现之日起，人类就看到了其优异特性的良好应用前景。但要实际应用超导材料的这些特性又受到诸多因素的制约，首先是它的特性受临界参量限制，其次还受超导材料制作的工艺等一系列问题的制约。超导从1911年问世以来经过这100年的发展已经从出生的婴儿步入了少年时代，在这蓬勃发展的阶段更需要世界的关注。让我们一同努力让这个“新生命”更早更好地为更好地服务。39 四川理工学院毕业设计（论文）第一章超导发展历程2.1超导的发现2.1.1超导物理之父—海克·卡末林·昂内斯1853年9月21日海克·卡末林·昂内斯[2]（HeikeKamerlinghOnnes）出生于荷兰的格罗宁根。1882年，昂内斯担任莱顿大学实验物理学教授，并创建了闻名世界的低温研究中心——莱顿实验室（后更名为卡末林·昂内斯实验室）。1911年，昂内斯利用液氦将金和铂冷却到4.3K以下，发现铂的电阻为一常数。随后他又将汞却到4.2K以下，测量到其电阻几乎降为零，这就是物体的超导性。1913年，昂内斯又发现锡和铅也和汞一样具有超导性。1913年，由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气，昂尼斯被授予诺贝尔物理学奖。在昂尼斯的领导下，莱顿大学物理实验室成为世界低温物理学的研究中心。　　　1926年2月21日逝世。为纪念他，莱顿大学物理实验室1932年更名为“卡末林·昂尼斯实验室”。2.1.2液化氦气成功为超导的发现奠定基础1873年荷兰物理学家范德瓦尔斯成功的提出了描述实际气体的范德瓦尔斯气体理论并用单一方程（范德瓦尔斯气体方程）描述出实际气体的分子行为。范德瓦尔斯气体方程的提出为气体液化提供了理论基础。(2-1)范德瓦尔斯气体方程：式中：p为气体的压强、a'为度量分子间引力的唯象参数、b'为单个分子本身包含的体积、v为每个分子平均占有的空间大小（即气体的体积除以总分子数量）、k为玻尔兹曼常数、T绝对温度。由范德瓦尔斯气体方程可得出任何气体只要在温度足够低、压强足够大的情况下都可能被液化。1882年卡末林·39 四川理工学院毕业设计（论文）昂内斯被聘为来登大学教授。他选定测量气体低温性质以检验范德瓦尔斯气体理论作为研究方向。为此,他在来登大学建立了低温实验室(后来这个实验室被更名为卡末林·昂内斯实验室)。他面临的首要任务是创造低温条件。1906年来登实验室实现了氢气的液化。这样已经能达到20K的低温条件,此后,采用减压降温的方法,在液化氢气的基础上减压进人14K左右的低温区。把氦气液化成为了当时国际竞争的焦点。1908年7月10日在卡末林·昂内斯实验室人们首次看见氦气被液化了。当时测定在一个大气压下,氦的沸点是4.25K。2.1.3首次发现超导1908年卡末林一昂内斯的来登实验室首次实现了氦气液化。这样已经能够达到4.2K的低温条件,此后由采用减压降温的方法,在液氦的基础上已进人1.5K左右的低温区，低温条件已属最前列。卡末林一昂内斯开始按既定计划进人低温物性领域。实现了氦的液化而能达到4K到1K的极低温区是研究极低温下物性问题的重要条件。在实现了氢气的液化后,昂内斯在液氢温度下测量了金、银、铋、铅、汞和铂的电阻。他发现不同纯度的金属在低温条件下电阻变化的情况不同：随着温度的下降,越纯的金属，电阻变得越小，尤其是金和铂更明显.。获得液氦后，昂内斯研究了液氦温度下铂和金的电阻，并提出了附加的杂质电阻概念。他发现铂的电阻在4.3K以下是一个定值，认为这个电阻可能是由杂质引起。若铂非常纯净，那么其电阻很有可能会在氦气的沸点一下温度消失为零。他利用普朗克量子概念并类比爱因斯坦于量子固体比热理论,提出纯金属的电阻在0K时减小为零。在以后研究工作中,昂内斯采用尽可能纯净的金属样品来做实验以排除杂质对电阻的影响。汞在常温下可以连续用蒸馏法提纯，因而汞是当时可利用的最纯金属。昂内斯的学生霍耳斯特在测量极低温下汞的电阻行为的实验中发现：当冷却至氦的沸点(4.2K)时,汞的电阻突然降到零；当升温到4.2K时这种现象消失；再冷却到4.2K时这种现象又会出现。昂内斯又重复做了多次实验后终于确认:在4.2K附近汞的电阻已经降到该实验室无法测出的程度.昂内斯在低温物性和液化氦研究方面做出的突出成果开辟了低温超导领域，对物理学研究有着及其重大意义。因此荣获了1913年诺贝尔物理学奖。