1、电子材料第二讲导 电 材 料主讲人：汪晓东教授主讲人：汪晓东教授授授 课课 提提 纲纲q 一、导电材料概一、导电材料概述述q 二、电阻材料二、电阻材料q 三、超导材料三、超导材料【第3页】1.导电材料的基础知识导电材料的基础知识q 定义及概念定义及概念q 电阻率：电阻率：104m10-4m的材料定义为导电材料的材料定义为导电材料q 导电材料的分类导电材料的分类q 固体：金属固体、非金属固体、部分有机高分子材料固体：金属固体、非金属固体、部分有机高分子材料q 液体：电解质水溶液、汞液体：电解质水溶液、汞q 气体：钠、汞蒸汽，氖、气体：钠、汞蒸汽，氖、氬氬等稀有气体等稀有气体q 导电材料的主要应用
2、导电材料的主要应用q导线、接头、电子元器件、热电偶、熔断、焊接、电池导线、接头、电子元器件、热电偶、熔断、焊接、电池【第4页】2.金属导电材料金属导电材料q 金属的晶体结构金属的晶体结构q 体心立方、面心立方和密集六方体心立方、面心立方和密集六方q 合金的结构合金的结构q 固溶体：固溶体：金属金属合金体系q 金属化合物金属化合物q 正常价化合物：MgS、Mg2Si、SnSq 电子化合物：由两种金属组成，其中一种是过渡金属q 间隙相化合物：过渡金属与半径小的非金属元素组成，具有高熔点、高硬度，低温下呈超导状态q 机械混合物：各自保持晶粒结构，互不干涉【第5页】q 金属电导的机理金属电导的机理q
3、经典金属导电理论经典金属导电理论：普通金属元素通过提供外层价电子而相互结合，形成晶体，自由流动的外层价电子成为电的载体。（麦克思斯韦尔玻尔兹曼统计理论麦克思斯韦尔玻尔兹曼统计理论）2353188 1.38 103001.08 10(/)9.11 10ekTvm sm/jEEEjnqvEeqEvm2enqmv21enqm vvT电流密度电流密度电子平电子平均速率均速率电子漂电子漂移速率移速率电子平均电子平均自由行程自由行程【第6页】q 金属电导的机理（续）金属电导的机理（续）q 量子力学导电理论：量子力学导电理论：电子运动具有不连续性，服从鲍利不相容原理，电子沿金属晶格点阵运动，具有波粒二象性特
4、征。（费米狄克拉统计理论费米狄克拉统计理论）q 体现出晶体中缺陷（杂质、空穴、位错、晶界和裂纹等）对电子运动的影响q 晶格振动（由离子热振动引起）对电子运动的影响eFnqm vT【第7页】q 影响导电材料电阻的因素影响导电材料电阻的因素q电阻与电阻率电阻与电阻率：电阻率只与材料本身有关q相对电阻率相对电阻率：IEC标准规定，导电率为1.724110-8m的标准软铜作为100%导电率，来确定金属的相对导电率q电阻率的温敏性电阻率的温敏性：电阻或电阻率与温度呈线性比关系（为温度电阻系数）q杂质对电阻率的影响杂质对电阻率的影响：合金或杂质都会导致电阻率上升q导热率对电阻率的影响导热率对电阻率的影响：
5、导热性与导电性相关LRS001()RRTT001()TT0()T0(1),0 xxwhen T22()3kTq【第8页】q 金属的电导性金属的电导性q 纯金属的电阻率纯金属的电阻率qAg：1.6210-8mqCu：1.7210-8mqAu：1.4010-8mqAl：2.8210-8mq 金属合金导电材料金属合金导电材料q铜合金铜合金：银铜、镉铜、镉铜、锆铜、锌铜、：银铜、镉铜、镉铜、锆铜、锌铜、锡铜、镍铜、锡铜、镍铜、q铝合金铝合金：铝硅、铝镁、铝镁硅：铝硅、铝镁、铝镁硅q锡铅合金锡铅合金：焊接材料的主要原料：焊接材料的主要原料q Zn：6.1010-8mq Fe：10.0010-8mq Sn
6、：11.4010-8mq Pb：21.9010-8m【第9页】q 电碳材料电碳材料q石墨晶体、无定形碳黑、碳纤维、碳纳米管、碳石墨晶体、无定形碳黑、碳纤维、碳纳米管、碳60、q 电接触材料电接触材料q接触材料的应用：电刷、接点、开关及真空开关、接触材料的应用：电刷、接点、开关及真空开关、滑动接触材料滑动接触材料q 焊接材料焊接材料q高温焊接材料和低温焊接材料高温焊接材料和低温焊接材料q锡锡/铅基、锡铅基、锡/锌基材料锌基材料q 熔断材料熔断材料q锡铅基为主，还包含铜、镉、银、铋等多种元素锡铅基为主，还包含铜、镉、银、铋等多种元素jsmRRR3.其它导电材料其它导电材料收缩电阻收缩电阻薄膜电阻薄
7、膜电阻【第10页】q碳碳C60新材料皇后新材料皇后q1980年英国Sussex大学的微波光谱学家Kroto教授首次通过质谱中存在着一批相应于偶数碳原子的分子的峰（驼峰光谱），发现了C60的特征结构。q水溶性C60羧衍生物在可见光照射下具有抑制毒性细胞生长和使DNA开裂的性能，为其应用于光动力疗法开辟了广阔的前景。qC60多肽衍生物可能在人类单核白血球趋药性和抑制HIV-1 蛋白酶两方面具有潜在的应用。水溶性C60脂质体对癌细胞具有很强的杀伤效应。q利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位能提高放射治疗的效力并减少副作用。qC60的氟衍生物C60F俗称“特氟隆”，可做为“
