材料物理材料的电学性能PPT学习教案.pptx

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1、会计学1材料材料(cilio)物理材料物理材料(cilio)的电学的电学性能性能第一页，共131页。主要主要(zhyo)内容内容6.1导电性导电性6.2超导性超导性6.3热传导与热电效应热传导与热电效应(rdinxioyng)6.4材料的介电性能材料的介电性能第1页/共131页第二页，共131页。6.1 导电性导电性l自由电子近似下的导电自由电子近似下的导电l能带理论下的导电性能带理论下的导电性l导电性与温度导电性与温度(wnd)的关系的关系l电阻率与杂质的关系电阻率与杂质的关系l霍尔效应霍尔效应l电导功能材料电导功能材料第2页/共131页第三页，共131页。自由电子自由电子(zyudinz)

2、近似下的导电近似下的导电（1）经典自由电子理论）经典自由电子理论 欧姆定律：电流密度与电场强度成正比：欧姆定律：电流密度与电场强度成正比：J=E：称为电导率，电阻率：称为电导率，电阻率的倒数。的倒数。经典自由电子理论：当有电场存在时，材料中无规则热运动的自由经典自由电子理论：当有电场存在时，材料中无规则热运动的自由电子受电场力作用作加速运动。当电子与晶格原子碰撞时停止，运电子受电场力作用作加速运动。当电子与晶格原子碰撞时停止，运动受到阻力，即电阻的来源。动受到阻力，即电阻的来源。设电场强度为设电场强度为E，单位体积内的自由电子数为，单位体积内的自由电子数为n，电子两，电子两次碰撞的平均自由时间

3、（弛豫时间）为次碰撞的平均自由时间（弛豫时间）为 ，电子的平均漂移速度为，电子的平均漂移速度为v，电子的电量，电子的电量(dinling)为为e，质量为，质量为m,则价电子受到的力则价电子受到的力第3页/共131页第四页，共131页。所以所以(suy)有有电流密度电流密度所以所以(suy)电导率电导率其中其中l=v为电子的平均自由程。为电子的平均自由程。成功成功(chnggng)地给出了电导率和电导率与热导率的地给出了电导率和电导率与热导率的关系，但实际测得的电子平均自由程比经典理论估计的要大得关系，但实际测得的电子平均自由程比经典理论估计的要大得多，且无法解释导体、半导体和绝缘体的差异。多，

4、且无法解释导体、半导体和绝缘体的差异。第4页/共131页第五页，共131页。（2）量子自由电子）量子自由电子(z yu din z)理论理论l考虑量子效应，在自由电子近似考虑量子效应，在自由电子近似(jn s)下，仅费米面附近下，仅费米面附近的电子运动未被抵消，对导电性有贡献。的电子运动未被抵消，对导电性有贡献。在此情况在此情况(qngkung)下下与经典自由电子理论下的电导率的形式与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。相同。F,lF,vF分别是费米面附近的电子的分别是费米面附近的电子的弛豫时间、平均自由程和运动速度。弛豫时间、平均自由程和运动速度。l按此模型可以成功地解释碱金属的电导。按此

5、模型可以成功地解释碱金属的电导。l但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂，电子分布不是简单的费米球，必须用但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂，电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才能解释其导电性。能带理论才能解释其导电性。第5页/共131页第六页，共131页。l 实际晶体的电子是以布洛赫波传导，电子的能量分布实际晶体的电子是以布洛赫波传导，电子的能量分布(fnb)服从费服从费米米狄拉克统计。狄拉克统计。自由电子模型自由电子模型(mxng)的费的费米球和米球和费米费米-狄拉克分布函数狄拉克分布函数对于自由电子近似，电子处于动量对于自由电子近似，电子处于动量空间空间(Px，Py，Pz)

6、中，从原点开始，中，从原点开始，每个体积中依次占有两个电子，每个体积中依次占有两个电子，n个电个电子处于填满球形的状态。子处于填满球形的状态。这个球称为这个球称为(chnwi)费米球，费米球，球表面称为球表面称为(chnwi)费米面，球表费米面，球表面上的电子能量面上的电子能量(最大的电子能最大的电子能)称为称为(chnwi)费米能。费米能。第6页/共131页第七页，共131页。在有限温度下，热激发在有限温度下，热激发(jf)引起球面混乱，即电子的占有引起球面混乱，即电子的占有几率服从费米几率服从费米狄拉克统计分布：狄拉克统计分布：热激发引起的电子占有几率热激发引起的电子占有几率(jl)小于小

