电子材料第二讲导 电 材 料主讲人：汪晓东教授主讲人：汪晓东教授授授 课课 提提 纲纲q 一、导电材料概述一、导电材料概述q 二、电阻材料二、电阻材料q 三、超导材料三、超导材料1. 1. 导电材料的基础知识导电材料的基础知识导电材料的基础知识导电材料的基础知识q定义及概念定义及概念q电阻率电阻率10-4m的材料定义为导电材料的材料定义为导电材料q导电材料的分类导电材料的分类q固体：金属固体、非金属固体、部分有机高分子材料固体：金属固体、非金属固体、部分有机高分子材料q液体：电解质水溶液、汞液体：电解质水溶液、汞q气体：钠、汞蒸汽，氖、气体：钠、汞蒸汽，氖、氬氬等稀有气体等稀有气体q导电材料的主要应用导电材料的主要应用q导线、接头、电子元器件、热电偶、熔断、焊接、电池导线、接头、电子元器件、热电偶、熔断、焊接、电池一、导电材料概述一、导电材料概述一、导电材料概述一、导电材料概述32. 2. 金属导电材料金属导电材料金属导电材料金属导电材料q金属的晶体结构金属的晶体结构q体心立方、面心立方和密集六方体心立方、面心立方和密集六方q合金的结构合金的结构q固溶体：固溶体：金属金属合金体系q金属化合物金属化合物q正常价化合物： MgS、Mg2Si、SnSq电子化合物：由两种金属组成，其中一种是过渡金属q间隙相化合物：过渡金属与半径小的非金属元素组成，具有高熔点、高硬度，低温下呈超导状态q机械混合物：各自保持晶粒结构，互不干涉4q金属电导的机理金属电导的机理q经经典典金金属属导导电电理理论论：普通金属元素通过提供外层价电子而相互结合，形成晶体，自由流动的外层价电子成为电的载体。（麦克思斯韦尔玻尔兹曼统计理论麦克思斯韦尔玻尔兹曼统计理论）电流密度电流密度电子平电子平均速率均速率电子漂电子漂移速率移速率电子平均电子平均自由行程自由行程5q金属电导的机理（续）金属电导的机理（续）q量量子子力力学学导导电电理理论论：电子运动具有不连续性，服从鲍利不相容原理，电子沿金属晶格点阵运动，具有波粒二象性特征。（费米狄克拉统计理论费米狄克拉统计理论）q体现出晶体中缺陷（杂质、空穴、位错、晶界和裂纹等）对电子运动的影响q晶格振动（由离子热振动引起）对电子运动的影响6q影响导电材料电阻的因素影响导电材料电阻的因素q电阻与电阻率电阻与电阻率：电阻率只与材料本身有关q相相对对电电阻阻率率：IEC标准规定，导电率为1.724110-8m的标准软铜作为100%导电率，来确定金属的相对导电率q电电阻阻率率的的温温敏敏性性：电阻或电阻率与温度呈线性比关系（为温度电阻系数）q杂质对电阻率的影响杂质对电阻率的影响：合金或杂质都会导致电阻率上升q导热率对电阻率的影响导热率对电阻率的影响：导热性与导电性相关7q金属的电导性金属的电导性q纯金属的电阻率纯金属的电阻率qAg：1.6210-8mqCu：1.7210-8mqAu：1.4010-8mqAl：2.8210-8mq金属合金导电材料金属合金导电材料q铜铜合合金金：银银铜铜、镉镉铜铜、镉镉铜铜、锆锆铜铜、锌锌铜铜、锡铜、镍铜、锡铜、镍铜、q铝合金铝合金：铝硅、铝镁、铝镁硅：铝硅、铝镁、铝镁硅q锡铅合金锡铅合金：焊接材料的主要原料：焊接材料的主要原料q Zn：6.1010-8mq Fe：10.0010-8mq Sn：11.4010-8mq Pb：21.9010-8m8q电碳材料电碳材料q石墨晶体、无定形碳黑、碳纤维、碳纳米管、碳石墨晶体、无定形碳黑、碳纤维、碳纳米管、碳60、q电接触材料电接触材料q接接触触材材料料的的应应用用：电电刷刷、接接点点、开开关关及及真真空空开开关关、滑动接触材料滑动接触材料q焊接材料焊接材料q高温焊接材料和低温焊接材料高温焊接材料和低温焊接材料q锡锡/铅基、锡铅基、锡/锌基材料锌基材料q熔断材料熔断材料q锡铅基为主，还包含铜、镉、银、铋等多种元素锡铅基为主，还包含铜、镉、银、铋等多种元素3. 