8、分子滚珠”和“分子润滑剂”在高技术发展中起重要作用。q将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。q碳笼内嵌人稀土元素铕可望成为新型稀土发光材料。q水溶性钆的C60衍生物有望做为新型核磁造影剂。qC60及其衍生物可能成为新型催化剂和新型纳米级的分子导体线、分子吸管和晶须增强复合材料。qC60与环糊精、环芳烃形成的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用。【第11页】q石墨烯石墨烯改变世界的新材料改变世界的新材料q2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫首次制备出了石墨烯。这是一种简单易行的新途径，他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然
9、后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成他们制得了石墨烯。q2010年为表彰这两位科学家被诺贝尔授予物理学奖。安德烈海姆康斯坦丁诺沃肖洛夫【第12页】q石墨烯石墨烯改变世界的新材料改变世界的新材料q石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。q石墨烯是已知材料中最薄的一种，只有石墨烯是已知材料中最薄的一种，只有0.34nm。q石墨烯迄今为止发现的最硬的物质，力学性能超强。石墨烯迄今为止发现的最硬的物质，力
10、学性能超强。q石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。q目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成分子大小的单电子晶体管。此外，
11、石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。引发电子工业革命。【第13页】1.电阻材料概述电阻材料概述q 定义及特征定义及特征q电阻率较高的导电材料q主要用来制作标准电阻、变阻器、电热器件和敏感电阻器件q电阻材料的特点：温度电阻系数尽可能小，阻值稳定q 电阻材料的种类及应用电阻材料的种类及应用q锰铜合金锰铜合金：一般用于制作高精电阻元器件q康铜合金康铜合金：电热势高，可用于制作热电耦q镍铬合金镍铬合金：用于制作薄膜电阻q贵金属合金贵金属合金：铂基电阻、钯基电
12、阻、金基电阻，化学稳定性好，主要用于制作绕阻器【第14页】q 固定电阻器固定电阻器q碳膜电阻器：碳膜电阻器：是由碳氢化合物在真空中通过高温热分解，使是由碳氢化合物在真空中通过高温热分解，使碳在瓷质基体表面上沉积形成导电膜而制成。其特点是电阻碳在瓷质基体表面上沉积形成导电膜而制成。其特点是电阻阻值范围宽（阻值范围宽（1010），），可靠性较高，体积小，价格可靠性较高，体积小，价格低廉。但其单位负荷功率较小，使用环境温度较低。低廉。但其单位负荷功率较小，使用环境温度较低。q金属膜电阻器：金属膜电阻器：真空条件下，在陶瓷表面上蒸发沉积一层金真空条件下，在陶瓷表面上蒸发沉积一层金属氧化膜或合金膜而成。
13、其特点是工作范围广（属氧化膜或合金膜而成。其特点是工作范围广（-55+125），温度系数小，噪声低，体积小。），温度系数小，噪声低，体积小。q线绕电阻器：线绕电阻器：是用镍铬合金、锰铜合金等电阻丝绕在绝缘支是用镍铬合金、锰铜合金等电阻丝绕在绝缘支架上制成的在其外表涂有耐热的釉层。其特点是功率大，能架上制成的在其外表涂有耐热的釉层。其特点是功率大，能经受高热，本身产生的噪声小，稳定性也好。但其体积大，经受高热，本身产生的噪声小，稳定性也好。但其体积大，分布参数大分布参数大【第15页】q 固定电阻器（续）固定电阻器（续）q金属玻璃釉电阻器：金属玻璃釉电阻器：这种电阻器是以金属、金属氧化物或难熔这种
14、电阻器是以金属、金属氧化物或难熔化合物作为导电相，以玻璃釉作粘结剂，与有机粘结剂混合成化合物作为导电相，以玻璃釉作粘结剂，与有机粘结剂混合成桨料，被覆于陶瓷或玻璃基体上，经高温烧结而成，又称厚膜桨料，被覆于陶瓷或玻璃基体上，经高温烧结而成，又称厚膜电阻器。其特点是耐高温、高压、阻值范围宽（电阻器。其特点是耐高温、高压、阻值范围宽（100K100）、）、温度系数小、稳定可靠、耐潮湿性好。温度系数小、稳定可靠、耐潮湿性好。q阻燃电阻器：阻燃电阻器：这种电阻器是在电阻器的表面涂上一层含有阻燃这种电阻器是在电阻器的表面涂上一层含有阻燃剂的涂料。其特点是在火焰中不易燃烧（没有火焰）。剂的涂料。其特点是在
15、火焰中不易燃烧（没有火焰）。q熔断电阻器熔断电阻器：是一种的双功能元件，既有一般电阻器的功能，是一种的双功能元件，既有一般电阻器的功能，又有过负荷熔断的功能又有过负荷熔断的功能。q水泥电阻：水泥电阻：这种电阻器是将电阻丝卷绕在陶瓷骨架上构成一个这种电阻器是将电阻丝卷绕在陶瓷骨架上构成一个电阻器的毛坯，将其装入陶瓷外壳，再用类似于水泥的无机粘电阻器的毛坯，将其装入陶瓷外壳，再用类似于水泥的无机粘合剂填充，经干噪、高温固化而成。其特点是小体积大功率、合剂填充，经干噪、高温固化而成。其特点是小体积大功率、耐燃、耐电弧、耐潮湿。耐燃、耐电弧、耐潮湿。【第16页】2.电阻材料敏感特性电阻材料敏感特性q
16、金属的热电效应金属的热电效应q把两种不同金属连接形成一个回路当两个接触点产生温差时，回路中就会产生热电势，从而形成热电流；这一现象被称为热热电效应电效应，亦佳称Seebeck效应效应。q上述闭合回路被称为热电耦热电耦q热电耦热电耦回路中产生的温差电动势是由佩尔捷电动势和汤姆逊电动势联合组成的q佩尔捷电动势：在两种金属的结点处，由于电子扩散的结果而产生接触电势差，其热端和冷端的总接触电势差为：q汤姆逊电动势：同一导体的两端温度不同而产生电势差，在热电偶回路中，两种金属总的汤姆逊电动势电势为：TT0E21()lnAABBknEtten21tABABtEdt【第17页】q 金属的热电效应（续）金属的
