1、1 .1超導(dǎo)(cho do)簡(jiǎn)介1908 年，荷蘭科學(xué)家昂尼斯（Onne s） 首次將氦氣液化，并得到了低于4K的溫度。1911 年，他在測(cè)量一個(gè)固態(tài)汞樣品汞線的電阻與溫度的關(guān)系時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)汞冷卻到4.4K（即 - 269） 時(shí)，電阻突然消失了。隨后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)許多(xdu)金屬、合金及金屬間化合物也具有這種特性。人們將物質(zhì)所具有的這種在某一溫度下電阻突然消失的性質(zhì)稱(chēng)為超導(dǎo)電性，簡(jiǎn)稱(chēng)超導(dǎo)。物質(zhì)完全沒(méi)有電阻的狀態(tài)稱(chēng)為物質(zhì)的超導(dǎo)狀態(tài)，物質(zhì)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度成為轉(zhuǎn)變溫度Tc或臨界溫度Tc。第1頁(yè)/共16頁(yè)第一頁(yè)，共17頁(yè)。1.2超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)(fxin)歷程時(shí)間 超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)者 超導(dǎo)材料 轉(zhuǎn)變溫度

2、1911 年 Onnes Hg 4.2K1973 年 鈮鍺合金 23.2K1985 年 Nb3Ge 23K1986 年 mullerbednorz 鋇鑭銅氧化合物 35K1986 年底 貝爾實(shí)驗(yàn)室 氧化物超導(dǎo)材料 40K1987 年 朱經(jīng)武、徐茂昆 釔鋇銅氧 98K1987 年 趙忠賢、陳立泉 鋇基氧化物 78.5K1987 年底 鉈鋇鈣銅氧 125K從1987 年起，超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)達(dá)到了液氮沸點(diǎn)77K溫區(qū)，這些超導(dǎo)材料被稱(chēng)為高溫超導(dǎo)材料。1986到1987短短一年的時(shí)間，超導(dǎo)臨界溫度(ln ji wn d)竟然提高了100K以上，這在材料發(fā)展史乃至科技發(fā)展史上都堪稱(chēng)一大奇跡。第2頁(yè)/

3、共16頁(yè)第二頁(yè)，共17頁(yè)。1.3 超導(dǎo)材料的主要(zhyo)特性1） 超導(dǎo)電性。如前所述，超導(dǎo)電性是 1911 年由荷蘭科學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)的。2） 抗磁性。1933 年德國(guó)科學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有高抗磁性，使磁力線不能透入，人們稱(chēng)之為邁斯納效應(yīng)。3） 約瑟夫效應(yīng)或超導(dǎo)隧道效應(yīng)。1962 年，英國(guó)科學(xué)家約瑟夫從理論上預(yù)言：如果在兩塊超導(dǎo)體之間置一絕緣層 （厚度約10 埃），絕緣層將會(huì)成為一個(gè)“弱”超導(dǎo)體，超導(dǎo)電流可在其中通過(guò)，形成隧道超導(dǎo)電流。約瑟夫的預(yù)言隨后為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。第3頁(yè)/共16頁(yè)第三頁(yè)，共17頁(yè)。1.4 超導(dǎo)(cho do)應(yīng)用超導(dǎo)材料包括金屬低溫超導(dǎo)材料、陶瓷高溫超導(dǎo)材料和有機(jī)超導(dǎo)材

4、料等。超導(dǎo)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事技術(shù)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)與醫(yī)療衛(wèi)生等具有重大價(jià)值。由于獲得低溫臨界溫度需要復(fù)雜的設(shè)備，所以低溫超導(dǎo)很難在技術(shù)上應(yīng)用，則高溫超導(dǎo)更為廣泛應(yīng)用。根據(jù)超導(dǎo)材料的主要特性，高溫超導(dǎo)材料的用途大致分為三類(lèi)：大電流應(yīng)用 （強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用 （弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用包括超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性應(yīng)用主要是在磁懸浮列車(chē)和熱核聚變反應(yīng)堆中。第4頁(yè)/共16頁(yè)第四頁(yè)，共17頁(yè)。2.1 MgB2超導(dǎo)體簡(jiǎn)介(jin ji) 簡(jiǎn)單金屬化合物超導(dǎo)材料MgB2自 2001 年發(fā)現(xiàn)以來(lái)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。MgB2超導(dǎo)體同

