功能材料概论-纳米材料.ppt

1、 纳米材料的主要研究内容纳米材料的主要研究内容 纳米材料以维数分类纳米材料以维数分类 0 0 维维 空间三维尺寸均在纳米尺度（纳米尺度颗粒、原子空间三维尺寸均在纳米尺度（纳米尺度颗粒、原子团簇、纳米尺度孔洞）团簇、纳米尺度孔洞）1 1 维维 空间有二维处于纳米尺度（纳米丝、纳米棒、纳米空间有二维处于纳米尺度（纳米丝、纳米棒、纳米管等）管等）2 2 维维 三维空间有一维在纳米尺度（超薄膜、多层膜、超三维空间有一维在纳米尺度（超薄膜、多层膜、超晶格等）晶格等）纳米复合材料的构成形式纳米复合材料的构成形式 0-00-0复合复合 不同成分、不同相或不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的者不同

2、种类的纳米粒子复合而成的纳米固体纳米固体 0-30-3复合复合 将纳米粒子分散到常将纳米粒子分散到常规的三维固体中规的三维固体中 0-2 0-2复合复合 将纳米粒子分散到二将纳米粒子分散到二维的薄膜材料中维的薄膜材料中 纳米材料主要研究内容纳米材料主要研究内容 原子团簇原子团簇 纳米颗粒纳米颗粒 纳米碳球纳米碳球 纳米碳管纳米碳管 纳米薄膜与纳米涂层纳米薄膜与纳米涂层 纳米固体材料纳米固体材料 纳米复合材料（包括纳米微纳米复合材料（包括纳米微粒与常规材料的复合）粒与常规材料的复合）横向结构尺寸小于横向结构尺寸小于100100nmnm的物的物体；粗糙度小于体；粗糙度小于100100nmnm的表面

3、的表面1.2 1.2 纳米固体的特殊性质纳米固体的特殊性质 基本理论基本理论 电子能级的不连续性电子能级的不连续性 久保（久保（KuboKubo）理论理论 日本科学家日本科学家KuboKubo提出相邻电子能级间距和金属颗粒直径的关系提出相邻电子能级间距和金属颗粒直径的关系=(1/3)(E=(1/3)(EF F/N)V/N)V-1-1 量子尺寸效应量子尺寸效应 当当粒粒子子尺尺寸寸下下降降到到某某一一值值时时，金金属属费费米米能能级级附附近近的的电电子子能能级级由由准准连连续续变变为为离离散散能能级级的的现现象象，纳纳米米半半导导体体微微粒粒存存在在不不连连续续的的最最高高被被占占据据分分子子轨

4、轨道道和和最最低低未未被被占占据据的的分分子子轨轨道道能能级级，能能隙隙变变宽宽的的现现象象均称为量子尺寸效应。均称为量子尺寸效应。当当能能级级间间距距大大于于热热能能、磁磁能能、静静磁磁能能、静静电电能能、光光子子能能量量或或超超导导的的凝凝聚聚态态能能时时，导导致致纳纳米米微微粒粒磁磁、光光、声声、热热、电电以以及及超超导导电电性性与宏观特性的显著不同，这时必须考虑量子尺寸效应。与宏观特性的显著不同，这时必须考虑量子尺寸效应。小尺寸效应小尺寸效应当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或

5、更小时，晶体周期性的边长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米颗粒表面层附近原子密度减小，导界条件将被破坏，非晶态纳米颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。致声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态，超导相向正常相的转变；磁有序态向磁无序态，超导相向正常相的转变；声子谱发生改变。声子谱发生改变。表面与界面效应表面与界面效应 纳米微粒位于表面的原子占相当大的比例。表纳米微粒位于表面的原子占相当大的

6、比例。表面粒子活性高的原因在于它缺少近邻配位的表面粒子活性高的原因在于它缺少近邻配位的表面原子，极不稳定，很容易与其他原子结合。面原子，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构的变化，同时也引起表面电子自子输运和结构的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。旋构象和电子能谱的变化。纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。由于纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。由于颗粒小，纳米微粒表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配颗粒小，纳米微粒表面能高、比表面原子数多