17、热电效应（续）q热电偶产生的热电势是由两种导体的总接触电势和总汤姆逊电势所组成，即：q当制作电偶的材料确定后，温差电动势的大小就只决定于两个接触点的温度差：21212121,lntAABABABABtBknEt tEEttdtf tf ten 22121ABEC ttd tt电偶电偶常数常数ABCC电位差计1t1t2t【第18页】q 金属热电耦的应用及特点金属热电耦的应用及特点q测量范围广：可以从测量范围广：可以从4.2K(268.950)的深低温直至的深低温直至28000 的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温(2000)。q测量精度高：因热电偶直接与被测对象接
18、触，不受中间介质测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。灵敏度和准确度高的影响。灵敏度和准确度高(可达可达10-3)，特别是铂铑，特别是铂铑铂热铂热电偶。电偶。q受热面积和热容量可做得很小，如研究金相变化、小生物体受热面积和热容量可做得很小，如研究金相变化、小生物体温变化，水银温度计则难于可比。温变化，水银温度计则难于可比。q构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。常方便。q由于热电偶测温是将温度测量
19、转换为电学量的测量，因而非由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统。常适用于自动调温和控温系统。【第19页】温差电：一门古老而又年轻的学科温差电：一门古老而又年轻的学科温差电是研究温差和电之间关系的科学，它是一门古老而又年轻的温差电是研究温差和电之间关系的科学，它是一门古老而又年轻的学科。构成温差电技术的基础有三个基本效应。学科。构成温差电技术的基础有三个基本效应。18211821年德国科学家塞贝年德国科学家塞贝克首先发现了温差电的第一个效应，人们称之为塞贝克效应，即两种不克首先发现了温差电的第一个效应，人们称之为塞贝克效应，即两种不同的金属构成闭合回路，
20、当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应成为了温差发电的技术基础。今天我们经常提到的电子致冷所这一效应成为了温差发电的技术基础。今天我们经常提到的电子致冷所依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀尔帖于依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀尔帖于18341834年发现的，它是塞贝克效年发现的，它是塞贝克效应的逆效应。两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，应的逆效应。两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。两个接头之间将产生温差。18451845年汤姆逊发现了温差电的第三个效应，年汤姆逊发现了温
21、差电的第三个效应，即当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。后来人即当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。后来人们称它为汤姆逊效应。们称它为汤姆逊效应。温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属的温差电效应非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从二十世纪的温差电效应非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从二十世纪3030年代开始，杰出的苏联物理学家约飞最早提出采用半导体材料作为温差年代开始，杰出的苏联物理学家约飞最早提出采用半导体材料作为温差电换能材料，特别是首先提出的固熔体合金的概念，为温
22、差电技术的实电换能材料，特别是首先提出的固熔体合金的概念，为温差电技术的实际应用奠定了理论与技术基础。际应用奠定了理论与技术基础。【第20页】很显然，温差电技术分为温差发电和温差致冷两大分支。很显然，温差电技术分为温差发电和温差致冷两大分支。19421942年年前苏联最早制成了用火焰加热的温差发电器，效率为前苏联最早制成了用火焰加热的温差发电器，效率为1.51.52 2。之后，。之后，一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差发电器的研制工作，二十一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差发电器的研制工作，二十世纪世纪6060年代初就有一批温差发电器成功地用于空间、地面和海洋。温年代初就有一批温差发电