5、傳統(tǒng)超導(dǎo)體相比，它具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc=39 K)、可以在制冷機(jī)溫區(qū)實(shí)現(xiàn)(shxin)應(yīng)用，避免了成本高昂的液氦制冷設(shè)備的限制，同高溫超導(dǎo)體相比，又具有相干長(zhǎng)度大(56 nm)、晶界連接緊密、晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原料成本低廉和成材容易等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而 MgB2超導(dǎo)體是目前被認(rèn)為最有可能首先實(shí)現(xiàn)(shxin)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的超導(dǎo)材料。另一方面，由于其較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（39K），是目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的金屬化合物超導(dǎo)體中 Tc最高的，因而引起了基礎(chǔ)科學(xué)研究者的廣泛興趣。庫(kù)裴相干長(zhǎng)度：從物理本質(zhì)上說(shuō)，相干長(zhǎng)度（Coherence length）也就是超導(dǎo)體庫(kù)裴（Cooper）電子對(duì)的電子之間的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)

6、度，或是Cooper電子對(duì)在空間的延伸距離，大約1nm100nm。在相干長(zhǎng)度內(nèi)，可以有很多個(gè)超導(dǎo)電子對(duì)，實(shí)際上，相干長(zhǎng)度是混合態(tài)（渦旋態(tài)）的第類(lèi)超導(dǎo)體的一種屬性。因?yàn)槌瑢?dǎo)區(qū)與正常區(qū)之間有一個(gè)(y )緩變的邊界區(qū)，此邊界區(qū)內(nèi)的超導(dǎo)電子濃度在垂直邊界方向上是隨著空間位置而變化的，這個(gè)變化的空間范圍就成為超導(dǎo)相干長(zhǎng)度第5頁(yè)/共16頁(yè)第五頁(yè)，共17頁(yè)。2.2 MgB2超導(dǎo)體機(jī)理(j l)的研究用化學(xué)摻雜的方法，在 Mg 位或 B 位用其他的原素替代來(lái)改變 MgB2超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)，研究其超導(dǎo)性能的變化，尋找其超導(dǎo)電性產(chǎn)生的機(jī)理是較為常用的方法。目前最多被報(bào)導(dǎo)的是 Al 對(duì) Mg 位的摻雜和 C 對(duì) B

7、 位的摻雜。許多研究都發(fā)現(xiàn)，Al 和 C 都能摻入 MgB2超導(dǎo)材料的晶格，形成 Mg1-xAlxB2或 MgB2-xCx合金。第6頁(yè)/共16頁(yè)第六頁(yè)，共17頁(yè)。2.3 最新研究其他合金(hjn)元素對(duì)MgB2超導(dǎo)體的影響另一些元素也用來(lái)做MgB2超導(dǎo)體中的化學(xué)摻雜，如Ti, Ag, Mb, Li等。其中Ti 摻雜可以在 MgB2晶格中形成納米級(jí)的 TiB2微觀結(jié)構(gòu)，顯著的提高了 MgB2超導(dǎo)體在低場(chǎng)下的臨界電流密度。研究還發(fā)現(xiàn) Ti，C 共摻時(shí) MgB2的超導(dǎo)電性，發(fā)現(xiàn) Ti 和 C 可以起到互補(bǔ)的作用，Ti 摻雜可以提高低場(chǎng)下的性能，C 摻雜提高了高場(chǎng)下的性能，當(dāng)兩種原素共同摻雜可以提高在