7、，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及纳米微粒体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔位不全，活性大以及纳米微粒体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。化时所增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量（如微微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量（如微 颗颗粒的磁化强度等）具有隧道效应称为宏观量子隧道效应。粒的磁化强度等）具有隧道效应称为宏观量子隧道效应。AV金属金属金属金属绝绝缘缘层层10-8m1.3 纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术 气相法制备纳

8、米微粒气相法制备纳米微粒 气体冷凝法（低压气体中蒸气体冷凝法（低压气体中蒸发法）发法）在低压的氟、氦等情性气体中在低压的氟、氦等情性气体中加热金属，使其蒸发后形成超加热金属，使其蒸发后形成超微粒（微粒（l-1000nml-1000nm）或纳米微粒。或纳米微粒。蒸发材料通常是放在蒸发材料通常是放在W W、MoMo、TaTa等载样台上，故在高温等载样台上，故在高温熔融后形成合金或蒸发源熔融后形成合金或蒸发源的蒸发温度高于发热体的的蒸发温度高于发热体的软化温度。软化温度。常用于常用于AgAg、AlAl、CuCu、AuAu等等低熔点金属的蒸发。低熔点金属的蒸发。电阻加热法电阻加热法特征特征：规模越大，

9、纳规模越大，纳米微粒的粒度越趋于均匀，米微粒的粒度越趋于均匀，缺点是缺点是W W、MoMo、TaTa等高熔等高熔点低蒸汽压的纳米粒子制点低蒸汽压的纳米粒子制备困难备困难 高频感应加热高频感应加热 等离子体加热法等离子体加热法 机理机理等离子体中存在的大量高等离子体中存在的大量高活性物质微粒与反应微粒迅速交换活性物质微粒与反应微粒迅速交换能量，使原料熔化、蒸发，蒸汽遇能量，使原料熔化、蒸发，蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反到周围的气体就会被冷却或发生反应形成纳米微粒。由于等离子体温应形成纳米微粒。由于等离子体温度高，几乎可以制取任何金属的微度高，几乎可以制取任何金属的微粒。粒。对于对于Al、

10、Cu等低熔点金属，由于其等低熔点金属，由于其传热较快，等离子体喷枪输入的大传热较快，等离子体喷枪输入的大部分热量被水冷铜坩埚带走，故生部分热量被水冷铜坩埚带走，故生成速度较小（数十克成速度较小（数十克/h）。激光加热法激光加热法 特点特点 加热源可以放在系统外，不会受蒸加热源可以放在系统外，不会受蒸 发物质的污染发物质的污染 可熔融和蒸发任何物质可熔融和蒸发任何物质 激光照射时物体能否有效地吸收激光是非常重要的问题。一般用激光照射时物体能否有效地吸收激光是非常重要的问题。一般用Nd(nv)Nd(nv)：YAGYAG激光（在激光（在Y Y3 3AlAl3 3O O1212基材中加入基材中加入Nd

11、Nd离子离子 ）来蒸发金属，）来蒸发金属，用平均功率为用平均功率为200200W W的脉冲激光在的脉冲激光在HeHe等惰性气体中进行照射，制备出等惰性气体中进行照射，制备出Fe、Ni、Cr、Ti、Zr、Mo、Ta、W等金属纳米微粒。等金属纳米微粒。爆炸丝法制备纳米粉体爆炸丝法制备纳米粉体 适于工业上连续生产纳米金属、适于工业上连续生产纳米金属、合金和金属氧化物粉体。合金和金属氧化物粉体。工艺参数：惰性气体气压：工艺参数：惰性气体气压：5105106 6PaPa；15kV15kV高压，金属丝在高压，金属丝在500500-800kA-800kA电流下加热。电流下加热。基本原理：金属丝熔断后在电流基

12、本原理：金属丝熔断后在电流中断的瞬间，卡头上的高压在熔中断的瞬间，卡头上的高压在熔断处放电，熔融的金属在发电过断处放电，熔融的金属在发电过程中进一步加热变成蒸汽，在惰程中进一步加热变成蒸汽，在惰性气体碰撞下形成纳米金属或合性气体碰撞下形成纳米金属或合金粒子沉降在容器底部金粒子沉降在容器底部化学气相反应法化学气相反应法CVDCVD法法 利用挥发性的金属氧化物的蒸汽，通过化学反应生成所需要的化合利用挥发性的金属氧化物的蒸汽，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米微粒。物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米微粒。热管炉加热化学气相反应法工艺过程