7、于1的能量幅为的能量幅为kT(T300K时为时为0.025eV)。费米能为几个费米能为几个ev，因此，即使在有限温度，费米球混乱也只，因此，即使在有限温度，费米球混乱也只在最表面。在最表面。第7页/共131页第八页，共131页。l如果不施加电场，电子作各向同性运动，没有电流流动如果不施加电场，电子作各向同性运动，没有电流流动(lidng)；l如果在某个方向上施加一个电压，电子的速度分布应该偏向该方向，如果在某个方向上施加一个电压，电子的速度分布应该偏向该方向，有净电流流动有净电流流动(lidng)。弛豫时间：系统恢复到平衡状态的时间。弛豫时间：系统恢复到平衡状态的时间。弛豫时间弛豫时间是电子能

8、量的函数，以费米是电子能量的函数，以费米(fi m)能级电子的弛豫时能级电子的弛豫时间控制。间控制。电导率电导率第8页/共131页第九页，共131页。l自由电子自由电子(z yu din z)近似对碱金属等纯金属成立，但对过镀近似对碱金属等纯金属成立，但对过镀金属等具有复杂电子结构的金属不成立，这类金属的导电性必须根金属等具有复杂电子结构的金属不成立，这类金属的导电性必须根据能带理论处理。据能带理论处理。自由自由(zyu)近似电子的近似电子的E-K曲线曲线电子电子(dinz)有效质有效质量量m*由德布罗意关系式由德布罗意关系式和和得得即采用即采用E-K曲线的曲率决定电子的有效质量。曲线的曲率决

9、定电子的有效质量。第9页/共131页第十页，共131页。有效有效(yuxio)电电子数子数n*设一维晶格设一维晶格(jn)的长度为的长度为L，dk范围内包含的电子数为范围内包含的电子数为(L/2)dk,则则n*只由费米只由费米(fim)水平上的水平上的E-K曲线的形状决定。曲线的形状决定。u自由电子情况下的自由电子情况下的E-K曲线是抛物线，但一般情况下却不是抛曲线是抛物线，但一般情况下却不是抛物线。因此物线。因此根据根据E-K曲线的形状决定曲线的形状决定n*将会有很大的变化将会有很大的变化。第10页/共131页第十一页，共131页。能带理论能带理论(lln)下的导电性下的导电性在能带理论在能

10、带理论(lln)下，有下，有 n*：有效电子数，表示单位体积内实际参加传导过程的电子数；：有效电子数，表示单位体积内实际参加传导过程的电子数；m*：电子的有效质量：电子的有效质量(zhling)，是考虑晶体点阵对电场作用，是考虑晶体点阵对电场作用的结果。的结果。l该公式不仅适用于金属，也适用于非金属该公式不仅适用于金属，也适用于非金属。对碱金属，。对碱金属，n*=n，m*=m，即与自由电子的假设形式相同。，即与自由电子的假设形式相同。l不同的材料有不同的不同的材料有不同的n*，导致其导电性的很大差异，导致其导电性的很大差异。第11页/共131页第十二页，共131页。(1)一价元素一价元素(yu

11、ns)IA族碱金属族碱金属Li,Na,K,Rb,Cs和和IB族族Cu,Ag,Au价带价带s电子电子(dinz)半充满，良导体。电阻率半充满，良导体。电阻率=10-610-2m第12页/共131页第十三页，共131页。(2)二价二价(rji)元素元素IIA族碱土金属族碱土金属(jintjnsh)Be,Mg,Ca,Sr,Ba和和IIB族族Zn,Cd,Hg价带价带s 电子充满，应为绝缘体。但在三维晶体电子充满，应为绝缘体。但在三维晶体(jngt)，能带，能带交叠，费米能级以上无禁带，导体。交叠，费米能级以上无禁带，导体。第13页/共131页第十四页，共131页。(3)三价元素三价元素(yun s)I

12、IIA 族族Al,Ga,In,Tl，s电子充满电子充满(chngmn)，p电子电子半充满半充满(chngmn)，导体。，导体。(4)四价元素四价元素(yun s)IVA族族Si,Ge，价带填满，导带空，有能隙，价带填满，导带空，有能隙Eg。l对对Si,Ge,Eg分别为分别为0.67eV,1.14eV，室温下价带电子受热激发进，室温下价带电子受热激发进入导带，成为传导电子入导带，成为传导电子低温下绝缘体，室温下半导体。低温下绝缘体，室温下半导体。温度升高，导电性增加温度升高，导电性增加。第14页/共131页第十五页，共131页。(5)五价元素五价元素(yun s)lAs,Sb,Bi，每个原子，每

13、个原子(yunz)有有5个价电子，每个原胞有两个原个价电子，每个原胞有两个原子子(yunz)，使五个带填，使五个带填10个电子，几乎全满。有效电子很少，个电子，几乎全满。有效电子很少，比一般金属少比一般金属少4个数量级个数量级半金属半金属第15页/共131页第十六页，共131页。(6)离子离子(lz)晶体晶体l能带结构与四价元素能带结构与四价元素(yun s)相同，但相同，但Eg很大，一般有效很大，一般有效电子数是电子数是0，为绝缘体。，为绝缘体。l例：例：NaCl，Na+的的3s 电子移到电子移到Cl-的的3p 轨道，轨道，3s 成为空成为空带，带，3p成为满带，其间是成为满带，其间是10e