8、整個(gè)外場(chǎng)條件下的臨界電流密度。它是描述電路中某點(diǎn)電流強(qiáng)弱和流動(dòng)方向的物理量。它是矢量，其大小等于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)(tnggu)垂直電流方向單位面積的電量，以正電荷流動(dòng)的方向?yàn)檫@矢量的正方向。單位是：安培每平方米，記作A/m2.它在物理中一般用J表示。低場(chǎng)和高場(chǎng)是指低場(chǎng)核磁和高場(chǎng)核磁，它們的區(qū)別顧名思義主要在于其磁場(chǎng)強(qiáng)度(cchng qingd)不同，一般將磁場(chǎng)強(qiáng)度(cchng qingd)為1T以上的稱(chēng)為高場(chǎng)核磁，0.5T至1.0T的稱(chēng)為中場(chǎng)核磁，0.5T及以下的稱(chēng)為低場(chǎng)核磁。第7頁(yè)/共16頁(yè)第七頁(yè)，共17頁(yè)。3.1本次(bn c)試驗(yàn)的目的 研究(ynji) Al 和 C 共摻對(duì) MgB2超導(dǎo)

9、材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、臨界電流密度、不可逆場(chǎng)等超導(dǎo)電性能以及晶體結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生怎樣不同程度的影響。又稱(chēng)超導(dǎo)臨界溫度（Superconductor critical temperature）如前所述，它是超導(dǎo)體從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)的溫度，實(shí)際上也就是把Cooper電子對(duì)解體開(kāi)來(lái)的溫度。對(duì)于(duy)轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬的超導(dǎo)體（如高溫超導(dǎo)體），臨界溫度可分為起始轉(zhuǎn)變溫度，中轉(zhuǎn)變溫度和零電阻溫度合金材料在磁場(chǎng)作用下，隨著磁場(chǎng)的增大，電流作用于磁通上的類(lèi)洛倫茲力不斷增大，不可逆場(chǎng)以下，由于晶格缺陷的釘扎作用，類(lèi)洛倫茲力不夠大，磁通移動(dòng)是不可逆的。在不可逆磁場(chǎng)以上，磁通的移動(dòng)變?yōu)榭赡妫@個(gè)時(shí)候，由于磁通移動(dòng)會(huì)

10、導(dǎo)致類(lèi)似于電阻損耗的能量損耗，超導(dǎo)體通電流時(shí)會(huì)有電阻。所以不可逆場(chǎng)基本就是無(wú)損載流的極限場(chǎng)。第8頁(yè)/共16頁(yè)第八頁(yè)，共17頁(yè)。3.2 Al 和 C 共摻對(duì) MgB2超導(dǎo)體影響(yngxing)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程用固相反應(yīng)法制備了不同x ，y值的Mg1-xAlx(B1-yCy)2樣品，其中x=0%，1%和 5%；y=0%，0.5%，1%，3%和 5%。初始的 Mg 粉（99%，1m）、Al 粉（99%，10 m）和無(wú)定形 B 粉（99.9%，100 nm）以及石墨粉(99%，10 m)按化學(xué)劑量比混合，在保護(hù)氣氛下充分研磨混合均勻,研磨過(guò)后的粉末在 10MP 壓強(qiáng)下壓制成直徑為 10 mm 高約為 6

11、mm 的圓柱形塊材，將其密封在鐵盒子中，放入管式爐中以 800燒結(jié)，保溫 1 h 后隨爐冷卻到室溫，整個(gè)燒結(jié)過(guò)程在氬氣保護(hù)下進(jìn)行(jnxng)。樣品的微結(jié)構(gòu)由 XRD（X-ray diffraction） 進(jìn)行(jnxng)表征。燒結(jié)后的樣品，切成立方小塊用于磁測(cè)量，典型的樣品尺寸為 2 mm2 mm1 mm。磁測(cè)量是在 Quantum Design 公司生產(chǎn)的超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)磁性測(cè)量系統(tǒng)(MPMS-XL)上完成的,樣品的臨界電流密度根據(jù)Bean 模型計(jì)算得到。磁測(cè)量是物質(zhì)磁性及磁場(chǎng)(cchng)的測(cè)量。主要指在一定磁場(chǎng)(cchng)下對(duì)磁化強(qiáng)度及各種環(huán)境條件下磁性材料的有關(guān)磁學(xué)量