13、：热管炉加热化学气相反应法工艺过程：局限性局限性反应器内温度梯度小，合成的粒子颗粒大，且易团聚和反应器内温度梯度小，合成的粒子颗粒大，且易团聚和烧结。烧结。反应操作反应操作参量控制参量控制原料处理原料处理成核与生长控制成核与生长控制冷凝控制冷凝控制 激光诱导化学气相反应法激光诱导化学气相反应法 基本原理基本原理利用激光光子能量加热反应体系，气利用激光光子能量加热反应体系，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，迅速完成反体分子或原子在瞬间得到加热、活化，迅速完成反应、成核、凝聚、生长等过程，从而得到相应物质应、成核、凝聚、生长等过程，从而得到相应物质的纳米微粒。的纳米微粒。技术关键技术关键尽量使入

14、射激光光子频率与反应气体尽量使入射激光光子频率与反应气体分子的吸收频率一致；选择大功率激光器作为激光分子的吸收频率一致；选择大功率激光器作为激光热源。热源。特点特点反应器壁是冷的，无潜在的污染；反应器壁是冷的，无潜在的污染；原原料气体分子直接或间接接收激光光子能量后迅速进料气体分子直接或间接接收激光光子能量后迅速进行反应；行反应；反应具有选择性；反应具有选择性；可精确控制反应条可精确控制反应条件；件；有利于生成核粒子快速凝结有利于生成核粒子快速凝结反应气、保护气反应气、保护气激光束激光束反应区反应区反应焰反应焰收集室入口收集室入口冷壁冷壁 溅射法溅射法 用两块金属板分别作为阳极和阴用两块金属板

15、分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入两电极间充入 ArAr气（气（4040250250PaPa），），由于两极间的辉光放由于两极间的辉光放电使电使 ArAr离子形成。在电场的作离子形成。在电场的作用下用下ArAr离子冲击阴极靶材表面，离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着面上形成超微粒子，并在附着面上沉积下来。沉积下来。化学蒸发凝聚法化学蒸发凝聚法 利利用用高高纯纯惰惰性性气气作作为为载载气气，携携带带有有机机高高分分子子原原料料，例例如如六六甲甲基基二二硅硅烷烷，进进人人钼钼丝丝炉炉，温温度

16、度为为 1 11 10 00 01 14 40 00 0，气气氛氛的的压压力力保保持持在在 1 10 00 01 10 00 00 0P Pa a的的低低气气压压状状态态，在在此此环环境境下下原原料料热热解解形形成成团团簇簇进进一一步步凝凝聚聚成成纳纳米米级级颗颗粒粒，最最后后附附着着在在一一个个内内部部充充满满液液氮氮的的转转动动的的衬衬底底上上，经经刮刮刀刀刮刮下下进进行行纳纳 米米 粉粉 体体 收收 集集。液相法制备纳米微粒液相法制备纳米微粒 沉淀法沉淀法 包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂后，或于包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂后，或于一定温度下使溶液发生水解

17、，形成不溶性的氢氧化物或盐类从溶液一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶液中原有的阴离子洗去，经热分解即得到所需的氧中析出，并将溶液中原有的阴离子洗去，经热分解即得到所需的氧化物粉料。化物粉料。喷雾法喷雾法 喷雾干燥法喷雾干燥法 将金属盐水溶液或氢氧化物溶胶送入雾化器，由喷嘴高速喷将金属盐水溶液或氢氧化物溶胶送入雾化器，由喷嘴高速喷入干燥室获得了金属盐或氧化物的微粒，收集后再焙烧成所需要入干燥室获得了金属盐或氧化物的微粒，收集后再焙烧成所需要成分的超微粒子。成分的超微粒子。雾化水解法雾化水解法 将一种盐的超微粒子，由惰性气体载入含有金属醇盐的蒸气将一种盐的超微

18、粒子，由惰性气体载入含有金属醇盐的蒸气室，金属醇盐蒸气附着在超微粒的表面，与水蒸气反应分解后形室，金属醇盐蒸气附着在超微粒的表面，与水蒸气反应分解后形成氢氧化物微粒，经焙烧后获得氧化物的超细微粒。成氢氧化物微粒，经焙烧后获得氧化物的超细微粒。溶胶一凝胶法（胶体化学法）溶胶一凝胶法（胶体化学法）基本原理：将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合凝胶基本原理：将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合凝胶化，再化，再 将凝胶干燥、煅烧，最后得到无机材料。将凝胶干燥、煅烧，最后得到无机材料。溶胶的制备；溶胶的制备；溶胶一疑胶转化溶胶一疑胶转化 ；凝胶干燥。凝胶干燥。溶胶溶胶凝胶法的优缺点：凝胶法的优缺