3. 其它导电材料其它导电材料其它导电材料其它导电材料收缩电阻收缩电阻薄膜电阻薄膜电阻9q碳碳C60新材料皇后新材料皇后q1980年英国Sussex大学的微波光谱学家Kroto教授首次通过质谱中存在着一批相应于偶数碳原子的分子的峰（驼峰光谱），发现了C60的特征结构。q水溶性C60羧衍生物在可见光照射下具有抑制毒性细胞生长和使DNA开裂的性能，为其应用于光动力疗法开辟了广阔的前景。qC60多肽衍生物可能在人类单核白血球趋药性和抑制HIV-1 蛋白酶两方面具有潜在的应用。水溶性C60脂质体对癌细胞具有很强的杀伤效应。q利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位能提高放射治疗的效力并减少副作用。qC60的氟衍生物C60F俗称“特氟隆”，可做为“分子滚珠”和“分子润滑剂”在高技术发展中起重要作用。q将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。q碳笼内嵌人稀土元素铕可望成为新型稀土发光材料。q水溶性钆的C60衍生物有望做为新型核磁造影剂。qC60及其衍生物可能成为新型催化剂和新型纳米级的分子导体线、分子吸管和晶须增强复合材料。qC60与环糊精、环芳烃形成的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用。 10q石墨烯石墨烯改变世界的新材料改变世界的新材料q2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫首次制备出了石墨烯。这是一种简单易行的新途径，他们强行将石墨分离成较小的碎片，从碎片中剥离出较薄的石墨薄片，然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成他们制得了石墨烯。q2010年为表彰这两位科学家被诺贝尔授予物理学奖。安德烈海姆康斯坦丁诺沃肖洛夫11q石墨烯石墨烯改变世界的新材料改变世界的新材料q石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。q石墨烯是已知材料中最薄的一种，只有石墨烯是已知材料中最薄的一种，只有0.34nm。q石墨烯迄今为止发现的最硬的物质，力学性能超强。石墨烯迄今为止发现的最硬的物质，力学性能超强。q石石墨墨烯烯良良好好的的导导电电性性及及其其对对光光的的高高透透过过性性又又让让它它在在透透明明导导电电薄薄膜膜的的应应用用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。q目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到时，用它制造出的晶体管稳定性变差。而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个个分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成分子大小的单电子晶体管。此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽纳米宽的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而的元件，导电性也很好。因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命。引发电子工业革命。12二、电阻材料二、电阻材料二、电阻材料二、电阻材料1. 1. 