14、V的禁带，热激发不能使之进的禁带，热激发不能使之进入导带。入导带。第16页/共131页第十七页，共131页。导电性与温度导电性与温度(wnd)的关系的关系电阻的来源电阻的来源能带理论认为：能带中的电子可在晶格中自由能带理论认为：能带中的电子可在晶格中自由(zyu)运动，因此电运动，因此电子波通过理想晶体点阵子波通过理想晶体点阵(0K）时不受散射，电阻为）时不受散射，电阻为0。电阻的来源：破坏晶格周期性的因素对电子的散射。电阻的来源：破坏晶格周期性的因素对电子的散射。A.杂质和缺陷（空位、间隙原子、位错、晶界等）。杂质和缺陷（空位、间隙原子、位错、晶界等）。B.声子：晶格振动波的能量子。声子：晶

15、格振动波的能量子。u晶格热振动：晶体中的原子以平衡晶格热振动：晶体中的原子以平衡位置为中心不停地振动，在弹性范位置为中心不停地振动，在弹性范围内交替围内交替(jiot)聚拢和分离。聚拢和分离。u晶格热振动有波的形式，称为晶格晶格热振动有波的形式，称为晶格波（点阵波），其能量是量子化的。波（点阵波），其能量是量子化的。第17页/共131页第十八页，共131页。弛豫时间弛豫时间F：平均自由程平均自由程F：有点：有点(yudin)缺陷、位错和晶界等晶体缺陷决缺陷、位错和晶界等晶体缺陷决定。定。第18页/共131页第十九页，共131页。电阻与温度电阻与温度(wnd)的关系的关系对理想晶体，由于只有声子

16、散射电子，所以电子的平均对理想晶体，由于只有声子散射电子，所以电子的平均(pngjn)自由程自由程lF由声子数目决定。声子数目随温度升高而增多，在不同由声子数目决定。声子数目随温度升高而增多，在不同的温度范围有不同的规律。的温度范围有不同的规律。第19页/共131页第二十页，共131页。导电性与温度的关系导电性与温度的关系高温高温(gown)时的时的电阻电阻德拜温度德拜温度TD：具有原子间距波长的声子被激发的温度。：具有原子间距波长的声子被激发的温度。声子的波长越长，能量越低；低温下只有长波长的声子被声子的波长越长，能量越低；低温下只有长波长的声子被热激发。热激发。爱因斯坦近似：温度远大于爱因

17、斯坦近似：温度远大于TD时原子是以稳定位置时原子是以稳定位置(wi zhi)为为中心独立振动的状态。中心独立振动的状态。各种原子的振动频率称为爱因斯坦频率。在晶体中等于德各种原子的振动频率称为爱因斯坦频率。在晶体中等于德拜频率拜频率:第20页/共131页第二十一页，共131页。对于热平衡状态下的谐振子，能量对于热平衡状态下的谐振子，能量KT/2分别被分配到平均分别被分配到平均动能和势能动能和势能(shnng)中。中。设振幅为设振幅为x，势能，势能(shnng)的平均值为的平均值为222DM（M 为原子质量）为原子质量）,温度为温度为T时振幅的均方值时振幅的均方值 为为因电子运动的平均自由程因电

18、子运动的平均自由程F与散射的横截面积成正比，且认为原子与散射的横截面积成正比，且认为原子热振动热振动(zhndng)引起的散射横截面积与引起的散射横截面积与成正比，因此成正比，因此可见电阻可见电阻(dinz)与温度成正比，与温度成正比，即：即：导电性与温度的关系导电性与温度的关系高温时的电阻高温时的电阻(T2TD/3的高温的高温)第21页/共131页第二十二页，共131页。导电性与温度的关系导电性与温度的关系(gunx)低温时的电阻低温时的电阻低温即低温即T远低于远低于TD下，爱因斯坦近似不成立。须处理电下，爱因斯坦近似不成立。须处理电子波与声子的能量子波与声子的能量(nngling)互换。低

19、温时的电阻的推导互换。低温时的电阻的推导结果如下：结果如下：根据低温晶格振动的德拜近似根据低温晶格振动的德拜近似(jn s)，被激发的声子数和，被激发的声子数和T3成正比，且低温时被激发的声子波长很长，其动量远比费米成正比，且低温时被激发的声子波长很长，其动量远比费米级电子的动量小，因此一次散射产生的电子散射角很小。级电子的动量小，因此一次散射产生的电子散射角很小。设平均散射时间为设平均散射时间为C，电阻表达式中的弛豫时间，电阻表达式中的弛豫时间：与与T成正比。成正比。第22页/共131页第二十三页，共131页。导电性与温度的关系导电性与温度的关系低温低温(dwn)时的电时的电阻阻另一方面，另