授奖仪式上的评价为：他创造了这些可能性，同时开辟了一个对于物理科学具有伟大意义和结果的领域.2.1.4零电阻效应的证实39 四川理工学院毕业设计（论文）为了证实在超导态下电阻是不是真的完全消失了，昂内斯做了一个巧妙的实验测量超导态下电阻减小的程度。他先把超导环置于磁场中，然后降低温度使其进入超导态，再将磁场撤去，超导环中将产生感应电流，通过观察感应电流的衰减情况发现：两个多小时内没有看到超导环中电流没有丝毫衰减。昂内斯由此实验估计超导环的电阻率不会超过.其后柯林斯用同样的方法使一超导环中的电流持续了约两年半之久未发现电流有明显变化。后来奎恩等人实验得出：超导态铝的电阻率小于。再后来法奥和迈奥斯利用核磁共振方法通过测量超导电流产生的磁场来研究螺线管内超导电流的衰变情况发现其衰减时间超过10万年[2]。实验证明：超导材料电阻率也远小于Ω·cm，而0℃时，良导体铜的电阻率为Ω·cm。超导体的电阻值比它在0℃的电阻值至少要小倍。因此超导体的电阻实际上可看作零。2.2超导技术的发展历程超导技术的发展历程大致可以分为低温超导原理（BCS理论）的探究、导材料对磁场产生的影响（约瑟夫逊效应）的探究、高温超导材料的探索三个阶段。2.2.1BCS理论的发现与证实从1911年到1933年这20多年的时间里，人们一直认为超导体只不过是电阻为零的理想导体，而完全抗磁性的发现，使人们认识到超导态实际上是一个热力学态，完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本特征。早在20世纪30年代巴丁就认识到超导电性是宏观尺度上的一种量子现象。并认为电子间存在因某种形式的相互作用而形成耦合，使得最低态与激发态之间被隔开。他还指出，基于迈斯纳效应的完全抗磁性才是超导体真正的基本性质。1940年，巴丁提出费米面起因于晶格微小位移而产生的一些小能隙，在紧靠费米面下面的态的电子能量被降低。1955年，巴丁明确提出了超导现象的产生涉及三个关键因素：一是电子-声子相互作用；二是能隙的存在：三是速度(动量)空间的凝聚[3]。1956年春天，库珀利用量子场论的方法，从动力学的角度考虑相互吸引的作用，得到了费米面附近的两个动量和自旋都大小相等但方向相反的两个电子能相互结合。这种结合的电子对被称为“库珀对”。库珀对的两个电子在电子一声子相互作用产生的吸引力与排斥的库仑力相互作用抵消后还有一个净吸引，使得两个电子处于束缚态，能量比费米面能量还要低一些，形成超导能隙。1957年初，施里弗又成功地提出了超导基态波函数。接着他们又得出了包括正常态和超导态之间的基态能量差，以及对于T=OK时的能隙的解释等初步结果。39 四川理工学院毕业设计（论文）1957年12月，第一篇完整概述超导理论的文章发表在了《物理评论》上．人们习惯上取三位科学家的第一个字母，称这一理论为BCS理论。BCS理论的创立标志着人们对超导电性的解释从宏观唯象阶段进入了微观阶段。2.2.2高温超导材料的发展超导体得天独厚的特性，使它有着广泛的应用前景。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用范围。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。直到1986年瑞士IBM实验室科学家缪勒和柏诺兹发现了转变温度为36K的La-Ba-Cu-O超导体，揭开了高温超导发展的帷幕。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，美籍华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤把Y-Ba-Cu-O系材料的临界超导温度提高到了90K以上。1987年底，T1-Ba-Ca-Cu-O系材料的临界超导温度的记录又被提高到125K。从1986年到1987年仅仅一年多的时间，超导临界温度从36K提高到了100K以上，使超导的应用和发展迈上了一个新台阶。1991年，北京大学化学系、物理系在成功地合成C60以后，于7月份先后研制成功新型超导体掺钾碳60和掺铷碳60。1993年，北京大学碳60科研组又通过重结晶法分离、纯化C60、C70。随后又对C60、C70的高效液相色谱分析提出中压液相色谱分离方法。1999年中科院成功地在紫荆山天文台上13.7米毫米波射电天文望远镜上安装了超导SIS混频接收机。超导SIS混频技术是当今最先进的高灵敏度、低噪声检测技术，其接近量子极限的噪声性能使它成为射电天文研究及大气物理研究中分子谱线观测的最佳手段。