超導(dǎo)材料,又稱為超導(dǎo)體(superconductor�,指可以在在特定溫度以下,呈�(xiàn)電阻為零的導(dǎo)體。零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體的兩�(gè)重要特�。使超導(dǎo)體電�為零的溫度,叫超�(dǎo)臨界溫度�
1911�,荷蘭科�(xué)�??恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯用液氦冷卻�,當(dāng)溫度下降到溫�(biāo)4.2K�(shí)水銀的電阻完全消�,這種�(xiàn)象稱為超�(dǎo)電�,此溫度稱為臨界溫度。根�(jù)臨界溫度的不�,超�(dǎo)材料可以被分為:高溫超導(dǎo)材料和低溫超�(dǎo)材料。但這里所�(shuō)的「高溫�,其�(shí)仍然是遠(yuǎn)低於冰點(diǎn)攝氏0℃的,對(duì)一般人�(lái)�(shuō)算是極低的溫��
1933�,邁斯納和奧克森菲爾德兩位科�(xué)家發(fā)�(xiàn),如果把超導(dǎo)體放在磁�(chǎng)中冷�,則在材料電阻消失的同時(shí),磁感應(yīng)線將從超�(dǎo)體中排出,不能通過(guò)超導(dǎo)�,這種�(xiàn)象稱為抗磁��
�(jīng)�(guò)科學(xué)家們的努力,超�(dǎo)材料的磁電障礙已被跨�,下一�(gè)難關(guān)是突破溫度障�,即尋求高溫超導(dǎo)材料�
1973年,�(fā)�(xiàn)超導(dǎo)合金――鈮鍺合�,其臨界超導(dǎo)溫度�23.2K,這一記錄保持了近13��
1986年,�(shè)在瑞士蘇黎世的美�(guó)IBM公司的研究中心報(bào)道了一種氧化物(鑭鋇銅氧化物)具有35K的高溫超�(dǎo)�。此后,科學(xué)家們幾乎每隔幾�,就有新的研究成果出�(xiàn)�
1986年,美國(guó)貝爾�(shí)�(yàn)室研究的超導(dǎo)材料,其臨界超導(dǎo)溫度�(dá)�40K,液氫的“溫度壁壘”(40K)被跨越�
1987年,中國(guó)科學(xué)家趙忠賢以及美國(guó)華裔科學(xué)家朱�(jīng)武相繼在釔-鋇-銅-氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高�90K以上,液氮的“溫度壁壘”(77K)也被突破了�1987年底,鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料又把臨界超�(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從1986�1987年的短短一年多的時(shí)間里,臨界超�(dǎo)溫度提高了近100K�
2001年,二硼化鎂(MgB2)被�(fā)�(xiàn)其超�(dǎo)臨界溫度�(dá)�39K [1]。此化合物的�(fā)�(xiàn),打破了非銅氧化物超�(dǎo)體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀(jì)��
1990�2000年代,具ZrCuAsSi�(jié)�(gòu)的稀土過(guò)渡金屬氮磷族化合物(rare-earth transition-metal oxypnictide, ReTmPnO)陸�(xù)被發(fā)�(xiàn)[2] [3]。但并未有人�(fā)�(xiàn)其中的超�(dǎo)�(xiàn)��
2008�,日本的Hideo Hosono�(tuán)�(duì)�(fā)�(xiàn)在鐵基氮磷族氧化物(iron-based oxypnictide�,將部份氧以摻雜的方式用氟作部份取代,可使LaFeAsO1-xFx的臨界溫度達(dá)�26K[4],在加壓後(4 GPa)甚至可�(dá)�43K[5]。其�,中�(guó)的聞?;F(tuán)�(duì),發(fā)�(xiàn)在以鍶取代稀土元素之�,La1-xSrxFeAsO亦可�(dá)到臨界溫�25K[6]。其�,中�(guó)的科�(xué)家陳仙輝、趙忠賢等人,發(fā)�(xiàn)將鑭以其他稀土元素作取代,則可得到更高的臨界溫度;其中,SmFeAs[O0.9F0.1]可達(dá)55K[7] [8]。另外,將鐵以鈷取代(LaFe1-xCoxAsO�,稀土元素以釷取代(Gd1-xThxFeAsO�,或是利用氧缺陷(LaFeAsO1-δ)等方式,也都可以引�(fā)超導(dǎo)[9] [10] [11]�
此系�(tǒng)亦被�(jiǎn)稱為�1111系統(tǒng)�。此化合物的�(fā)�(xiàn),非但再度打破了由MgB2保持的非銅氧化物超導(dǎo)體(non-cuprate superconductor)的臨界溫度紀(jì)�,其含鐵卻有超導(dǎo)的特性也受人注目�
同樣�2008年,受到上述�1111系統(tǒng)」的啟發(fā),ThCr2Si2�(jié)�(gòu)的鹼土金屬氮磷族化合物(ATm2Pn2)亦被發(fā)�(xiàn),在將BaFe2As2中將鹼土金屬(IIA)以鹼金屬(IA)部分取�,亦可得到臨界溫度約30�40K的高溫超�(dǎo)�,如Ba1-xKxFe2As2�38 K� [12]。此系統(tǒng)亦被�(jiǎn)稱為�122系統(tǒng)�。如同氧化物超導(dǎo)�,�1111」與�122」系�(tǒng)的超�(dǎo)�(lái)源也是由層狀�(jié)�(gòu)中的FeAs層貢�(xiàn),藉由不同價(jià)�(shù)的離子摻雜或是氧缺陷,可提升FeAs層載子的濃度,�(jìn)而引�(fā)超導(dǎo)�
