超導(dǎo)材料介紹
發(fā)布日期：2023-08-04 瀏覽次數(shù)：1308
超導(dǎo)材料
超導(dǎo)材料的發(fā)展概述
在一定溫度以下，某些導(dǎo)電材料的電阻消失，這種零電阻現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象或超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)材料或超導(dǎo)體。出現(xiàn)零電阻的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度T。
1911年，在萊頓 (leiden) 大學(xué)，昂納斯 (onnes) 在液氦溫度下的汞金屬中首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象的存在。因?yàn)檫@個偉大的發(fā)現(xiàn)，他獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。在之后的幾十年中，科學(xué)家們針對在金屬及合金中的低溫超導(dǎo)研究取得了非常巨大的成果。
1933年，邁斯納 (Meissener) 和奧克森費(fèi)爾德 (Oschenfeld) 發(fā)現(xiàn)了在超導(dǎo)態(tài)下，材料具有完全的抗磁性，當(dāng)超導(dǎo)體處在外加磁場下時，外磁場的磁通線會被超導(dǎo)體完全排斥而無法穿透進(jìn)去。在1955年，三名科學(xué)家提出了著名的Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)理論。該理論提出了超導(dǎo)性出現(xiàn)的原因，是因?yàn)樵诓牧蟽?nèi)部電子耦合而形成了由兩個相反態(tài)的電子形成的電子對(庫伯對)。這個理論被認(rèn)為是最完整地解釋了低溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)性和正常態(tài)的理論。20世紀(jì)50年代末和60年代初，第Ⅱ類超導(dǎo)體及約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，促使超導(dǎo)電性的應(yīng)用開始逐步成為一門新技術(shù)，即低溫超導(dǎo)電技術(shù)。20世紀(jì)60～80年代，超導(dǎo)電性的應(yīng)用已具有一定的規(guī)模和相應(yīng)的工業(yè)部門。由于傳統(tǒng)超導(dǎo)體必須在極低溫度下運(yùn)行，通常用的工作物質(zhì)是液氦，限制了低溫超導(dǎo)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用。人們一直在探索能在液氮溫區(qū)甚至能在室溫下工作的高溫超導(dǎo)體。
長期以來，雖經(jīng)科學(xué)家們的不斷努力，但始終無法使超導(dǎo)臨界溫度有很大的提高。1986 年，設(shè)在瑞士蘇黎世的IBM實(shí)驗(yàn)室的研究員柏諾茲(J.G.Bednorz)和繆勒(K.A.Muller)在陶瓷材料La-Ba-Cu-O中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，而且超導(dǎo)溫度超過了35K, 這一發(fā)現(xiàn)不僅打破了具有Als結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度23.2K的最高紀(jì)錄，更重要的是為新超導(dǎo)體的探索研究開辟了新的道路，將超導(dǎo)體從金屬、合金和化合物擴(kuò)展到氧化物陶瓷，他們也因?yàn)檫@一巨大發(fā)現(xiàn)獲得了1987年的諾貝爾獎。正是由于他們開創(chuàng)性的工作，在世界范圍內(nèi)掀起了一場超導(dǎo)熱浪，并為這一領(lǐng)域帶來了突破性進(jìn)展。很快，在1987年，美國的朱經(jīng)武研究組和我國的趙忠賢研究組先后獨(dú)立地報道了Y-Ba-Cu-O材料具有高達(dá)92K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，首次將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升到了液氮溫度以上。之后發(fā)現(xiàn)的鉍系、鉈系和汞系超導(dǎo)體更是將超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提升到了100K以上。由于這幾類超導(dǎo)體在超導(dǎo)機(jī)制以及結(jié)構(gòu)上都和以前低溫下發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體有所不同，BCS理論也無法完全解釋實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。因此，為了和之前發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體進(jìn)行區(qū)分，就將這些具有高T。的超導(dǎo)材料稱為高溫超導(dǎo)材料，而之前的則稱為低溫超導(dǎo)材料。自從高溫氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，在材料、機(jī)制以及應(yīng)用三個方面的研究及開發(fā)工作都進(jìn)展很快。使用高溫超導(dǎo)材料制備的微波器件將是最有希望得到較大規(guī)模應(yīng)用的。一些新的超導(dǎo)材料不斷被發(fā)現(xiàn)，從而不斷給出更多的揭示高溫超導(dǎo)電性的新的信息及開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。
超導(dǎo)材料的特性
(1)零電阻特性