19、点：化化学学均均匀匀性性好好；纯纯度度高高；该该法法可可容容纳纳不不溶溶性性组组分分或或不不沉沉淀组分淀组分 烘烘干干后后容容易易形形成成硬硬团团聚聚现现象象，凝凝胶胶颗颗粒粒之之间间烧烧结结性性差差，块块体体材材料烧结性不好，干燥时收缩大。料烧结性不好，干燥时收缩大。纳米固体（块体、膜）的制备方法纳米固体（块体、膜）的制备方法 纳米金属与合金材料的制备法纳米金属与合金材料的制备法 惰性气体蒸发、原位加压制备法惰性气体蒸发、原位加压制备法制备纳米金属固体的一般步骤：制备纳米金属固体的一般步骤：制备纳米颗粒；制备纳米颗粒；颗粒收集；颗粒收集；压制成块体。为了防止氧化，上述步骤压制成块体。为了防止

20、氧化，上述步骤一般都是在真空中（一般都是在真空中（1010-6-6PaPa）进行。进行。1.4 纳米微粒表面修饰纳米微粒表面修饰 表面修饰的目的表面修饰的目的 改善或改变纳米粒子的分散性改善或改变纳米粒子的分散性 提高微粒表面活性提高微粒表面活性 使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能 改善纳米粒子与其它物质之间的相容性改善纳米粒子与其它物质之间的相容性 纳米微粒表面修饰的主要研究内容纳米微粒表面修饰的主要研究内容 研究超微粒子的表面特性，进行有针对性的改性处理研究超微粒子的表面特性，进行有针对性的改性处理 对粒子的表面特性进行综合分析

21、评估对粒子的表面特性进行综合分析评估 确定表面修饰的类型以及表面处理工艺确定表面修饰的类型以及表面处理工艺 纳米微粒表面物理修饰纳米微粒表面物理修饰 通过范德华力将异质材料吸附在纳米微粒表面，可防止纳米微粒通过范德华力将异质材料吸附在纳米微粒表面，可防止纳米微粒的团聚的团聚 采用表面活性剂修饰纳米粉体表面消除粉末的硬团聚采用表面活性剂修饰纳米粉体表面消除粉末的硬团聚 表面活性剂在水溶液中的两种基本的物理化学作用：表面活性剂在水溶液中的两种基本的物理化学作用：吸附和降低表面吸附和降低表面张力；张力；胶团化作用胶团化作用 根据一些无机氧化物或氢氧化物的零电点并控制溶液的根据一些无机氧化物或氢氧化物

22、的零电点并控制溶液的PHPH值，通过表面值，通过表面活性剂吸附获得有机化改性活性剂吸附获得有机化改性 例：例：TiOTiO2 2的零电点的零电点PHPH值相对较低（约值相对较低（约5.85.8），而），而AlAl2 2O O3 3的零电点的零电点PHPH值较高，值较高，在钛白浆中加入铝盐或偏铝酸钠，与在钛白浆中加入铝盐或偏铝酸钠，与TiOTiO2 2表面表面AlAl+3+3能形成难溶性盐的表面能形成难溶性盐的表面活性剂活性剂 纳米微粒表面化学修饰纳米微粒表面化学修饰 酯化反应法酯化反应法金属氧化物与醇的反应称为酯化反应。利用酯化金属氧化物与醇的反应称为酯化反应。利用酯化反应对纳米微粒表面修饰改

23、性可使原来亲水疏油的表面变成亲反应对纳米微粒表面修饰改性可使原来亲水疏油的表面变成亲油疏水的表面。油疏水的表面。偶联剂法偶联剂法经偶联剂处理后的无机纳米粒子与有机物进行复合经偶联剂处理后的无机纳米粒子与有机物进行复合时有很好的相容性。有效的偶联剂分子结构应是一端能与无机时有很好的相容性。有效的偶联剂分子结构应是一端能与无机表面进行化学反应，另一端能与有机物或高聚物起反应或有相表面进行化学反应，另一端能与有机物或高聚物起反应或有相容性的双功能基团化合物。容性的双功能基团化合物。钛酸酯偶联剂：钛酸酯偶联剂：广泛用于广泛用于Al(OH)Al(OH)3 3、Mg(OH)Mg(OH)2 2、白碳黑、白碳