电阻材料概述电阻材料概述电阻材料概述电阻材料概述q定义及特征定义及特征q电阻率较高的导电材料q主要用来制作标准电阻、变阻器、电热器件和敏感电阻器件q电阻材料的特点：温度电阻系数尽可能小，阻值稳定q电阻材料的种类及应用电阻材料的种类及应用q锰铜合金锰铜合金：一般用于制作高精电阻元器件q康铜合金康铜合金：电热势高，可用于制作热电耦q镍铬合金镍铬合金：用于制作薄膜电阻q贵贵金金属属合合金金：铂基电阻、钯基电阻、金基电阻，化学稳定性好，主要用于制作绕阻器13q固定电阻器固定电阻器q碳碳膜膜电电阻阻器器：是是由由碳碳氢氢化化合合物物在在真真空空中中通通过过高高温温热热分分解解，使使碳碳在在瓷瓷质质基基体体表表面面上上沉沉积积形形成成导导电电膜膜而而制制成成。其其特特点点是是电电阻阻阻阻值值范范围围宽宽（1010），可可靠靠性性较较高高，体体积积小小，价价格格低低廉。但其单位负荷功率较小，使用环境温度较低。廉。但其单位负荷功率较小，使用环境温度较低。q金金属属膜膜电电阻阻器器：真真空空条条件件下下，在在陶陶瓷瓷表表面面上上蒸蒸发发沉沉积积一一层层金金属属氧氧化化膜膜或或合合金金膜膜而而成成。其其特特点点是是工工作作范范围围广广（-55+125），温度系数小，噪声低，体积小。），温度系数小，噪声低，体积小。q线线绕绕电电阻阻器器：是是用用镍镍铬铬合合金金、锰锰铜铜合合金金等等电电阻阻丝丝绕绕在在绝绝缘缘支支架架上上制制成成的的在在其其外外表表涂涂有有耐耐热热的的釉釉层层。其其特特点点是是功功率率大大，能能经经受受高高热热，本本身身产产生生的的噪噪声声小小，稳稳定定性性也也好好。但但其其体体积积大大，分布参数大分布参数大14q固定电阻器（续）固定电阻器（续）q金金属属玻玻璃璃釉釉电电阻阻器器：这这种种电电阻阻器器是是以以金金属属、金金属属氧氧化化物物或或难难熔熔化化合合物物作作为为导导电电相相，以以玻玻璃璃釉釉作作粘粘结结剂剂，与与有有机机粘粘结结剂剂混混合合成成桨桨料料，被被覆覆于于陶陶瓷瓷或或玻玻璃璃基基体体上上，经经高高温温烧烧结结而而成成，又又称称厚厚膜膜电电阻阻器器。其其特特点点是是耐耐高高温温、高高压压、阻阻值值范范围围宽宽（100K100）、）、温度系数小、稳定可靠、耐潮湿性好。温度系数小、稳定可靠、耐潮湿性好。q阻阻燃燃电电阻阻器器：这这种种电电阻阻器器是是在在电电阻阻器器的的表表面面涂涂上上一一层层含含有有阻阻燃燃剂的涂料。其特点是在火焰中不易燃烧（没有火焰）。剂的涂料。其特点是在火焰中不易燃烧（没有火焰）。q熔熔断断电电阻阻器器：是是一一种种的的双双功功能能元元件件，既既有有一一般般电电阻阻器器的的功功能能，又有过负荷熔断的功能又有过负荷熔断的功能。q水水泥泥电电阻阻：这这种种电电阻阻器器是是将将电电阻阻丝丝卷卷绕绕在在陶陶瓷瓷骨骨架架上上构构成成一一个个电电阻阻器器的的毛毛坯坯，将将其其装装入入陶陶瓷瓷外外壳壳，再再用用类类似似于于水水泥泥的的无无机机粘粘合合剂剂填填充充，经经干干噪噪、高高温温固固化化而而成成。其其特特点点是是小小体体积积大大功功率率、耐燃、耐电弧、耐潮湿。耐燃、耐电弧、耐潮湿。152. 2. 电阻材料敏感特性电阻材料敏感特性电阻材料敏感特性电阻材料敏感特性q金属的热电效应金属的热电效应q把两种不同金属连接形成一个回路当两个接触点产生温差时，回路中就会产生热电势，从而形成热电流；这一现象被称为热热电电效应效应，亦佳称Seebeck效应效应。q上述闭合回路被称为热电耦热电耦q热热电电耦耦回路中产生的温差电动势是由佩尔捷电动势和汤姆逊电动势联合组成的q佩尔捷电动势：在两种金属的结点处，由于电子扩散的结果而产生接触电势差，其热端和冷端的总接触电势差为：q汤姆逊电动势：同一导体的两端温度不同而产生电势差，在热电偶回路中，两种金属总的汤姆逊电动势电势为：TT0E16q金属的热电效应（续）金属的热电效应（续）q热电偶产生的热电势是由两种导体的总接触电势和总汤姆逊电势所组成，即：q当制作电偶的材料确定后，温差电动势的大小就只决定于两个接触点的温度差：电偶电偶常数常数ABCC电位差计17q金属热电耦的应用及特点金属热电耦的应用及特点q测测量量范范围围广广：可可以以从从4.2K(268.950)的的深深低低温温直直至至28000 的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温(2000)。 