超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為元素材�、合金材�、化合物材料和超�(dǎo)陶瓷� 1.超導(dǎo)元素�在常壓下�28種元素具超導(dǎo)電�,其中鈮(Nb)的Tc,為9.26K。電工中�(shí)際應(yīng)用的主要是鈮和鉛(Pb,Tc=7.201K�,已用于制造超�(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔�� 2.合金材料� 超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超�(dǎo)材料的全部性能提高。如�(yīng)用的鈮鋯合金(Nb-75Zr�,其Tc�10.8K,Hc�8.7特。繼后發(fā)展了鈮鈦合金,雖然Tc稍低了些,但Hc高得�,在給定磁場(chǎng)能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti,Tc=9.3K,Hc�11.0�;Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12特(4.2K)。目前鈮鈦合金是用于7�8特磁�(chǎng)下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金,性能�(jìn)一步提�,Nb-60Ti-4Ta的性能�,Tc�9.9K,Hc=12.4特(4.2K�;Nb-70Ti-5Ta的性能�,Tc=9.8K,Hc=12.8�� 3.超導(dǎo)化合物:超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24特;Nb3Al,Tc=18.8K,Hc=30�。④超導(dǎo)陶瓷�20世紀(jì)80年代初,米勒和貝德諾爾茨�(kāi)始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電�,他們的小組�(duì)一些材料�(jìn)行了試驗(yàn),于1986年在鑭-鋇-銅-氧化物中�(fā)�(xiàn)了Tc=35K的超�(dǎo)電��1987年,中國(guó)、美�(guó)、日本等�(guó)科學(xué)家在鋇-釔-銅氧化物中發(fā)�(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超�(dǎo)電�,使超導(dǎo)陶瓷成為極有�(fā)展前景的超導(dǎo)材料�
1.零電阻性:超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)�(tài)�(shí)電阻為零,能夠無(wú)損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超�(dǎo)�(huán)中引�(fā)感生電流,這一電流可以毫不衰減地維持下�。這種“持�(xù)電流”已多次在實(shí)�(yàn)中觀察到�
2.完全抗磁性:超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)�(tài)�(shí),只要外加磁�(chǎng)不超�(guò)一定�,磁力線不能透入,超�(dǎo)材料�(nèi)的磁�(chǎng)恒為��
3.約瑟夫森效應(yīng)�兩超�(dǎo)材料之間有一薄絕緣層(厚度約1nm)而形成低電阻連接�(shí),會(huì)有電子對(duì)穿過(guò)絕緣層形成電�,而絕緣層兩側(cè)�(méi)有電壓,即絕緣層也成了超�(dǎo)�。當(dāng)電流超過(guò)一定值后,絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U(也可加一電壓U�,同�(shí),直流電流變成高頻交流電,并向外輻射電磁�,其頻率為,其中h為普朗克常數(shù),e為電子電�。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科�(xué)技�(shù)�(lǐng)域越�(lái)越引人注目的各類�(yīng)用的依據(jù)�
超導(dǎo)材料可用于制作交流超�(dǎo)�(fā)電機(jī)、磁流體�(fā)電機(jī)和超�(dǎo)輸電線路�。目前超�(dǎo)量子干涉儀(SQUID)已�(jīng)�(chǎn)�(yè)化� 另外,作為低溫超�(dǎo)材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn,在商業(yè)�(lǐng)域主要應(yīng)用于�(yī)�(xué)�(lǐng)域的MRI(核磁共振成像儀)。作為科�(xué)研究�(lǐng)�,已�(jīng)�(yīng)用于歐洲的大型項(xiàng)目LHC�(xiàng)目,幫助人類尋求宇宙的起源等科學(xué)�(wèn)��
1、利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體,應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮�(yùn)輸、受�?zé)岷朔�?yīng)、儲(chǔ)能等;可制作電力電纜,用于大容量輸電(功率可�(dá)10000MVA�;可制作通信電纜和天�,其性能�(yōu)于常�(guī)材料。還可用在太�(yáng)能電池中,如便攜音箱鋰電��
2、利用材料的完全抗磁性可制作�(wú)摩擦陀螺儀和軸��
3、利用約瑟夫森效�(yīng)可制作一系列精密�(cè)�?jī)x表以及輻射探�(cè)�、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件,其�(yùn)算速度比高性能集成電路的快10�20�,功耗只有四分之一�
維庫(kù)電子通,電子知識(shí),一查百��
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