20、一方面，C与声子数（与声子数（T3）成反比，因此变成）成反比，因此变成T5，即低温即低温(dwn)时的电阻则为时的电阻则为(T1.2GPa），），电阻率降低；电阻率降低；反常金属反常金属：随压力（：随压力（1.2GPa），电），电阻率升高；阻率升高；这是由于这是由于原子间距缩小，内部原子间距缩小，内部缺陷状态、电子结构、费米能和缺陷状态、电子结构、费米能和能带结构都会发生变化能带结构都会发生变化。具体情。具体情况需仔细分析。况需仔细分析。第28页/共131页第二十九页，共131页。压力可引起绝缘体金属压力可引起绝缘体金属(jnsh)转变！转变！金属电阻的其他影响金属电阻的其他影响(yngxin

21、g)因素因素压压力力一些半导体和绝缘体转变为导体的压力一些半导体和绝缘体转变为导体的压力(yl)极限极限第29页/共131页第三十页，共131页。金属电阻的其他影响金属电阻的其他影响(yngxing)因素因素冷冷加工加工正常情况：冷加工将导致金属电阻率增加正常情况：冷加工将导致金属电阻率增加纯金属（纯金属（Fe，Cu，Ag，Au）：）：26W可达可达50，Mo可达可达20，有序固溶体可达，有序固溶体可达100以上。以上。原因：冷加工导致的晶格畸变、晶体缺陷引起原因：冷加工导致的晶格畸变、晶体缺陷引起(ynq)，能增加电子散，能增加电子散射几率。射几率。反常情况：反常情况：Ni-Cr，Ni-Cu

22、-Zn等。原因：等。原因：K态有关。态有关。冷加工将导致材料冷加工将导致材料(cilio)剩余电阻率增加。剩余电阻率增加。第30页/共131页第三十一页，共131页。点缺陷引起的剩余点缺陷引起的剩余(shngy)电阻率变化远大于线缺陷引起的变化。电阻率变化远大于线缺陷引起的变化。金属电阻的其他金属电阻的其他(qt)影响因素影响因素缺陷缺陷低浓度碱金属的剩余低浓度碱金属的剩余(shngy)电阻电阻第31页/共131页第三十二页，共131页。金属电阻的其他金属电阻的其他(qt)影响因素影响因素位错位错一般金属在形变量为一般金属在形变量为8时，位错密度为时，位错密度为105108/cm2再结晶温度退

23、火，位错大量湮灭，因而此时再结晶温度退火，位错大量湮灭，因而此时(c sh)位错的影响可忽位错的影响可忽略略4.2K时位错密度时位错密度(md)对电阻的影响对电阻的影响(a)Fe,(b)Mo第32页/共131页第三十三页，共131页。霍尔效应霍尔效应(xioyng)霍尔效应：将金属导体放在与通过霍尔效应：将金属导体放在与通过(tnggu)它的电流方向垂它的电流方向垂直的磁场内，则在横跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的磁场内，则在横跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的电场。直的电场。霍尔场霍尔场霍尔系数：表征霍尔系数：表征(bio zhn)霍尔场的物理参数霍尔场的物理参数霍尔效应示意图

24、霍尔效应示意图导体处于电场导体处于电场Ex和磁场和磁场Hs中，电子运动速度中，电子运动速度为为vx，则有电场，则有电场Ey产生。产生。第33页/共131页第三十四页，共131页。霍尔效应产生霍尔效应产生(chnshng)的原因：磁与电的相互作用的原因：磁与电的相互作用在在试试样样的的x方方向向上上施施加加电电场场Ex，同同时时在在与与x垂垂直直的的方方向向上上施施加加磁磁场场Hz，产生洛伦兹力对运动的电子，产生洛伦兹力对运动的电子(dinz)起作用起作用电电子子在在y方方向向上上也也受受力力，稳稳定定状状态态下下，在在y方方向向上上发发生生电电子子的的极极化化，极极化化的的电电场场与与洛洛伦伦

25、兹兹力力处处于于平平衡衡状状态态，即即在在y上上产产生感应生感应(gnyng)电压电压第34页/共131页第三十五页，共131页。由于由于(yuy)Jx=-nevx，霍尔系数：霍尔系数：Ey/Hx若是自由电子若是自由电子(z yu din z)的状态下，则通过测定霍尔系数可求出电子浓度的状态下，则通过测定霍尔系数可求出电子浓度n。测定霍尔系数在确定半导体载流子类型和浓度的测定中是不可缺少的。测定霍尔系数在确定半导体载流子类型和浓度的测定中是不可缺少的。霍尔系数为负则由电子传导，霍尔系数为正则由空穴传导，这里的空穴霍尔系数为负则由电子传导，霍尔系数为正则由空穴传导，这里的空穴是指价电子带中的电子