24、黑、CaCOCaCO3 3等粉体的表面改性。等粉体的表面改性。铝酸酯偶联剂：铝酸酯偶联剂：多用于处理多用于处理CaCOCaCO3 3粉体粉体AlAl2 2O O3 3等有离子性的粉体。等有离子性的粉体。1.5 纳米材料的显微分析技术纳米材料的显微分析技术 STMSTM方法（扫描隧道显微技术）方法（扫描隧道显微技术）原子力显微技术原子力显微技术 俄歇电子能谱俄歇电子能谱 XPSXPS技术（光电子能谱）技术（光电子能谱）X X射线分析技术射线分析技术 电子显微分析技术（透射电镜、扫描电镜）电子显微分析技术（透射电镜、扫描电镜）振动光谱技术（红外光谱、拉曼光谱）振动光谱技术（红外光谱、拉曼光谱）激光

25、粒度分析仪（纳米材料的颗粒度分析）激光粒度分析仪（纳米材料的颗粒度分析）工作原理工作原理 STMSTM是利用隧道效应工作的是利用隧道效应工作的.当当金属针尖与被测样品之间的距离小金属针尖与被测样品之间的距离小到到1nm1nm左右时左右时,就会出现隧道效应就会出现隧道效应,电子从一个电极穿过空间势垒到达电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流另一电极形成电流.因此，针尖在因此，针尖在被测样品表面做平方扫描时，即使被测样品表面做平方扫描时，即使表面只有原子尺度的起伏，也会导表面只有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著的变化。致隧道电流非常显著的变化。恒电流模式恒电流模式：针尖扫描过程中，

26、控制隧道电流保持不变，为维持恒定针尖扫描过程中，控制隧道电流保持不变，为维持恒定的隧道电流，针尖作上下运动的轨迹即为样品的表面形貌的隧道电流，针尖作上下运动的轨迹即为样品的表面形貌(图图a)a)。恒高模式恒高模式：针尖作恒高的平面扫描针尖作恒高的平面扫描,通过测量电流的变化来反映表面通过测量电流的变化来反映表面原子尺度的起伏原子尺度的起伏(图图b).b).ZxIxba STM技术技术 STMSTM图像解释图像解释 STMSTM图像并不直接反映表面原子核的位置。图像并不直接反映表面原子核的位置。STMSTM图像反映的是样品表面的局域电子结构和遂穿势垒的空间变图像反映的是样品表面的局域电子结构和遂

27、穿势垒的空间变化，与表面原子核的位置没有直接的关系，不能将观测到的表面化，与表面原子核的位置没有直接的关系，不能将观测到的表面高低起伏简单地归结为原子的排布结构。高低起伏简单地归结为原子的排布结构。针尖电子态的影响针尖电子态的影响 隧道电流由样品电子态和针尖电子态的卷积决定。在针尖电子态隧道电流由样品电子态和针尖电子态的卷积决定。在针尖电子态参与成像的情况下，金属表面的参与成像的情况下，金属表面的STMSTM图象常常是颠倒的，即对应于图象常常是颠倒的，即对应于原子的位置显示的是凹陷而不是突起。原子的位置显示的是凹陷而不是突起。STSSTS谱谱（扫描隧道谱扫描隧道谱）STM能够提供原子级分辨的表

28、面形貌信息，这种信息实能够提供原子级分辨的表面形貌信息，这种信息实际上反映的是一种原子表面的态密度。因为隧道电流反际上反映的是一种原子表面的态密度。因为隧道电流反映了样品表面的局域态密度，所以映了样品表面的局域态密度，所以STMSTM可用于测量原子级可用于测量原子级分辨的谱学性质，称为扫描隧道显微谱。分辨的谱学性质，称为扫描隧道显微谱。STS谱测量可以得到关于样品表面或待测物体的化学组成谱测量可以得到关于样品表面或待测物体的化学组成、成键状态、能隙、能带弯曲效应和表面吸附等方面的、成键状态、能隙、能带弯曲效应和表面吸附等方面的细节。细节。导带能级位置导带能级位置 EcbEcb=-0.63eV=