零電阻特性是指當(dāng)溫度下降至某一數(shù)值或以下時，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，也叫完全導(dǎo)電性。精密測量表明，當(dāng)材料處于超導(dǎo)狀態(tài)時，其電阻率小于10-24Ω·cm, 比通常金屬的電阻率小15個數(shù)量級以上。有人曾經(jīng)把一個超導(dǎo)圓線圈放在磁場中，并降溫到電阻消失，再把磁場去掉，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈內(nèi)磁通量變化時，在超導(dǎo)線圈中要產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于超導(dǎo)線圈電阻為零，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個感應(yīng)電流居然在經(jīng)過一年以上的時間里未見有絲毫衰減。法奧和邁奧斯利用精確核磁共振方法測量超導(dǎo)電流的衰減時間不低于十萬年，即超導(dǎo)閉合回路中一旦有電流產(chǎn)生，便會有永久的電流存在，超導(dǎo)體顯示出一種完全導(dǎo)電性。超導(dǎo)材料的零電阻特性是超導(dǎo)材料實(shí)用化的最重要的基礎(chǔ)。由于其無發(fā)熱損耗，在超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)發(fā)電、儲能、電機(jī)、科學(xué)研究等方面較常規(guī)材料有著巨大的優(yōu)越性。
(2)完全抗磁性 (Meissner效應(yīng))
直到1933年，人們從零電阻現(xiàn)象出發(fā)，一直把超導(dǎo)體與完全超導(dǎo)體完全等同起來，完全超導(dǎo)體中不能存在電場，在完全導(dǎo)體中不可能有隨時間變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即在完全導(dǎo)體內(nèi)部保持著當(dāng)它失去電阻時樣品內(nèi)部的磁場，可以看做磁通分布被“凍結(jié)”在完全導(dǎo)體中，致使其內(nèi)部磁場不變。但是邁斯納等由實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)后，原來穿過樣品的磁通量完全被排除 到了樣品外，而樣品外的磁通密度增加。不論是在有外加磁場還是在沒有外加磁場下使樣品變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，只要T<Tc, 在超導(dǎo)體內(nèi)部總有B=0,當(dāng)施加一外磁場時，在樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通量密度的特性稱為完全抗磁性，又稱為邁斯納效應(yīng)。該特性是超導(dǎo)磁懸浮、儲能、重力傳感器等應(yīng)用的基礎(chǔ)。超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是兩個完全獨(dú)立，又有一定關(guān)聯(lián)的基本特性。完全抗磁性不能推導(dǎo)出零電阻現(xiàn)象，零電阻現(xiàn)象也不能保證完全抗磁性，但它是其產(chǎn)生的必要條件。由此可見，某材料只有同時滿足這兩個特性才可成為超導(dǎo)材料。
(3)磁通量子化
倫敦 (London)在1946年敏銳地提出超導(dǎo)電性是宏觀的量子現(xiàn)象，并預(yù)言進(jìn)入導(dǎo)環(huán)中的磁通量是量子化的。11年后Deaver 和Doll分別證實(shí)了最小量子磁通的存在，由此誕生了超導(dǎo)磁通量子器件及超導(dǎo)量子干涉器，來探測微弱磁場，并已經(jīng)獲得了較廣泛的應(yīng)用。
(4)臨界電流密度Jc和臨界磁場 Hc
實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)超導(dǎo)電流超過某些臨界值Jc時，可使金屬從超導(dǎo)態(tài)變成正常態(tài)。Jc稱為臨界電流密度，臨界電流密度本質(zhì)上是超導(dǎo)體在產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)時臨界磁場的電流。隨后的實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)體還有一個臨界磁場 Hc,高于這個臨界磁場時，超導(dǎo)體將處于正常態(tài)。
超導(dǎo)材料的分類
根據(jù)臨界溫度 Tc的大小，超導(dǎo)材料可以分為低溫超導(dǎo)材料 (Tc<30K, 又稱為常規(guī)超、導(dǎo)體)、高溫超導(dǎo)材料(主要是氧化物材料)。
(1)低溫超導(dǎo)體
低溫超導(dǎo)體按其化學(xué)成分分為：元素超導(dǎo)體、合金超導(dǎo)體和化合物超導(dǎo)體。元素超導(dǎo)體已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)有近50種。其中金屬元素有28種，過渡族金屬有18種 (Ti、V、Zr、Nb、Mo、W、Re等),非過渡族金屬有10種 (Bi、Al、Sn、Cd等)。
合金超導(dǎo)體和化合物超導(dǎo)體的種類很多，總數(shù)達(dá)到幾千種。最早被使用的合金超導(dǎo)材料是Nb-Zr合金，后來又誕生了成本低、加工性能好的Nb-Ti合金。到了20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了Ni-Zr-Ti、Ni-Ti-Ta三元超導(dǎo)合金，它們具有更佳的超導(dǎo)性能。
化合物超導(dǎo)材料的臨界溫度和臨界磁場要高于合金超導(dǎo)體?；衔锍瑢?dǎo)材料可根據(jù)其晶 格類型分為 NaCl型 (B1型)、A15型、C15型、菱面晶型等。其中A15型的臨界溫度較高，Nb3Sn和 V3Gd 兩種超導(dǎo)材料已具有實(shí)際的應(yīng)用價值。
(2)高溫超導(dǎo)體
高溫超導(dǎo)體具有層狀的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。主要有：YBa2Cu3O7。(釔鋇銅氧化物)超導(dǎo)體、Bi-Sr-Ca-Cu-O (鉍鍶鈣銅氧化物)超導(dǎo)體、TI-Ba-Ca-Cu-O (鉈鋇鈣銅氧化物)超導(dǎo)體、Hg-Ba-Ca-Cu-O (汞鋇鈣銅氧化物)超導(dǎo)體、La-Sr-Cu-O (鑭鍶銅氧化物)超導(dǎo)體。這些超導(dǎo)體的臨界溫度要比低溫超導(dǎo)體高得多，常常達(dá)到80～90K。