26、被抽去的状态。是指价电子带中的电子被抽去的状态。金属中霍尔系数为正的情形也很多金属中霍尔系数为正的情形也很多(Zn，Fe等等)，由于这些，由于这些(zhxi)金属金属的能带结构具有复杂形状，从实际效果看，空穴处于控制传导的状态。的能带结构具有复杂形状，从实际效果看，空穴处于控制传导的状态。第35页/共131页第三十六页，共131页。其中其中(qzhng)霍尔系数霍尔系数(xsh)变为变为根据金属的原子价和密度，可得出单位体积根据金属的原子价和密度，可得出单位体积(tj)中的自中的自由电子数由电子数(n)。霍尔系数只与金属中的自由电子密度有关；霍尔系数只与金属中的自由电子密度有关；霍尔效应证明了

27、金属中存在自由电子，它是电荷的载体；霍尔效应证明了金属中存在自由电子，它是电荷的载体；对典型金属，其理论计算与实验测定结果一致。对典型金属，其理论计算与实验测定结果一致。第36页/共131页第三十七页，共131页。u应用应用uA.证明了金属中有自由电子证明了金属中有自由电子(z yu din z)，是电荷的载体。，是电荷的载体。uB.对自由电子对自由电子(z yu din z)的情形，可以用测量的情形，可以用测量RH计算计算电子密度。电子密度。uC.可用测量可用测量RH判断半导体载流子的类型。判断半导体载流子的类型。u RH0 自由电子自由电子(z yu din z)导电导电u RH0 空穴导

28、电空穴导电u u 实验表明金属中也有实验表明金属中也有RH0的情形，如的情形，如Zn,Fe等，即不等，即不是简单的自由电子是简单的自由电子(z yu din z)导电，因其能带结构复杂，导电，因其能带结构复杂，可能由空穴控制传导。可能由空穴控制传导。第37页/共131页第三十八页，共131页。反常反常RH，即，即R0推动了金属中电子推动了金属中电子(dinz)状态状态的研究的研究第38页/共131页第三十九页，共131页。电导电导(dindo)功能材料功能材料仅对导电材料仅对导电材料(cilio)、电阻材料、电阻材料(cilio)、电触、电触点材料点材料(cilio)作简介作简介(1)导电导电

29、(dodin)材料材料常用的有常用的有Cu,Al。Cu导线一般为电解铜，提高纯度。导线一般为电解铜，提高纯度。Al的相对电导率为的相对电导率为61%,密度是密度是Cu的的1/3，但强度低且不耐高温，一般不用纯，但强度低且不耐高温，一般不用纯铝。铝。第39页/共131页第四十页，共131页。(2)电阻材料电阻材料A.精密精密(jngm)电阻合金：小电阻温度系数的特殊合金。如电阻合金：小电阻温度系数的特殊合金。如Cu-Mn-Ni,Mn-Cu,Cu-Ni-Mn,Cu-Mn-Fe,Ag-Mn-Sn等。等。B.电热合金：在电热合金：在9001350C工作的电热体，如工作的电热体，如Ni-Cr,Fe-Cr

30、-Al等合金。等合金。C.高温加热元件和电极：高温加热元件和电极：1500C以上工作的电热体，用陶瓷，以上工作的电热体，用陶瓷，如如SiC（硅碳棒）（硅碳棒）,MoSi2，LaCrO3，SnO2等。等。第40页/共131页第四十一页，共131页。(3)电触点材料电触点材料(cilio)开关、继电器等涉及两接触导体的导电。开关、继电器等涉及两接触导体的导电。电流流经接触部分会由于接触面不平、异物形成薄膜产生接触电阻。电流流经接触部分会由于接触面不平、异物形成薄膜产生接触电阻。作为触点的材料作为触点的材料(cilio)一般要求接触电阻小一般要求接触电阻小,接触状态稳定接触状态稳定,不易不易磨损磨损

31、,不易扩散。不易扩散。常用的触点材料常用的触点材料(cilio)：Cu,Cu-Ag,Cu-Be,Ag,Cu-Ag-Pt,W-Ag,Pt-Ir,Ir-Os,Ir-Os-Pt等金属和合金。等金属和合金。第41页/共131页第四十二页，共131页。6.2超导超导(chodo)性性l超导超导(chodo)现象现象l超导超导(chodo)理论理论l高温超导高温超导(chodo)l超导超导(chodo)的应用的应用第42页/共131页第四十三页，共131页。6.2超导超导(chodo)性性Q：为何超导研究：为何超导研究(ynji)受到广泛重视受到广泛重视？材料材料(cilio)为什么会超导？为什么会超导？

