氧化物超导材料的发展与研究概要Word文档格式.docx
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1.绪论
1.1超导的定义
具有在一定的温度下表现出电阻为零，并且排斥磁力线的性质的一种材料。
科学家目前发现了二十多种元素，几千多种合金和化合物可以成为超导体。
超导是超导电性的简称，是指某个物体当温度低至一定温度时，电阻瞬间趋向于零的性质，具有这种特性的材料简称超导材料。
超导材料最具有特点的性能是电能在输送的过程中只损失极低的电能。
超导体是能够显示出超导态的基本宏观相位相干量子特性的材料。
这两个特性，就是超导体最基本的性质。
1.2超导现象的发现
十八世纪八十年代，英国化学家拉瓦锡预言：
假如地球某天进入一个寒冷地区，空气将不会以流体的形式存在，它将转变为液态。
从那时起，拉瓦锡的预言就激起人们去把气体转变为液态并由此得到一个温度值。
使气体液化，这听起来似乎不可能，但科学家们不仅认同了拉瓦锡的话，并且在不久的将来实现了这个不可能实现的理论。
人们把气体液化获得了低温，科学家会利用低温做什么呢？
1911年，卡末林—昂内斯开始探究低温条件下的物体形态的变化。
0果然，他们在研究水银电阻与温度变化的关系时发现，当温度低于4K（K为绝对温度，0K相当于零下273℃）时水银电阻突然下降并趋于零，对此昂内斯十分惊讶。
水银为何会突然失去电阻这一特性，就算最具有想象力的科学家也不会想到到低温下会出现这种现象。
他开始了进行实验，发现水银的电阻并不是按照理论上的那样随温度降低而慢慢变小，而是当温度降到4.2K左右时，水银就失去了电阻的特性。
他因此通过更多科学实验来证明这一现象，他用磁体在水银环路中感应出电流，通过实验了许多次，他发现只要水银环路的温度保持在4.15K的低温时，环路中的电流就不会有所改变，电流就会不停地沿着环路转动，永不停歇。
当温度低至某一温度时，金属的电阻趋向于零的现象称为超导现象，能够具有超导现象的物质叫做超导体。
超导体由正常态转变为超导态时的温度称为这种物质的临界温度。
简要原理如下图：
1.3超导的发展历程
自从卡末林—昂内斯发现了许多物体在温度降低到一定的温度时，该物体的电阻会趋向于零。
于是昂内斯又对多种金属、化合物进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻趋向于零、感应电流不会消失的现象。
由于在正常条件下导体都具有电阻，昂内斯就称这种低温下电阻为零的现象称为超导。
随后，昂内斯就正式公布这一科学成果，并且这一科学成果很快震惊整个科学界。
昂内斯因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。
后来，人们把处于超导状态的导体称之为超导体。
超导体的直流电阻在温度低至一定温度下，电阻变为零，被称作零电阻效应。
导体没有了电阻这一性能，电流经过超导体时就不会有电能的损失，电流可以无损失的在导线中产生强大的电流，并且形成超强磁场。
将超导体温度降低到某一临界温度时电阻瞬间消失的现象称为超导体的零电阻现象。
不同超导体的临界温度是不一样的。
当超导体温度降低至临界温度以下而转变为超导态后，如果附近的外加磁场强度不能干扰到超导体，那么超导体就有能力把原来存在于体内的磁场排挤出去，而在超导体内磁感应强度一直都会保持为零，超导体的这种特殊性质被称为迈斯纳效应。
迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两大基本特性，它们既互相独立，又有着不可分割的联系。
上个世纪四十年代，迈斯纳与奥克森费尔特共同发现了超导体具有抗磁性，即迈斯纳效应。
迈斯纳效应使人们对超导体有了更深层的认识，使人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。
曾经有过一个实验：
将一个体积小，磁性强的永磁体放在一个浅平的锡盘中，将温度逐渐调低到锡盘呈现超导性。
这时可以发现小磁块可以缓缓飘在空中，保持静止状态。
迈斯纳效应在各个领域都有着十分重要的影响力，它可以用来判别物质是否具有超导性。
随着科学的进步，生活物质水平要求的提高，科学家们不断的研究高温超导材料。
在1911年到未来七十多年里，目前发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都能够在不同温度条件下显示出超导性。
如钨的临界温度为0.012K，锌的临界温度为0.75K，铝的临界温度为1.196K，铅的临界温度为7.193K。
而且超导体临界温度的历史数据不断被更新，例如，三十九年前，科学家发现铌三锗的超导临界温度为23.2K。
数年后，又有科学家发现了钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个状况吸引了当时许多科学家对氧化物高温超导陶瓷的研究。
1986年，中科院院士赵忠贤教授通过努力，获得了起始临界温度为48.6K的锶镧铜氧化物。
1987年春，美籍华裔科学家朱经武教授获得了起始临界温度为90K的高温超导陶瓷。
同年，中国科学院发现了起始临界温度为93K的8种钡钇铜氧化物。