23、器成功地用于空间、地面和海洋。温差发电器效率较低，一般不大于差发电器效率较低，一般不大于8 8，因此其应用范围受到一定限制。，因此其应用范围受到一定限制。但近年来，随着技术的不断进步，温差发电器已逐渐得到广泛应用，但近年来，随着技术的不断进步，温差发电器已逐渐得到广泛应用，不仅在军事、航天领域，而且在民用方面也表现出良好的应用前景。不仅在军事、航天领域，而且在民用方面也表现出良好的应用前景。上世纪上世纪5050年代初期，利用年代初期，利用PbTePbTe和和SbSb2 2TeTe3 3材料分别作材料分别作N N、P P 臂的单级臂的单级温差电致冷器的最大温差约温差电致冷器的最大温差约4040，
24、以后人们发现，以后人们发现BiBi2 2TeTe3 3及其固熔体合及其固熔体合金是最有希望的温差电致冷材料。上世纪金是最有希望的温差电致冷材料。上世纪7070年代以后，由于陶瓷工艺、年代以后，由于陶瓷工艺、半导体材料制备方法、切割工艺及焊接技术等的进步使温差电致冷得半导体材料制备方法、切割工艺及焊接技术等的进步使温差电致冷得到飞速发展。迄今为止，已实用化的性能最佳的温差电致冷材料为到飞速发展。迄今为止，已实用化的性能最佳的温差电致冷材料为BiBi2 2TeTe3 3SbSb2 2TeTe3 3SbSb2 2SeSe3 3三元合金，最大优值达三元合金，最大优值达3.53.510103 3V/V/
25、，用这用这种材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到种材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到7070以上。以上。【第21页】前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差致冷方面进行前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差致冷方面进行了最广泛的研究。随着这些国家政治、经济形势的变革，他们的科研了最广泛的研究。随着这些国家政治、经济形势的变革，他们的科研成果正从航天、军事领域逐渐转化到市场需求方面。美国也是温差电成果正从航天、军事领域逐渐转化到市场需求方面。美国也是温差电技术的强国，而且该技术领域得到美国政府和军方的支持。技术的强国，而且该技术领域得到美国政府和军方的支持。目前，我国已经成为世界
26、上温差电产品生产规模最大的国家之一，目前，我国已经成为世界上温差电产品生产规模最大的国家之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。以电子致冷饮水机为代表的温产品的技术性能也接近国际先进水平。以电子致冷饮水机为代表的温差电致冷产品广泛进入了普通家庭，可以相信，温差电技术必将得到差电致冷产品广泛进入了普通家庭，可以相信，温差电技术必将得到更加广泛的应用。更加广泛的应用。【第22页】温差电技术发展新动向温差电技术发展新动向微型温差电器件是当今温差电技术的另一前沿。电子器件微型温差电器件是当今温差电技术的另一前沿。电子器件微型化和军事应用的迫切需要研制高热流密度、高功率密度、微型化和军事应用的迫切需要研
27、制高热流密度、高功率密度、快速响应时间、低温差时能产生高电压的微型温差发电组件。快速响应时间、低温差时能产生高电压的微型温差发电组件。随着计算机芯片越来越小，运行速度越来越快，热设计问题也随着计算机芯片越来越小，运行速度越来越快，热设计问题也越来越重要，迫切需要一种能集成在芯片上的微型致冷组件。越来越重要，迫切需要一种能集成在芯片上的微型致冷组件。按用途分，微型组件可分为微型温差发电器、微型温差电按用途分，微型组件可分为微型温差发电器、微型温差电传感器和微型温差电致冷器。其工艺大致分传感器和微型温差电致冷器。其工艺大致分3 3类，一是块状材料类，一是块状材料为基础的工艺，二是薄膜和微电子机械工
28、艺（为基础的工艺，二是薄膜和微电子机械工艺（MEMSMEMS），），三是厚三是厚膜工艺。第一类以精工手表电池为代表，第二类以膜工艺。第一类以精工手表电池为代表，第二类以 EGEGG G公司公司热电传感器为代表，第三类以美国喷气推进实验室的微型组件热电传感器为代表，第三类以美国喷气推进实验室的微型组件为代表。可以预见，微型温差电器件将有美好的应用前景。为代表。可以预见，微型温差电器件将有美好的应用前景。【第23页】q 应变敏感电阻材料应变敏感电阻材料q当电阻材料受力发生应变时电阻也跟随改变力敏电阻力敏电阻。q康铜、镍铬合金、镍铬铝铜合金、镍铬铁合金、铂合金q主要应用于力敏传感器q 温度敏感电阻材
29、料温度敏感电阻材料q温度电阻系数大的金属及合金都可成为温敏电阻材料q铂及其合金特别适合用于热敏电阻器的制作q 发热电阻材料发热电阻材料q电炉丝、电加热棒q常用铁铬铝合金、镍铬合金、铜镍合金LRS/R RK灵敏灵敏系数系数20220(1)0630 C1(100)-1900 CttRRAtBtwithinRRAtBtC ttwithin【第24页】1.超导材料的基础知识超导材料的基础知识q 什么是超导材料？什么是超导材料？q 根据欧姆定律：根据欧姆定律：UIRq 如果电阻为零的话，欧姆定律还成立吗？如果电阻为零的话，欧姆定律还成立吗？q 当某些材料被冷却到低于某个转变温度时，电阻会当某些材料被冷却