32、在在1933年以前，人们对超导基本特性的认识都是片面的。年以前，人们对超导基本特性的认识都是片面的。存在两种不同的观点：存在两种不同的观点：一种认为材料发生超导的时候体系的电子自由程发生了突变，即电子的自由一种认为材料发生超导的时候体系的电子自由程发生了突变，即电子的自由程变为无限大，电子在输运过程中被认为没有阻力，从而电阻为零；程变为无限大，电子在输运过程中被认为没有阻力，从而电阻为零；另一种人们一直比较普遍地接受的观点认为，零电阻是超导体的最本质的性质，基本上把另一种人们一直比较普遍地接受的观点认为，零电阻是超导体的最本质的性质，基本上把超导体认为理想导体来看，但是对超导体磁性质的认识则很

33、少。超导体认为理想导体来看，但是对超导体磁性质的认识则很少。第43页/共131页第四十四页，共131页。（1）输电）输电 目前输电损耗目前输电损耗10。普通导线：电流。普通导线：电流1-2A/mm2；而超导导线，电流可达而超导导线，电流可达1000A/mm2（2）电磁转化）电磁转化 回旋加速器，受控热核反应，磁悬浮列车等都需要超强磁场。回旋加速器，受控热核反应，磁悬浮列车等都需要超强磁场。（3）超导隧道效益）超导隧道效益 利用它可以做成世界上最灵敏的磁场探测元件利用它可以做成世界上最灵敏的磁场探测元件(yunjin)。可以测量地球磁场的。可以测量地球磁场的几十亿分之一的变化，从而可以预测地震。

34、另外还可用于脑磁图，心磁图，探测潜几十亿分之一的变化，从而可以预测地震。另外还可用于脑磁图，心磁图，探测潜水艇，矿产资源普查，核磁共振分析等。水艇，矿产资源普查，核磁共振分析等。（4）约瑟夫森效益）约瑟夫森效益 超导体的约瑟夫森结的电压电流曲线会出现一些陡变的台阶，台阶高度为固定超导体的约瑟夫森结的电压电流曲线会出现一些陡变的台阶，台阶高度为固定电压的整数倍。采用这种效益可以探测雷达，用于电磁战。电压的整数倍。采用这种效益可以探测雷达，用于电磁战。（5）通讯技术）通讯技术 利用超导体较低的表面电阻和较高的工作温度，可将超导体用在滤波器，谐振器，利用超导体较低的表面电阻和较高的工作温度，可将超导

35、体用在滤波器，谐振器，延迟线等。延迟线等。外空间温度在外空间温度在80-120K左右，而目前超导体的温度可以达到这一工作温度，因左右，而目前超导体的温度可以达到这一工作温度，因此超导体用在外空间不需要专门的低温装置。美国的勇气号、机遇号火星探测器成此超导体用在外空间不需要专门的低温装置。美国的勇气号、机遇号火星探测器成功的根本之一，是美国建立了一个有效的深空探测网。功的根本之一，是美国建立了一个有效的深空探测网。（6）储能）储能 目前采用飞轮储能，飞轮采用磁悬浮轴承，可保证转速快，质量大，无磨损。目前采用飞轮储能，飞轮采用磁悬浮轴承，可保证转速快，质量大，无磨损。第44页/共131页第四十五页

36、，共131页。超导超导(chodo)现象现象 超导现象首先超导现象首先(shuxin)在在Hg中校发现。在这之后，已经知中校发现。在这之后，已经知道有道有20种元素显示出超导现象，而且发现了许多合金和金属间化种元素显示出超导现象，而且发现了许多合金和金属间化合物显示出比纯金属还高的转变温度合物显示出比纯金属还高的转变温度(Tc)。1986年以后又发现了显示出比液氮温度高的氧化物超导体。年以后又发现了显示出比液氮温度高的氧化物超导体。因此，无论是超导的基础研究，还是应用研究，都受到世界的瞩目。因此，无论是超导的基础研究，还是应用研究，都受到世界的瞩目。Heike Kamerlingh Onnes

37、1908年年 液液He，1K1911年年 Hg，4.173K第45页/共131页第四十六页，共131页。第46页/共131页第四十七页，共131页。液氦液氦(4He：4.2K，3He：3.2K)液氢液氢(20.4K)液氖液氖(27.1K)液氮液氮(77.3K)液氧液氧(yyn)(90.2K)临界温度临界温度(lnjiwnd)Tc最最高值递增时间表高值递增时间表第47页/共131页第四十八页，共131页。1911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家KamerlinghOnnes发现了发现了Hg的超导电性；（的超导电性；（R=0）1933年，年，W.Meissner和和R.Ochsebfekd发现了超