12、的測(cè)量。磁測(cè)量另一個(gè)主要內(nèi)容是對(duì)空間磁場(chǎng)(cchng)的測(cè)量，它涉及空間磁場(chǎng)(cchng)的大小、方向、梯度及隨時(shí)間的變化等它是C.P.Bean利用磁通釘軋的概念，為了解釋宏觀磁化現(xiàn)象,提出的磁通線向超導(dǎo)體內(nèi)滲透過(guò)程的模型第9頁(yè)/共16頁(yè)第九頁(yè)，共17頁(yè)。3.3 Al 和 C 共同摻雜單獨(dú)(dnd)摻對(duì)磁化強(qiáng)度的影響從圖中可以看到，Al 和 C 共同摻雜時(shí)較相同電子摻雜量的C 元素?fù)诫s而言, 其對(duì)超導(dǎo)電性有更強(qiáng)的抑制作用，還可以看到相同電子量的摻雜，單摻 雜Al比單摻雜 C 有更強(qiáng)的對(duì)超導(dǎo)電性的抑制作用另外我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻雜量增加時(shí) Al 摻雜比C摻雜對(duì)Tc的抑制表現(xiàn)得更加明顯第10頁(yè)/共16

13、頁(yè)第十頁(yè)，共17頁(yè)。3.4 不同(b tn) Al 摻雜量的 MgB2樣品 Tc值隨 C 摻雜量變化從圖中可以發(fā)現(xiàn)，雖然 Al 的摻入大降低(jingd)了樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，但在另一方面卻明顯的影響了 C 摻雜對(duì) Tc的抑制作用，使 Tc在隨 C 摻入量降低(jingd)的程度有所減小，第11頁(yè)/共16頁(yè)第十一頁(yè)，共17頁(yè)。3.5 Mg0.99Al0.01(B1-xCx)2的不同溫度(wnd)下的 J 隨外場(chǎng)的變化 從 圖 中 可 以 看 到 ，Mg0.99Al0.01B2樣品在整個(gè)磁場(chǎng)條件下其臨界電流密度都要小于純的 MgB2樣品,但摻雜 C 以后，在高場(chǎng)的情況有了較大的改善。另外我們也發(fā)

14、現(xiàn)，在整個(gè)磁場(chǎng)范內(nèi)，Al和C摻雜量都為1%的樣品表現(xiàn)出了最優(yōu)的性能。與此相對(duì)的是單獨(dú)摻 Al 的樣品隨著(su zhe)外場(chǎng)的增加表現(xiàn)較差的釘扎性能，臨界電流密度隨著(su zhe)外磁場(chǎng)的增加而快速衰減。第12頁(yè)/共16頁(yè)第十二頁(yè)，共17頁(yè)。4. 實(shí)驗(yàn)(shyn)結(jié)論 Al 替代 Mg 位和 C 替代 B 位兩種作用可以同時(shí)發(fā)生，并且當(dāng)電子摻雜作用相當(dāng)時(shí)，Al 摻雜對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)的抑制作用要更加明顯(mngxin)，而另一方面 Al 摻雜卻可以減緩 C 摻雜對(duì) Tc的影響。對(duì)超導(dǎo)臨界電流密度的影響方面，少量的 Al 摻雜可以提高 MgB2超導(dǎo)體在低場(chǎng)下的臨界電流密度，C 摻雜則可以顯

15、著改善高場(chǎng)下的性能。當(dāng)樣品中同時(shí)摻入 1%Al 和 1%C 時(shí)達(dá)到最優(yōu)化的效果，在 07 T 范圍內(nèi)都表現(xiàn)出優(yōu)于純的 MgB2第13頁(yè)/共16頁(yè)第十三頁(yè)，共17頁(yè)。參考文獻(xiàn): 1林良真.超導(dǎo)電性(chododinxng)及其應(yīng)用M.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社, 2001.1-34. 2王惠齡,汪京榮.超導(dǎo)應(yīng)用低溫技術(shù)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.1-6. 3任麗,唐躍進(jìn).J.低溫與超導(dǎo),2008,36(5):21-24. 4劉夢(mèng)林,方家光,顧晨. J.物理與工程,2004,14(1):14-17. 5吳廣國(guó),黃小平.J.貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,48-50. 6陸果,陳凱旋,薛立新.J.物理實(shí)驗(yàn),2001,21(5):7-12 7 馬立平,李宏成,等.J,低溫物理學(xué)報(bào),1995,17(5):399-403. 8諸嘉慧,丘明,田軍濤.J.低溫