q测测量量精精度度高高：因因热热电电偶偶直直接接与与被被测测对对象象接接触触，不不受受中中间间介介质质的的影影响响。灵灵敏敏度度和和准准确确度度高高(可可达达10-3)，特特别别是是铂铂铑铑铂铂热热电偶。电偶。q受受热热面面积积和和热热容容量量可可做做得得很很小小，如如研研究究金金相相变变化化、小小生生物物体体温变化，水银温度计则难于可比。温变化，水银温度计则难于可比。q构构造造简简单单，使使用用方方便便：热热电电偶偶通通常常是是由由两两种种不不同同的的金金属属丝丝组组成成，而而且且不不受受大大小小和和开开头头的的限限制制，外外有有保保护护套套管管，用用起起来来非非常方便。常方便。q由由于于热热电电偶偶测测温温是是将将温温度度测测量量转转换换为为电电学学量量的的测测量量，因因而而非非常适用于自动调温和控温系统。常适用于自动调温和控温系统。18背景资料背景资料背景资料背景资料温差电：一门古老而又年轻的学科温差电：一门古老而又年轻的学科温差电是研究温差和电之间关系的科学，它是一门古老而又年轻的温差电是研究温差和电之间关系的科学，它是一门古老而又年轻的学科。构成温差电技术的基础有三个基本效应。学科。构成温差电技术的基础有三个基本效应。18211821年德国科学家塞贝年德国科学家塞贝克首先发现了温差电的第一个效应，人们称之为塞贝克效应，即两种不克首先发现了温差电的第一个效应，人们称之为塞贝克效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应成为了温差发电的技术基础。今天我们经常提到的电子致冷所这一效应成为了温差发电的技术基础。今天我们经常提到的电子致冷所依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀尔帖于依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀尔帖于18341834年发现的，它是塞贝克效年发现的，它是塞贝克效应的逆效应。两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，应的逆效应。两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。两个接头之间将产生温差。18451845年汤姆逊发现了温差电的第三个效应，年汤姆逊发现了温差电的第三个效应，即当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。后来人即当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。后来人们称它为汤姆逊效应。们称它为汤姆逊效应。温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属的温差电效应非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从二十世纪的温差电效应非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从二十世纪3030年代开始，杰出的苏联物理学家约飞最早提出采用半导体材料作为温差年代开始，杰出的苏联物理学家约飞最早提出采用半导体材料作为温差电换能材料，特别是首先提出的固熔体合金的概念，为温差电技术的实电换能材料，特别是首先提出的固熔体合金的概念，为温差电技术的实际应用奠定了理论与技术基础。