30、到低于某个转变温度时，电阻会突然会消失。科学家将这种现象叫做超导现象。突然会消失。科学家将这种现象叫做超导现象。U一定等于IR吗？【第25页】q 谁发现了超导现象？谁发现了超导现象？q19081908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把称为把称为“永久气体永久气体”的氮液化，因而获得的氮液化，因而获得4.24.2K K 的低温源，为超导准备了条件。的低温源，为超导准备了条件。q三年后即三年后即19111911年，在测试纯金属电阻率的年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.24.2K K时突然消失，多次精密
31、测量表明，汞时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端电压降为零，他认为这时汞进入了柱两端电压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态超导态”。q昂纳斯在昂纳斯在19111911年年1212月月2828日宣布了这一发现。日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。仅仅当成是有关水银的特殊现象。Kammerlingh Onnes18531926，荷兰人，荷兰人，Leyden University教授教授1913年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖【第26页】2
32、.关于超导材料的重要物理概念关于超导材料的重要物理概念q迈斯纳（迈斯纳（MiesserMiesser）效应又叫完全抗磁性，）效应又叫完全抗磁性，19331933年由德国年由德国物物理学家理学家迈斯纳（迈斯纳（W.W.MeissnerMeissner）和奥森菲尔德（和奥森菲尔德（R.R.OchsebfekdOchsebfekd）发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把场，还是先加
33、磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。全部磁通量排出体外。B=0(H+M)=0NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态；表示超导态；N表示正常态表示正常态迈斯纳效应的迈斯纳效应的基体公式基体公式【第27页】q迈斯纳和奥斯菲尔德在迈斯纳和奥斯菲尔德在1933年研究处于超导态样品体内的磁场年研究处于超导态样品体内的磁场时发现，不论是先降温使样品进入超导态再加磁场，还是先加时发现，不论是先降温使样品进入超导态再加磁场，还是先加磁场再降温，当样品处于超导态时，体内的磁感应强度总是等磁场再降温，当样品处于超导态时，体内的磁感应强度总是等于零，磁感应线完全被排出体外。即于零，磁感
34、应线完全被排出体外。即B=B0+0M=0。由此求得金由此求得金属在超导电状态的磁化率为属在超导电状态的磁化率为=0M/B0=1,是负值。以上是负值。以上B0是外是外加磁场加磁场H在真空中的磁感应强度。所以说在真空中的磁感应强度。所以说,超导体是一个超导体是一个“完全完全抗磁体抗磁体”，超导体的完全抗磁性称为，超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应。迈斯纳效应。q 迈斯纳效应发现的意义迈斯纳效应发现的意义q由于超导态的完全抗磁性与怎样进入超导态的历史无关，说明由于超导态的完全抗磁性与怎样进入超导态的历史无关，说明超导态是一个热力学平衡态。超导态是一个热力学平衡态。q超导态的完全抗磁性是独立于零电阻特性
35、的另一特性，不可能超导态的完全抗磁性是独立于零电阻特性的另一特性，不可能从零电阻特性派生出完全抗磁性。超导态不是普通意义下的理从零电阻特性派生出完全抗磁性。超导态不是普通意义下的理想导体，想导体，完全抗磁性和零电阻特性是超导态两个独立的基本特完全抗磁性和零电阻特性是超导态两个独立的基本特性。性。【第28页】q 观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验q 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过
36、超导体，在锡不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了力相平衡时，就悬浮不动了。【第29页】q 逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为记为H Hc c。正常态正常态HHc(0)Tc超导态超导态()(0)1()cccTH
37、THT【第30页】q 超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为这一相变的电流称为临界电流，记为Ic。目前，常用电目前，常用电场描述场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度上出现电压为即当每厘米样品长度上出现电压为1 V时所输送的电流时所输送的电流。Ic(V)IV失超失超【第31页】q 第一类超导体：第一类超导体：只有一个临界磁场，它们在超导态具有完只有一个临界磁场，它们在超导态具有完全抗磁性和零电阻性。全抗磁性和零电