38、导体的完全排磁通现象，称为发现了超导体的完全排磁通现象，称为Meissner效应；（效应；（B=0）1930s1950s之间发展了超导的唯象理论，包括：之间发展了超导的唯象理论，包括：（1）二流体模型）二流体模型热力学性质热力学性质（2）London理论理论电磁性质电磁性质（Pippard理论；理论；Ginzburg-Landau理论）理论）1957年，年，J.Bardeen、L.V.Cooper、J.R.Schrieffer发表了超导的微观理论发表了超导的微观理论BCS理理论；论；1957年，年，A.Abrikosov发表了第二类超导体的理论，为超导体的强电应用提供了理论发表了第二类超导体的

39、理论，为超导体的强电应用提供了理论基础；基础；1962年，年，B.D.Josephson发现超导隧道发现超导隧道(sudo)效应，称为效应，称为Josephson效应，为超导效应，为超导体的弱电应用打开了大门；体的弱电应用打开了大门；1986年，年，Bednorz和和Mller发现了高温超导体发现了高温超导体LaBaCuO。超导现象超导现象(xinxing)发展简史发展简史第48页/共131页第四十九页，共131页。超导超导(chodo)现象现象临界温度临界温度TC零电阻：超导体在转变温度以下电阻趋于零。零电阻：超导体在转变温度以下电阻趋于零。在一定在一定(ydng)温度下，材料突然失去电阻的

40、状态称为超导态。温度下，材料突然失去电阻的状态称为超导态。超导态的电阻率小于超导态的电阻率小于10-25 cm，认为是零电阻。，认为是零电阻。产生超导态的温度称为临界温度。临界转变温度越高越好。产生超导态的温度称为临界温度。临界转变温度越高越好。第49页/共131页第五十页，共131页。超导现象超导现象(xinxing)临界温度临界温度TC超导体的分类超导体的分类(fn li)：类超导体与类超导体与类超导体类超导体类超导体：除类超导体：除V、Nb、Ta以外具有超导性质以外具有超导性质(xngzh)的金属均为的金属均为I类超类超导体。导体。类超导体类超导体：V、Nb、Ta以及合金和化合物超导体均

41、为以及合金和化合物超导体均为类类超导体。超导体。类超导体类超导体类类超导体超导体两类导体的磁化行为不同，如下图所示。两类导体的磁化行为不同，如下图所示。第50页/共131页第五十一页，共131页。第51页/共131页第五十二页，共131页。超导现象超导现象(xinxing)临界温度临界温度TC同位素效应：在同一元素中，由于同位素效应：在同一元素中，由于(yuy)同位素的不同，转同位素的不同，转变温度大致按变温度大致按TC m1/2变化。（变化。（m为原子质量）为原子质量）同位素原子量越小，同位素原子量越小，Tc越高。后来发现其它超导元素也有类越高。后来发现其它超导元素也有类似的现象似的现象(x

42、inxing)，这称为同位素效应。，这称为同位素效应。第52页/共131页第五十三页，共131页。金属是由晶格粒子金属是由晶格粒子(原子实原子实)间共有化的电子组成，它们之间共有化的电子组成，它们之间概括有几类相互作用：晶格间概括有几类相互作用：晶格电子、电子电子、电子声子、晶格声子、晶格晶格等相互作用。晶格等相互作用。究竟是哪一种相互作用促使金属发生超导转变究竟是哪一种相互作用促使金属发生超导转变?从同位性素从同位性素效应可以看出反映电子超导转变难易效应可以看出反映电子超导转变难易(nn y)受原子质量的受原子质量的影响，而原子质量影响，而原子质量M的不同会使晶格运动性质不同，说明晶的不同会

43、使晶格运动性质不同，说明晶格格电子相互作用必定在超导转变中起关键作用。电子相互作用必定在超导转变中起关键作用。TC m-1/2可知，可知，M0时，时，Tc为无穷大，没有晶格振动，为无穷大，没有晶格振动，就没有超导电性所以同位素效应明确告诉我们电子就没有超导电性所以同位素效应明确告诉我们电子声子声子作用是超导电性的根源作用是超导电性的根源超导现象超导现象(xinxing)临界温度临界温度TC第53页/共131页第五十四页，共131页。超导现象超导现象临界临界(lnji)磁场磁场HC迈斯纳效应：在超导状态下施加磁场，磁场不能进入超导体中迈斯纳效应：在超导状态下施加磁场，磁场不能进入超导体中(试样试

44、样外表面除外外表面除外)，即超导体中应该感应一个和外磁场相等，即超导体中应该感应一个和外磁场相等(xingdng)的反向磁场的现象。的反向磁场的现象。设设B为外部磁通量，为外部磁通量，M为磁化强度，为磁化强度，0为真空透磁率，则磁化为真空透磁率，则磁化率率x0M/B。对于超导体对于超导体x=-1，因此可以说超导体是完全抗磁体。由于这种，因此可以说超导体是完全抗磁体。由于这种性质将磁铁接近超导体时会产生很强的斥力。性质将磁铁接近超导体时会产生很强的斥力。第54页/共131页第五十五页，共131页。在超导在超导(cho do)状态下施加磁场，磁场不能进入超导状态下施加磁场，磁场不能进入超导(cho

