1、超導材料導電機理探究與在集成電路領域的應用超導材料導電機理探究與在集成電路領域的應用1.背景介紹超導現象的發現是二十世紀科學界的最偉大的發現之一。當材料的溫度降到臨界溫度T以下時，它的電阻會變為零。零電阻現象的產生具有很大的實用意義，當材料到達超導態之后，它所傳導的電流的能量損失變為零，假如遠間隔 輸電采用超導材料作為導線的話，可以采用較低的輸電電壓以防止高壓輸電所帶來的平安隱患1。目前超導材料的轉變溫度已經從金屬汞的4.2K進步到了釔鋇銅氧超導材料的液氮溫度附近，但是對于實際應用來說，這個溫度還是很低。對于超導現象的機理來說，目前被認可最多的是1957年由Bardeen，per和Shrief

2、frer等提出的BS理論2，該理論在一定程度上提醒了超導現象的產活力理，但是該理論也有較大的局限性，目前尚有許多關于超導材料的問題不能利用BS理論來解釋。2.理論分析與溫度相關的材料的物理參數除了電阻之外，熱膨脹系數也是一個常見的參數，當溫度升高時，材料晶格內的點陣振動幅度增大，材料的體積增大。同時，由于點陣振動幅度的增大，載流子在電場的驅動下的運動受到更大程度的影響，所以材料的電阻增大。按照以上理論推斷，當溫度到達0K時，晶格中點陣的振動完全停頓，此時晶格振動對載流子傳遞的影響減弱為零，此時電阻的大小變為零。但是這與超導材料臨界溫度存在的現象并不一致，因為按照晶格振動影響載流子傳遞所產生電阻

3、的理論，電阻應該會隨著溫度的下降而下降，直到溫度降為0K時才降為0。但是材料的超導態是在溫度降到低于臨界溫度之后突然到達的，所以說，材料超導的臨界溫度的到達并不能完全利用晶格振動對材料中電子傳播的阻礙作用來解釋。3.結果與討論對于普通的金屬材料來說，它內部的載流子是金屬電子層外部自由電子所形成的電子氣。相對來說，金屬原子的最外層電子受到原子核的束本文由論文聯盟.Ll.搜集整理縛最小，在電場存在的條件下容易被電場驅動。大量的外層電子在電場的驅動作用下附加了一個平行于電場的漂移運動，這樣表達在宏觀上是金屬外層自由電子所形成的電子氣整體上附加了一個漂移運動，這樣電流產生3。我們對金屬外層的單個自由電

4、子進展分析可以發現，當電子在電場的作用下進展漂移運動時，總會出現電子在不同金屬原子之間的傳遞。金屬原子的最外層電子是金屬核外電子中具有最高能量的，當單個電子在徹底分開一個金屬原子核的束縛進入另外一個金屬原子核的束縛范圍內，需要吸收能量來脫離上一個金屬原子，這些能量來源于電場能4。當這個電子進入到下一個金屬原子核的束縛范圍之內后，落入下一個金屬原子的最外層電子軌道。此時這個電子所吸收的多余能量會釋放出去，釋放的能量會變為熱能傳遞給晶格。這樣消耗電場能轉變為熱能的過程是電阻的產活力理。假如按照晶格振動干擾電子傳播的的理論，隨著溫度的升高，晶格之中點陣之間的間隔 減小，在電場的作用下，外層自由電子與

5、晶格之中的點陣碰撞的幾率會大大的減小，溫度升高，電阻應該下降，但是這與實際情況相反。假如按照金屬外層電子脫離外層軌道在原子間遷移的理論來解釋溫度與電阻的關系可以防止這一理論與事實不符的現象。當溫度足夠低時，相鄰的兩個金屬原子之間的間隔 減小，兩個金屬原子之間的外層軌道可能會無限接近以致重疊，此時在電場的作用下，最外層電子在兩個金屬原子之間遷移不存在電子吸收能量再釋放能量的過程，沒有能量損失，表達在宏觀上是電阻為零。一般來說，化合物比單質金屬具有更高的臨界溫度，而對于具有較高的臨界溫度的高溫超導體來說，它們一般是具有類似鈣鈦礦的化合物構造5。相對于金屬離子來說，氧離子要小很多，并且在高溫超導材料

6、中，至少含有兩種金屬元素，這些金屬元素可能存在于正八面體晶格的頂點或者正八面體晶格的中心，而氧離子處于晶面上6。這樣的話，各原子的外層軌道得失電子的情況比擬復雜，最外層電子的分布排列已經完全變化。氧離子的存在，填充了金屬離子之間的間隙，這樣的話，各離子最外層電子之間的能量差距變小，電子從一個金屬原子到另外一個金屬原子所需要的能量會減校這樣表達在宏觀上，體系電阻變校當溫度足夠低，各離子的最外層軌道相重合的時候，電子在離子之間遷移消耗的能量減為零，此時表達在宏觀上電阻為零。總結上文所述的理論，超導現象產生的原因是隨著溫度的下降，晶格的振動頻率與幅度減小，同時金屬原子之間的間隔 變小，原子的最外層參

7、與導電的電子之間的最外層軌道重合，這樣電子在兩個原子之間遷移的能量損失為零。如圖1所示，在臨界溫度以上時，在電場的作用下，A原子的最外層電子a從A原子遷移向B原子，電子a首先吸收電場能脫離原子A的束縛，而當電子a到達原子B時，由于電子a所具有的能量要大于B原子的最外層電子所具有的能量，電子a進入原子B的束縛范圍，首先要釋放出多余的能量，這些多余的能量會以熱能的形式傳遞給點陣，這就是電阻的的產生。當溫度下降到臨界溫度以下后，兩個相鄰的原子之間的間隔 下降，原子的最外層電子之間的間隙變為零，此時在電場的作用下，電子在兩個原子之間的遷移不存在能量的吸收與釋放，此時電場能的損失為零，表達在宏觀上為零電

8、阻態。按照以上的理論，導體內的相鄰的原子參與導電的外層電子之間的間隔 越小，那么該導體的電阻越校這一理論可以利用某些元素的在常壓下難以獲得超導態，而在高壓的狀態下可以獲得超導態來解釋7。當施加在材料上的壓力足夠大，相鄰的原子之間的間隔 被壓縮，這樣的話，某些即使降低到很低的溫度下仍然不能得到超導態的材料才可以轉變為超導態。一般來說單質導體的臨界轉換溫度不會太高，具有較高臨界溫度的超導體一定是化合物。這些化合物需要有如下的性質，在一定的溫度下，參與導電的兩個原子的最外層導電電子的軌道應該是重合的。氫負離子由于其核外電子數是核電荷數的兩倍，具有比擬大的半徑8，假如有適宜的化合物中具有氫正離子，氫離子可能成為兩個相鄰的參與導電的原子的外層電子之間的橋梁，使得兩個相鄰的外層電子軌道之間沒有間隙，電子可以在不消耗能量的條件下從一個原子遷移向另外一個原子，這樣就可以得到較高的臨界溫度。超導材料的應用在集成電路方面的應用潛力是宏大的。隨著集成電路產業的不斷開展，單一的微電子器件的線寬已經變得越來越校目前集成電路