38、阻性。q 第二类超导体：第二类超导体：它们在它们在TTc，HHc,2时处于正常态，当时处于正常态，当Hc,1(T)H17K的的V3Si、Nb3Sn，Laves型型ZrV2、ZrRe2等等q70年代初年代初 Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb7Ga、NbGe等，最高等，最高 Tc=23.2 Kq1964年年Schooley发现了第一个氧化物超导体发现了第一个氧化物超导体SrTiO3(0.4K),BaPb1-xBixO3(钙钛矿钙钛矿)、Li1+xTi2-xO4q有机超导体的发现：有机超导体的发现：1980年的年的(TMTSF)2PF6，Tc=0.9K；1987年年的的(BEDT-TTF)2
39、Cu(SCN)2，Tc=7.8K；1990年的年的C60【第33页】q1986年年8月，月，IBM的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授发的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种铜氧化合物，它们在现了一种铜氧化合物，它们在35K的温度下电阻接近于的温度下电阻接近于0，一下，一下子把超导温度提高了子把超导温度提高了12度；度；1986年年12月，米勒教授和贝德诺兹教月，米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新型的陶瓷超导体授发现了一种新型的陶瓷超导体(此前超导体都是金属此前超导体都是金属)，这种超，这种超导体把超导性的临界温度又提高到了导体把超导性的临界温度又提高到了38K。q1987年初，美
40、籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了另外一种材料；钇钡铜氧化物，使超导记录提高到了另外一种材料；钇钡铜氧化物，使超导记录提高到了93K。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。q目前中国在高温超导材料研制方面仍处于世界领先地位。具体的目前中国在高温超导材料研制方面仍处于世界领先地位。具体的成果有：钇钡铜氧材料临界电流密度可达成果有：钇钡铜氧材料临界电流密度可达6000A/cm2，同样材料同样材料的薄膜临界电流密度可达的薄膜临界电流密度可达106A/cm2。利用自制超导材料
41、已可测到利用自制超导材料已可测到2108G的极弱磁场（这相当于人体内如肌肉电流的磁场），新的极弱磁场（这相当于人体内如肌肉电流的磁场），新研制的铋铅锑锶钙铜氧超导体的临界温度已达研制的铋铅锑锶钙铜氧超导体的临界温度已达132K到到164K，这这些材料的超导机制已不能用些材料的超导机制已不能用BCS理论解释，中国科学家在超导理理论解释，中国科学家在超导理论方面也正做着有开创性的工作。论方面也正做着有开创性的工作。【第34页】4.超导的理论研究超导的理论研究q超导现象一直是个迷，直到库柏提出电子对概念后才得以解决。超导现象一直是个迷，直到库柏提出电子对概念后才得以解决。qBCS理论由理论由J.Ba
42、rden,L.Cooper and R.Schrieffer三位科学家三位科学家提出。提出。q电子同晶体相互作用，在常温下形成电阻。但在超低温下，电电子同晶体相互作用，在常温下形成电阻。但在超低温下，电阻由电子对相互作用产生。电子对（库柏对）是关联运动的，阻由电子对相互作用产生。电子对（库柏对）是关联运动的，而不是独立运动的，因此不是通过因晶格缺陷或振动（声子）而不是独立运动的，因此不是通过因晶格缺陷或振动（声子）产生电阻，所以会出现零电阻现象。产生电阻，所以会出现零电阻现象。qBCS理论的表述：理论的表述：超导电性源于固体中电子的配对，而电子配超导电性源于固体中电子的配对，而电子配对的相互吸
43、引作用源于电子和晶格振动间相互作用，即交换虚对的相互吸引作用源于电子和晶格振动间相互作用，即交换虚声子；声子；配对发生在自旋相反动量和为零的两个电子间，即动量配对发生在自旋相反动量和为零的两个电子间，即动量 凝聚。凝聚。q进入超导态的电子发生了深刻变化进入超导态的电子发生了深刻变化q晶格起重要作用，电声的决定性晶格起重要作用，电声的决定性【第35页】5.超导材料的应用超导材料的应用q利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间
44、会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。制作高速超导磁悬浮列车。【第36页】q超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得电能，就可以获得1010万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.53.5兆瓦的电能及大