2000年7月，中科院电工所开发的6米长高温超导电缆成功通过了1450安培的电流试验，这标志着我国已经全面掌握了高温超导电缆的关键技术。2009年10月10日,美国科学家合成物质(Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7O13+,将超导温度提高到254K,距离冰点仅19℃，对于推广超导的实际应用具有极大的意义。总之，超导材料的发展经历了一个从简单到复杂，即由一元系到二元系、三元系以至多元系的过程，铜酸盐高温超导体的发现在科技领域有着巨大的影响。39 四川理工学院毕业设计（论文）第三章超导微观机制3.1超导特性3.1.1零电阻效应当温度T下降至某一数值以下时，超导体材料的电阻突然变为零，这称为超导材料的零电阻效应，也称作超导电性。1911年，KamerlinOnnes发现了一个非同寻常的现象：随着温度下降汞的电阻不是平滑地下降,而是在4.15K（4.15K）下突然降到零(当时能测到的电阻率下限为10-16Ω·m)，这是人们第一次看到的超导电性。后来的实验证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后，人们在Pb、Zn以及AL等其它材料中也发现了这种特性：在同时满足临界条件(临界电流Ic、临界磁场Hc、临界温度Tc等)时材料的电阻突然消失，这种现象称为超导零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科——超导。在低温下，随着电阻的消失，材料出现了一种新的状态，这种状态被称作超导态，这种材料被称为超导体材料，超导体发生电阻跃变时的温度，叫做临界温度或转变温度，用表示。超导体的电阻值比它在0℃的电阻值至少要小倍。电阻率也远小于Ω·cm，而0℃时，铜的电阻率为Ω·cm，超导体的电阻实际上可看作零。3.1.2迈斯纳效应在1933年以前，人们从零电阻出发，一直把超导体和完全导体（或称无阻导体，是一种假象的理想体）完全等同起来。由欧姆定律：完全导体R=0故无论I多大电势差U0，又因为由此，在完全导体中不能存在电场，即E=0，于是有:（3-1）这就是说，在完全导体中不可能有随时间变化的磁感应强度；即在完全导体内部保持着它失去电阻前一刻时样品内部的磁场，可认为磁通分布被“冻结”[4]在完全到体内，外加磁场的改变不能改变“冻结”在完全导体内部的磁通分布。在迈斯纳和奥克森菲尔德实验前这种“冻结”概念一直被沿用。1933年德国物理学家奥森菲尔德和迈斯纳在对锡39 四川理工学院毕业设计（论文）单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在磁场中把金属冷却使其进入超导态时，超导体内的磁感应线一下子全部被排出，磁感应线不能穿过它的体内，也就是说在超导体材料处于超导状态时，超导体内的磁场强度恒等于零。超导体材料一旦进入超导状态，体内的磁感应线将全部被排出体外，磁感应强度恒为零。不论对导体是先加磁场后降温，还是先降温后加磁场，只要一旦进入超导状态，超导体就会把全部磁感应线排出体外。超导体的这种完全抗磁性，是超导体的另一个基本特性。产生迈斯纳效应的原因是：当超导体材料处于超导状态时，在外磁场的作用下，材料表面将产生一个无损耗的感应电流。感应电流产生的磁场又恰恰与外加磁场大小相等、方向相反。因此，在超导体材料在处于超导状态时其体内总合成磁场为零。这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。3.1.3约瑟夫森效应1962年，英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS（Superconductor-Insulator-Superconductor）时，电子可以从一个超导体穿过绝缘体而到达另一面的超导体。这一预言很快就被安德森和罗厄耳通过实验证实：电子通过了两块超导材料间的薄绝缘层（厚度约为10埃）发生了隧道效应。[5]所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为几个纳米，如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能为E的部分微粒子在ER时，不能形成电子对，此时材料表现为正常态。当r