际应用奠定了理论与技术基础。 19很很显显然然，温温差差电电技技术术分分为为温温差差发发电电和和温温差差致致冷冷两两大大分分支支。19421942年年前前苏苏联联最最早早制制成成了了用用火火焰焰加加热热的的温温差差发发电电器器，效效率率为为1.51.52 2。之之后后，一一些些特特殊殊领领域域对对电电源源的的需需求求大大大大刺刺激激了了温温差差发发电电器器的的研研制制工工作作，二二十十世世纪纪6060年年代代初初就就有有一一批批温温差差发发电电器器成成功功地地用用于于空空间间、地地面面和和海海洋洋。温温差差发发电电器器效效率率较较低低，一一般般不不大大于于8 8，因因此此其其应应用用范范围围受受到到一一定定限限制制。但但近近年年来来，随随着着技技术术的的不不断断进进步步，温温差差发发电电器器已已逐逐渐渐得得到到广广泛泛应应用用，不仅在军事、航天领域，而且在民用方面也表现出良好的应用前景。不仅在军事、航天领域，而且在民用方面也表现出良好的应用前景。上上世世纪纪5050年年代代初初期期，利利用用PbTePbTe和和SbSb2 2TeTe3 3材材料料分分别别作作N N、P P 臂臂的的单单级级温温差差电电致致冷冷器器的的最最大大温温差差约约4040，以以后后人人们们发发现现BiBi2 2TeTe3 3及及其其固固熔熔体体合合金金是是最最有有希希望望的的温温差差电电致致冷冷材材料料。上上世世纪纪7070年年代代以以后后，由由于于陶陶瓷瓷工工艺艺、半半导导体体材材料料制制备备方方法法、切切割割工工艺艺及及焊焊接接技技术术等等的的进进步步使使温温差差电电致致冷冷得得到到飞飞速速发发展展。迄迄今今为为止止，已已实实用用化化的的性性能能最最佳佳的的温温差差电电致致冷冷材材料料为为BiBi2 2TeTe3 3SbSb2 2TeTe3 3SbSb2 2SeSe3 3三三元元合合金金，最最大大优优值值达达3.5103.5103 3V/V/，用用这这种种材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到7070以上。以上。 背景资料背景资料背景资料背景资料20前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差致冷方面进行前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差致冷方面进行了最广泛的研究。随着这些国家政治、经济形势的变革，他们的科研了最广泛的研究。随着这些国家政治、经济形势的变革，他们的科研成果正从航天、军事领域逐渐转化到市场需求方面。美国也是温差电成果正从航天、军事领域逐渐转化到市场需求方面。美国也是温差电技术的强国，而且该技术领域得到美国政府和军方的支持。技术的强国，而且该技术领域得到美国政府和军方的支持。 目前，我国已经成为世界上温差电产品生产规模最大的国家之一，目前，我国已经成为世界上温差电产品生产规模最大的国家之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。以电子致冷饮水机为代表的温产品的技术性能也接近国际先进水平。以电子致冷饮水机为代表的温差电致冷产品广泛进入了普通家庭，可以相信，温差电技术必将得到差电致冷产品广泛进入了普通家庭，可以相信，温差电技术必将得到更加广泛的应用。更加广泛的应用。背景资料背景资料背景资料背景资料21温差电技术发展新动向温差电技术发展新动向微微型型温温差差电电器器件件是是当当今今温温差差电电技技术术的的另另一一前前沿沿。