高温超导材料的研究进展教育课件.ppt

1、超导材料超导材料v 19111911年，荷兰莱顿实验室的卡末林年，荷兰莱顿实验室的卡末林昂纳斯昂纳斯(Karner lngh Onns)(Karner lngh Onns)首次在首次在4 42K2K时发现水银零电阻现象即超导现象。他于时发现水银零电阻现象即超导现象。他于19131913获得诺获得诺贝尔奖。贝尔奖。v 柏诺兹柏诺兹(Bednorz)(Bednorz)和缪勒和缪勒(Miiller)(Miiller)于于19861986年发现超导转变温度年发现超导转变温度在在3O K3O K温区的高温铜氧化物超导体，为进一步发现在液氮温区值温区的高温铜氧化物超导体，为进一步发现在液氮温区值的高温超导

2、体开辟了道路。他们于的高温超导体开辟了道路。他们于19871987年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。v 钇系钇系YBCO(YBa2Cu3O7-x)YBCO(YBa2Cu3O7-x)和铋系和铋系BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy)材材料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。料的发现使高温超导材料走入实用化阶段。v 超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。超导材料的研究在当今与纳米科技相结合走入一个全新的时代。v我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿我国在中长期科技规划中把高温超导材料列为重点发展的前沿课题（课题（2019-2

3、0202019-2020）。）。超导材料的基本物理特征超导材料的基本物理特征：v零电阻现象v完全抗磁性（迈斯纳效应）v超导态并非仅取决于温度(临界电流和临界磁场)普通导体超导体超导材料的分类：超导材料的分类：常规超导体(如Nb-Ti合金)高温超导体高温超导体(如如YBaYBa2 2CuCu3 3O O7 7-x-x)非晶超导材料复合超导材料(如超导线带材料)重费米子超导体(如CeCu2Si2)有机超导材料(如富勒烯等修饰的化合物)超导材料 BCS超导理论:（美国科学家巴丁、库柏和施里弗提出）库柏对1电子通过声子作为媒介产生相互吸引作用并逐渐超过库仑斥力，相成束缚对即库柏对。2 在超导基态各个电

4、子的动量可以不同，但是每个库柏对却集中在零动量上。2019年，诺贝尔奖得主Laughlin提出Gossamer超导理论。德国马克斯普朗克协会和普林斯顿大学2019年4月宣布，通过中子散射实验，揭示了高 温超导金属氧化物电子自旋对的特殊行为。高温超导材料的结构特征高温超导材料的结构特征:层状钙钛结构组元层状钙钛结构组元 导电层导电层（铜氧层）（铜氧层）Cu-O6八面体八面体Cu-O5四方锥四方锥 Cu-O4平面四边形平面四边形 载流子库层载流子库层孔穴型孔穴型电子型电子型调节载流调节载流子浓度子浓度提供耦提供耦合机制合机制钇钡铜氧化物（钇钡铜氧化物（YBa2Cu3O7-x)超导体超导体1987年

5、朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现，Tc90K,超导转变温度打破了液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈问题。铋锶钙铜氧化物（铋锶钙铜氧化物（Bi-Sr-Ca-Cu-O）超导体）超导体Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 n=1 2201相n=2 2212相n=3 2223相n=4 2234相Cu-O 层Bi2O2层 钙钛矿层Tc100K;Tl-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了125K;Hg-Ba-Ca-Cu系，Tc达到了135K,高压下Tc达到了164K。-Michael Vershinin,-Michael Vershinin,Shashank Misra,Shashank Misra,et ale

6、t al.Science,Science,303,2019(2019).303,2019(2019).-Elbio Dagotto -Elbio Dagotto.Science,Science,293,2410(2019).293,2410(2019).铜氧化物和铜氧化物和C C6060超导材料超导材料Y Y系高温氧化物超导体的制备系高温氧化物超导体的制备原料原料(氧化物氧化物或碳酸物或碳酸物)混合混合化学剂量比烧结烧结氧化处理氧化处理熔融织构工艺熔融织构工艺克服大角晶界块块材材带带材材离子束辅助沉淀工艺离子束辅助沉淀工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺轧制辅助双轴织构衬底工艺薄膜薄膜磁控溅射法磁控溅

7、射法激光沉淀法激光沉淀法BiBi系高温氧化物超导带材的制备系高温氧化物超导带材的制备:原材料原材料(氧化物或碳酸物氧化物或碳酸物)混混 合合化学剂量比煅煅 烧烧研研 磨磨粉末充管粉末充管拉拉 拔拔Ag管轧轧 制制热处理热处理压制压制/轧制轧制热处理热处理重复高温超导材料制备所面临的问题：高温超导材料制备所面临的问题：材料制造成本高,价格昂贵。在长距离超导线材的制造上面仍然有很大的难度。（氧化物高温超导陶瓷材料各向异性和短的电子相干长度以及大量晶界的存在严重影响线材的超导电性。）高温超导材料临界电流和临界磁场的提高仍是科学家研究的难题。-Robert F.Serverce.-Robert F.S

8、erverce.ScienceScience,295,786(2019).,295,786(2019).-I.Chong,Z.Hiroi,*M.Izumi,J.Shimoyama,et al.Science,Science,276,770(2019).276,770(2019).PbPb搀杂提高搀杂提高Bi2Sr2CaCu2O8+xBi2Sr2CaCu2O8+x的临界电流密的临界电流密度度-Maciek Zgirski,Karri-Pekka Riikonen,et al.Nano letters,5,6(2019)纳米尺度对超导电性的制约作用纳米尺度对超导电性的制约作用Yang Guo,Ya

9、n-Feng Zhang,Xin-Yu Bao,et al.Science,Science,306,1915(2019).306,1915(2019).量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用量子尺寸效应对超导临界温度的调制作用 Atomic layersupercurrentsiPbS.Kang,A.Goyal,J.Li,A.A.Gapud,et al.Science,311,1911(2019).纳米材料和超导材料的结合纳米材料和超导材料的结合 -Robert F.Serverce.-Robert F.Serverce.ScienceScience,295,786(2019).,295,786

10、(2019).2019年1月日本东京青山学院的教授Jun kimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界超导温度Tc=40k.二硼化镁超导材料的新发现二硼化镁超导材料的新发现节省大量资金节省大量资金缓解环境污染缓解环境污染超导电缆、超导发电超导电缆、超导发电机、超导电缆机、超导电缆预预 测测低电力低电力低能耗低能耗灵敏度度高灵敏度度高钇钡铜超导薄膜钇钡铜超导薄膜-应用于谐振器、滤波应用于谐振器、滤波器、天线等有源器件器、天线等有源器件商品化商品化低电力低电力低能耗低能耗钇钡铜超导超导块材钇钡铜超导超导块材-用于磁悬浮、储能飞用于磁悬浮、储能飞轮等方面轮等方面即即 将将实业化实业化预计在预计在20202020年年左右会形成左右会形成1500-20001500-2000亿美亿美元的超导市场，元的超导市场，其中高温超导其中高温超导占一半占一半Seminar ISeminar I