45、量兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。磁流体发电机和超导输电线路等。高温超导磁体高温超导磁体【第37页】q超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导技术的超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导技术的日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的变革，出日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的变革，出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇：现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇：超导磁流体推进装置。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增加其外形尺寸可能
46、只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增加一倍；航速将会提高。而噪音却大大降低而且超导体在传输过一倍；航速将会提高。而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中不会损失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，程中不会损失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，部分潜艇将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用闭式循部分潜艇将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用闭式循环的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电池环的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电池提供能量的时代。目前，法国海军正在研制一种全动力潜艇，提供能量的时代。目前，法国海军正在研制一种全动力潜艇，既是一种隐蔽性能强、
47、效率高、节能的电动舰艇，预计将于既是一种隐蔽性能强、效率高、节能的电动舰艇，预计将于10年后问世。年后问世。【第38页】q超导计算机超导计算机：高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线：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，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速
48、度大大提器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。至完全用超导体来制作晶体管。【第39页】明天的超导应用明天的超导应用超导电磁炮超导电磁炮超导高速公路超导高速公路超导芯片超导芯片超导飞船超导飞船超导超导“金霸王金霸王”【第40页】q日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，2005年前后将会年前后将会开发成功，并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列开发成功，并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇
49、系列超导材料的制造技术已经基本确立起来，正在开发的有蓄电装置超导材料的制造技术已经基本确立起来，正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电子元件：其一是和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电子元件：其一是超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测量极其微弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等量极其微弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件作新的信息处理元件
50、,但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。qC60超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧超导体有较大的发展潜力，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，这些特点使度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。超导体更有望实用化。C60被誉为被誉为21世世纪新材料的纪新材料的”明星明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化，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。有人预言巨型学等多方面的新奇特性和应用前景