电电子子器器件件微微型型化化和和军军事事应应用用的的迫迫切切需需要要研研制制高高热热流流密密度度、高高功功率率密密度度、快快速速响响应应时时间间、低低温温差差时时能能产产生生高高电电压压的的微微型型温温差差发发电电组组件件。随随着着计计算算机机芯芯片片越越来来越越小小，运运行行速速度度越越来来越越快快，热热设设计计问问题题也也越越来来越越重重要要，迫迫切切需需要要一一种种能能集集成成在在芯芯片片上上的的微微型型致致冷冷组组件件。 按按用用途途分分，微微型型组组件件可可分分为为微微型型温温差差发发电电器器、微微型型温温差差电电传传感感器器和和微微型型温温差差电电致致冷冷器器。其其工工艺艺大大致致分分3 3类类，一一是是块块状状材材料料为为基基础础的的工工艺艺，二二是是薄薄膜膜和和微微电电子子机机械械工工艺艺（MEMSMEMS），三三是是厚厚膜膜工工艺艺。第第一一类类以以精精工工手手表表电电池池为为代代表表，第第二二类类以以 EGEGG G公公司司热热电电传传感感器器为为代代表表，第第三三类类以以美美国国喷喷气气推推进进实实验验室室的的微微型型组组件件为代表。可以预见，微型温差电器件将有美好的应用前景。为代表。可以预见，微型温差电器件将有美好的应用前景。 22q应变敏感电阻材料应变敏感电阻材料q当电阻材料受力发生应变时电阻也跟随改变力敏电阻力敏电阻。q康铜、镍铬合金、镍铬铝铜合金、镍铬铁合金、铂合金q主要应用于力敏传感器q温度敏感电阻材料温度敏感电阻材料q温度电阻系数大的金属及合金都可成为温敏电阻材料q铂及其合金特别适合用于热敏电阻器的制作q发热电阻材料发热电阻材料q电炉丝、电加热棒q常用铁铬铝合金、镍铬合金、铜镍合金灵敏灵敏系数系数23三、超导材料三、超导材料三、超导材料三、超导材料1. 1. 超导材料的基础知识超导材料的基础知识超导材料的基础知识超导材料的基础知识q什么是超导材料？什么是超导材料？q根据欧姆定律：根据欧姆定律：UIRq如果电阻为零的话，欧姆定律还成立吗？如果电阻为零的话，欧姆定律还成立吗？q当当某某些些材材料料被被冷冷却却到到低低于于某某个个转转变变温温度度时时，电电阻阻会会突然会消失。科学家将这种现象叫做超导现象。突然会消失。科学家将这种现象叫做超导现象。U一定等于IR吗？24q谁发现了超导现象？谁发现了超导现象？q19081908年年，荷荷兰兰物物理理学学家家昂昂纳纳斯斯首首次次成成功功地地把把称称为为“永永久久气气体体”的的氮氮液液化化，因因而而获获得得4.24.2K K 的低温源，为超导准备了条件。的低温源，为超导准备了条件。q三三年年后后即即19111911年年，在在测测试试纯纯金金属属电电阻阻率率的的低低温温特特性性时时，他他又又发发现现，汞汞的的直直流流电电阻阻在在4.24.2K K时时突突然然消消失失，多多次次精精密密测测量量表表明明，汞汞柱柱两两端端电电压压降降为为零零，他他认认为为这这时时汞汞进进入入了了一一种种以以零零阻阻值值为为特特征征的的新新物物态态，并并称称为为“超导态超导态”。q昂昂纳纳斯斯在在19111911年年1212月月2828日日宣宣布布了了这这一一发发现现。但但此此时时他他还还没没有有看看出出这这一一现现象象的的普普遍遍意意义义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。仅仅当成是有关水银的特殊现象。Kammerlingh Onnes18531926，荷兰人，荷兰人， Leyden University教授教授1913年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖252. 2. 