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功能材料,审稿状态主编超导材料的发展及特性超导材料是指极低温度下电阻突然下降为0,处于超导状态的材料。材料的这种超导性是在1911年,荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯用液氦冷却汞,当温度下降到绝对温标时水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性,此温度称为临界温度。根据临界温度的不同,超导材料可以被分为:高温超导材料和低温超导材料。但这里所说的“高温”,其实仍然是远低于冰点摄氏0℃的,一般来说仍是极低的温度。 1957年巴丁、库珀施里弗将超导现象的本质特性从量子力学角度给予了解释,发表了经典性的超导电性量子理论基础,即著名的BCS理论。BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出,金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”,库珀对在晶格当中可以无损耗的运动,形成超导电流。电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果仅仅存在库仑直接作用的话,电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动为媒介的间接相互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的,正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上,其机理如下:电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷,导致格点的局部畸变,形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子,和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下,这个结合能可能高于晶格原子振动的能量,这样,电子对将不会和晶格发生能量交换,也就没有电阻,形成所谓“超导”。不过,BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导,或高温超导的现象。,电阻骤降为0,才具有完全导电性的特征,能够无损耗地传输电能。但超导体也有一个容许的电流密度,当电流密度超过某一临界值后,他的完全导电性会被破坏。 ,只要外加磁场不超过一定值,磁力线不能透入,超导材料内的磁场恒为零。这种完全抗磁性是迈斯纳和奥克斯菲尔德于1933年发现的,通常称之为迈斯纳效应。反之,当外界磁场达到某一临界磁场强度后,磁场立即进入超导体内,使原来处于超导状态的材料恢复到正常状态,超导电性也就破坏。第Ⅱ类超导材料则存在两个临界点。当外界磁场超过第一临界场Hc1时,就不再有完全抗磁性,磁通开始穿过超导体内部,随磁场强度的增加进入超导体内的磁通也逐渐增大,直到上临界场Hc2后,超导电性才全部消失,材料才恢复到正常态。因此,超导材料从正常状态转变为超导状态时受临界温度、临界磁场强度和临界电流密度三个条件所限制。 。M越大,Tc越低,这称为同位素效应。例如,原子量为的汞同位素,它的Tc是,而原子量为的汞同位素,Tc为。超导体的分类现在对于超导体的分类并没有统一的标准,通常的分类方法有以下几种: 通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体:对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场,超过临界磁场的时候, 超导性消失;对于第二类超导体,他们有两个临界磁场值,在两个临界值之间,材料允许部分磁场穿透材料。通过解释的理论不同可以把它们分为:传统超导体和非传统超导体。通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体:高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度;低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如:铅和水银;合金超导体比如:铌钛合金;氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物;有机超导体,比如:碳纳米管。发展历史自从1911年卡末林·昂内斯发现水银在Tc为左右出现超导现象开始到1986年已发现常压下有28种元素以及近5000种合金和化合物具有超导电性。表常压下Nb的超导临界温度Tc=,是元素中最高的。有些元素只有在高压下或沉积在低温衬底上才会呈现超导电性。在合金和化合物中临界温度最高的是Nb3Ge,Tc=。此外,还有氧化物超导和有机物超导材料。氧化物本来是化学结合力很强的物质,大多不具备传导电子,因此基本属于绝缘体和半导体。自从1964年发现SrTiO3-x具有超导性能后,氧化物开始进入超导材料的行列。随后,又陆续发现了NaxWO3、Li1-xTi2-xO4以及Tc约为13K的BaPb1-xBxO3,从而引起了对氧化物超导材料研究的一定兴趣。直到1986年发现Tc约为35K的氧化物超导材料La2-xBaxCuO4后,在世界上掀起了一股研究高临界温度氧化物超导材料的热潮。接着美国、中国和日本的科学家发现La2-xSrxCuO4具有比La2-xBaxCuO4更高的Tc。 1986年,美国贝尔实验室研究的超导材料,其临界超导温度达到40K,液氢的“温度壁垒”被跨越。1987年,1987年,亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生,与休斯顿大学的中华民国科学家朱经武和他的学生共同发现了