45、 do)体体中的现象。中的现象。该现象说明超导体中感应出一个该现象说明超导体中感应出一个(y)与外磁场相等的反向的磁与外磁场相等的反向的磁场，超导体是完全的抗磁体。场，超导体是完全的抗磁体。第55页/共131页第五十六页，共131页。实际上，磁场产生实际上，磁场产生(chnshng)的磁感应强度并不是在表面突的磁感应强度并不是在表面突然降为然降为零，而是以一定的穿透深度零，而是以一定的穿透深度50nm按指数规律递减至按指数规律递减至0。第56页/共131页第五十七页，共131页。超导现象超导现象(xinxing)临界磁场临界磁场HC当磁场增强当磁场增强(zngqing)到一定程度，超导将被破坏

46、，变成正到一定程度，超导将被破坏，变成正常传导状态，即在临界磁场以上迈斯纳效应消失，抗磁性完常传导状态，即在临界磁场以上迈斯纳效应消失，抗磁性完全消失，如图全消失，如图(b)所示。所示。第57页/共131页第五十八页，共131页。图中图中I的情形称为第的情形称为第类超导体，像类超导体，像那种具有下临界磁那种具有下临界磁场强度场强度HC1和上临界磁场强度和上临界磁场强度HC2两个临界磁场的情形称做两个临界磁场的情形称做第第类超导体。类超导体。纯金属的情况下，如图中磁化曲线纯金属的情况下，如图中磁化曲线(qxin)I所示。所示。在临界磁场在临界磁场HC时抗磁性急剧消失变成正常传导，但在合时抗磁性急

47、剧消失变成正常传导，但在合金的情况下，如图中曲线金的情况下，如图中曲线(qxin)所示，所示，HC1时试样中磁时试样中磁通开始进入涡旋线状态，超导状态开始部分地破坏，因此反通开始进入涡旋线状态，超导状态开始部分地破坏，因此反磁性开始减少，但仍处于电阻为零的超导状态。磁场进一步磁性开始减少，但仍处于电阻为零的超导状态。磁场进一步增大变成增大变成HC2，则整个试样完全变成正常传导状态，试样的，则整个试样完全变成正常传导状态，试样的电阻变成有限值。电阻变成有限值。超导超导(chodo)现象现象临界磁场临界磁场HC第58页/共131页第五十九页，共131页。超导现象超导现象(xinxing)临界磁场临

48、界磁场HC混合状态混合状态:HC1和和HC2之间的磁场之间的磁场(cchng)是试样内部正常是试样内部正常传导和超导两种状态混合存在。传导和超导两种状态混合存在。由于由于HC2约是约是HC1的的100倍，倍，HC2很高的第很高的第类超导体类超导体适于作产生高磁场适于作产生高磁场(cchng)的超导磁体材料。的超导磁体材料。图图(c)表示临界磁场表示临界磁场HC的值随温度升高而减少的值随温度升高而减少(jinsho)，TC时变为零。时变为零。HC对温度的依赖关系可近似地表达成对温度的依赖关系可近似地表达成 第第类超导体的类超导体的H0值随值随TC成正比地增加，因此成正比地增加，因此转变温度越高的

49、物转变温度越高的物质临界磁场强度也越高质临界磁场强度也越高。第59页/共131页第六十页，共131页。超导超导(chodo)现象现象临界电流密度临界电流密度JCl实际的超导中有电流。电流的存在产生实际的超导中有电流。电流的存在产生(chnshng)磁场，当磁场，当其与外磁场之和超过临界磁场强度时超导态被破坏。其与外磁场之和超过临界磁场强度时超导态被破坏。l临界电流临界电流JC：超导状态破坏的临界电流密度。：超导状态破坏的临界电流密度。l临界电流临界电流JC随外磁场的增大降低。随外磁场的增大降低。三者（三者（TC、HC、JC）是评价使用超导）是评价使用超导(chodo)材料的三个材料的三个性能指

50、标，相互依存，且相互影响。性能指标，相互依存，且相互影响。这三个参数的高低是超导体能否适于实用的关键。这三个参数的高低是超导体能否适于实用的关键。第60页/共131页第六十一页，共131页。超导现象超导现象(xinxing)超导态的特性超导态的特性1、完全导电性、完全导电性 进入超导态的超导体中有电流没有电阻，即超导体是等进入超导态的超导体中有电流没有电阻，即超导体是等电位电位(din wi)的，体内没有电场。的，体内没有电场。2、完全抗磁性、完全抗磁性迈斯纳效应迈斯纳效应(Meissener)处于超导态的材料，不管经历如何，磁感应强度处于超导态的材料，不管经历如何，磁感应强度H始终始终(sh