关于超导材料的重要物理概念关于超导材料的重要物理概念关于超导材料的重要物理概念关于超导材料的重要物理概念qq 迈斯纳效应迈斯纳效应迈斯纳效应迈斯纳效应q迈迈斯斯纳纳（MiesserMiesser）效效应应又又叫叫完完全全抗抗磁磁性性，19331933年年由由德德国国物物理理学学家家迈迈斯斯纳纳（W.W.MeissnerMeissner）和和奥奥森森菲菲尔尔德德（R.R.OchsebfekdOchsebfekd）发发现现，超超导导体体一一旦旦进进入入超超导导状状态态，体体内内的的磁磁通通量量将将全全部部被被排排出出体体外外，磁磁感感应应强强度度恒恒为为零零，且且不不论论对对导导体体是是先先降降温温后后加加磁磁场场，还还是是先先加加磁磁场场后后降降温温，只只要要进进入入超超导导状状态态，超超导导体体就就把把全部磁通量排出体外。全部磁通量排出体外。B= 0(H+M)=0NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态；表示超导态；N表示正常态表示正常态迈斯纳效应的迈斯纳效应的基体公式基体公式26qq 迈斯纳效应（续）迈斯纳效应（续）迈斯纳效应（续）迈斯纳效应（续）q迈迈斯斯纳纳和和奥奥斯斯菲菲尔尔德德在在1933年年研研究究处处于于超超导导态态样样品品体体内内的的磁磁场场时时发发现现，不不论论是是先先降降温温使使样样品品进进入入超超导导态态再再加加磁磁场场，还还是是先先加加磁磁场场再再降降温温，当当样样品品处处于于超超导导态态时时，体体内内的的磁磁感感应应强强度度总总是是等等于于零零，磁磁感感应应线线完完全全被被排排出出体体外外。即即B=B0+0M=0。由由此此求求得得金金属属在在超超导导电电状状态态的的磁磁化化率率为为=0M/B0= 1, 是是负负值值。以以上上B0是是外外加加磁磁场场H在在真真空空中中的的磁磁感感应应强强度度。所所以以说说, 超超导导体体是是一一个个“完完全全抗抗磁磁体体”，超导体的完全抗磁性称为，超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应。迈斯纳效应。q迈斯纳效应发现的意义迈斯纳效应发现的意义q由由于于超超导导态态的的完完全全抗抗磁磁性性与与怎怎样样进进入入超超导导态态的的历历史史无无关关，说说明明超超导态是一个热力学平衡态。导态是一个热力学平衡态。q超超导导态态的的完完全全抗抗磁磁性性是是独独立立于于零零电电阻阻特特性性的的另另一一特特性性，不不可可能能从从零零电电阻阻特特性性派派生生出出完完全全抗抗磁磁性性。超超导导态态不不是是普普通通意意义义下下的的理理想想导导体，体，完全抗磁性和零电阻特性是超导态两个独立的基本特性。完全抗磁性和零电阻特性是超导态两个独立的基本特性。27q观察迈纳斯效应的磁悬浮试验观察迈纳斯效应的磁悬浮试验q在在锡锡盘盘上上放放一一条条永永久久磁磁铁铁，当当温温度度低低于于锡锡的的转转变变温温度度时时，小小磁磁铁铁会会离离开开锡锡盘盘飘飘然然升升起起，升升至至一一定定距距离离后后，便便悬悬空空不不动动了了，这这是是由由于于磁磁铁铁的的磁磁力力线线不不能能穿穿过过超超导导体体，在在锡锡盘盘感感应应出出持持续续电电流流的的磁磁场场，与与磁磁铁铁之之间间产产生生了了排排斥斥力力，磁磁体体越越远远离离锡锡盘盘，斥斥力力越越小小，当当斥斥力力减减弱弱到到与与磁磁铁铁的的重重力相平衡时，就悬浮不动了力相平衡时，就悬浮不动了。28qq 临界磁场临界磁场临界磁场临界磁场q逐逐渐渐增增大大磁磁场场到到达达一一定定值值后后，超超导导体体会会从从超超导导态态变变为为正正常常态态，把把破破坏坏超超导导电电性性所所需需的的最最小小磁磁场场称称为为临临界界磁磁场场，记为记为H Hc c。正常态正常态HHc(0)Tc超导态超导态29qq 临界电流临界电流临界电流临界电流q超超导导体体无无阻阻载载流流的的能能力力也也是是有有限限的的，当当通通过过超超导导体体中中的的电电流流达达到到某某一一特特定定值值时时，又又会会重重新新出出现现电电阻阻，使使其其产产生生这这一一相相变变的的电电流流称称为为临临界界电电流流，记记为为Ic。