次年，中国科学院公布了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。
这些成果显示了我国高温超导材料的发展与研究在国际上有着十分重要的影响力。
高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模的国际化应用。
2超导的基本特性以及介绍
2.1超导的分类
目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种，而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种。
超导体方可以分为两类：
第一类超导体和第二类超导体。
第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作"
软超导体"
。
其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。
第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。
除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。
第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。
理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。
非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。
在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。
2.2超导的特点
零电阻性
当超导材料处在超导态时电阻趋向于零，传输电能时无任何损失。
如果磁场在超导环中感应出电流，这一电流将永不衰减，一直保持下去。
这种“持续电流”已被许多科学家通过实验证明。
超导现象是现代社会的重大发明之一。
科学家发现某物质处在一定的低温状态时，该物质便会失去电阻这一特性。
如铝在1.19K以下时，电阻就变成了零。
完全抗磁性
超导材料处在超导态时，附近的外加磁场强度不能干扰到超导体，那么超导体就有能力把原来存在于体内的磁场排挤出去，而在超导体内磁感应强度就会恒为零。
约瑟夫森效应
两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。
当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。
这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据
同位素效应
超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。
M越大，Tc越低，这称为同位素效应。
例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。
2.3超导的基本临界参数
临界温度
在无外磁场的干扰下，超导材料由正常态转变为超导态（或相反）的温度，称为临界温度，以Tc表示。
Tc的参数因材料不同而不同。
目前已知的超导材料最低临界温度是钨，为0.012K，最高的超导材料的临界温度为100K左右。
临界磁场
当外界磁场强度达到某一强度Hc时，能够使超导材料的超导态破坏而转变到正常态，若磁场强度降低到Hc以下时，超导材料又由正常态转变为超导态，这时的磁场强度称为临界磁场，以Hc表示。
Hc（T）=Hc（0）[1－（T/Tc）2]，其中Hc（0）是温度为0K时的临界磁场强度，Tc是超导材料的临界温度。
临界电流和临界电流密度
当通过超导材料的电流达到某一数值Ic时，也会使超导态破坏而转变为正常态，这时的Ic即为超导材料的临界电流，超导材料的临界温度一般随温度和外界磁场强度的增加而减少。
单位截面积所负荷的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
超导材料的这些参数量值直接决定了许多应用材料的一些条件，因而当今人们研究的重要课题便是探索和发现更多高参数量值的现代化新型超导材料。
以临界温度为例，从1911年荷兰科学家昂内斯发现超导电性（Hg，Tc=4.2K）起，随后的几十年里，科学家发现的最高的临界温度达到23.2K（Nb3Ge，1973）。
1986年瑞士物理学家米勒和联邦德国物理学家贝得诺尔慈共同发现了新型氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将临界温度提高到35K。
之后不久，新材料的临界温度已上升到100K左右。
这种突破为超导材料在许多领域的应用提供了重大的帮助，米勒和贝得诺尔慈也荣获1987年诺贝尔物理学奖。
3氧化物超导材料的基本介绍
3.1氧化物超导的定义：
即含氧元素的化合物超导体，它们大都是层状结构，具有单层或
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