29、-0.63eV价带能级位置价带能级位置 EvbEvb=+1.00eV=+1.00eV 禁带宽度禁带宽度 EgEg=+1.00-(-0.63)=1.63eV=+1.00-(-0.63)=1.63eVThe STS spectra of TiN film I V curve;d I/d V curve XRD技术技术测定纳米晶粒大小测定纳米晶粒大小 对晶粒度小于对晶粒度小于100nm100nm的粉体，可用的粉体，可用Scherrer公式计算晶粒大小公式计算晶粒大小:D=k/B1/2cosD D晶粒大小晶粒大小(沿晶面垂直方向的厚度沿晶面垂直方向的厚度nm)nm)kScherrer常数，一般取常数，

30、一般取0.89X射线的波长射线的波长(nm)B1/2衍射峰的半高宽衍射峰的半高宽(弧度弧度)2.1 基本概念及理论基本概念及理论 形成超导态的必要条件形成超导态的必要条件 在在材材料料中中形形成成库库柏柏电电子子对对，这这些些库库柏柏对对可可以以理理解解为为凝凝聚聚的的超超导导电电子子。当当库库柏柏对对全全部部拆拆散散成成正正常常电电子子，则则超超导导态态即即转转变变成成正正常常态态。库柏对的集合导致了超导电性，此即超导态的物理图象。库柏对的集合导致了超导电性，此即超导态的物理图象。库库柏柏电电子子对对：当当两两电电子子之之间间存存在在的的净净的的吸吸引引作作用用超超过过了了电电子子之之间间的

31、的库库仑仑排排斥斥作作用用而而表表现现为为相相互互吸吸引引时时，这这两两个个电电子子称称为为库库柏柏电电子子对对。组组成成库库柏柏电电子子对对的的两两个个电电子子的的总总能能量量低低于于2 2E EF F，将将一一个个库库柏柏对对拆拆散为两个正常电子时，至少需要散为两个正常电子时，至少需要22的能量。的能量。2.超导材料超导材料 超导电性产生的根源：超导电性产生的根源：电子与晶格点阵之间的相互作用。电子与晶格点阵之间的相互作用。在量子力学建立以后，人们很快认识到不能在量子力学建立以后，人们很快认识到不能将电子看作在电场中运动的粒子，而应把电将电子看作在电场中运动的粒子，而应把电子看成是在原子实

32、点阵的周期势场中的波。子看成是在原子实点阵的周期势场中的波。电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而造成局部正离子的相对集有吸引作用，从而造成局部正离子的相对集中，导致对另外电子的吸引作用，这种作用中，导致对另外电子的吸引作用，这种作用叫做电子叫做电子-声子相互作用。声子相互作用。相干长度：相干长度：当一个电子从金属的正常态移动到超导态区时，用相干长当一个电子从金属的正常态移动到超导态区时，用相干长度来描述形成的库柏电子对之间的距离，这个长度可以扩展到度来描述形成的库柏电子对之间的距离，这个长度可以扩展到1010-6-6m m的的空间内。如在

33、绝对零度下几种物质的相干长度为空间内。如在绝对零度下几种物质的相干长度为（nm）：）：Al：1500Nb：60 Ti：270 Nb-Ti：30 Sn：30 超导机理超导机理 物质处于超导态与正常态的区别：物质处于超导态与正常态的区别：超导态在费米能级附近有超导态在费米能级附近有一宽度为一宽度为的能量间歇，在此间歇内禁止电子占据。在绝对的能量间歇，在此间歇内禁止电子占据。在绝对零度下，处于能歇下边缘以下的各能态全被占据，而能歇上零度下，处于能歇下边缘以下的各能态全被占据，而能歇上边缘以上的各能态全空着。该状态为超导基态。边缘以上的各能态全空着。该状态为超导基态。当正常金属载流时，将会出现电阻，因当正常金属载流时，将会出现电阻，因为电子会受到散射而改变动量，使这些为电子会受到散射而改变动量，使这些载流电子沿电场方向的自由加速受到阻载流电子沿电场方向的自由加速受到阻碍；而在超导体情况下，组成库柏