目目前前，常常用用电电场场描描述述Ic(V) ，即即当当每每厘厘米米样样品品长长度度上上出出现现电电压压为为1 V时所输送的电流时所输送的电流。Ic(V)IV失超失超30qq 超导体分类超导体分类超导体分类超导体分类q第第一一类类超超导导体体：只只有有一一个个临临界界磁磁场场，它它们们在在超超导导态态具具有有完完全抗磁性和零电阻性。全抗磁性和零电阻性。q第第二二类类超超导导体体：它它们们在在TTc，HHc2时时处处于于正正常常态态，当当Hc1(T)H17K的的V3Si、Nb3Sn，Laves型型ZrV2、 ZrRe2等等q70年代初年代初 Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb7Ga、 NbGe等，最高等，最高 Tc=23.2 Kq1964年年Schooley发发现现了了第第一一个个氧氧化化物物超超导导体体SrTiO3(0.4K), BaPb1-xBixO3 (钙钛矿钙钛矿)、Li1+xTi2-xO4q有有机机超超导导体体的的发发现现：1980年年的的(TMTSF)2PF6， Tc=0.9K；1987年年的的(BEDT-TTF)2Cu(SCN)2， Tc=7.8K； 1990年的年的C6032q1986年年8月月，IBM的的苏苏黎黎士士研研究究室室的的米米勒勒教教授授和和贝贝德德诺诺兹兹教教授授发发现现了了一一种种铜铜氧氧化化合合物物，它它们们在在35K的的温温度度下下电电阻阻接接近近于于0，一一下下子子把把超超导导温温度度提提高高了了12度度；1986年年12月月，米米勒勒教教授授和和贝贝德德诺诺兹兹教教授授发发现现了了一一种种新新型型的的陶陶瓷瓷超超导导体体(此此前前超超导导体体都都是是金金属属)，这这种种超超导导体把超导性的临界温度又提高到了体把超导性的临界温度又提高到了38K。q1987年年初初，美美籍籍华华人人科科学学家家朱朱经经武武教教授授和和他他的的学学生生吴吴茂茂琨琨发发现现了了另另外外一一种种材材料料；钇钇钡钡铜铜氧氧化化物物，使使超超导导记记录录提提高高到到了了93K。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。q目目前前中中国国在在高高温温超超导导材材料料研研制制方方面面仍仍处处于于世世界界领领先先地地位位。具具体体的的成成果果有有：钇钇钡钡铜铜氧氧材材料料临临界界电电流流密密度度可可达达6000A/cm2，同同样样材材料料的的薄薄膜膜临临界界电电流流密密度度可可达达106A/cm2。利利用用自自制制超超导导材材料料已已可可测测到到2108G的的极极弱弱磁磁场场（这这相相当当于于人人体体内内如如肌肌肉肉电电流流的的磁磁场场），新新研研制制的的铋铋铅铅锑锑锶锶钙钙铜铜氧氧超超导导体体的的临临界界温温度度已已达达132K到到164K，这这些些材材料料的的超超导导机机制制已已不不能能用用BCS理理论论解解释释，中中国国科科学学家家在在超超导导理理论方面也正做着有开创性的工作。论方面也正做着有开创性的工作。334. 4. 超导的理论研究超导的理论研究超导的理论研究超导的理论研究qq 现代超导微观理论（现代超导微观理论（现代超导微观理论（现代超导微观理论（BCSBCS理论）理论）理论）理论）q超导现象一直是个迷，直到库柏提出电子对概念后才得以解决。超导现象一直是个迷，直到库柏提出电子对概念后才得以解决。qBCS理理论论由由J. Barden, L. Cooper and R. Schrieffer三三位位科科学学家家提出。提出。q电电子子同同晶晶体体相相互互作作用用，在在常常温温下下形形成成电电阻阻。但但在在超超低低温温下下，电电阻阻由由电电子子对对相相互互作作用用产产生生。电电子子对对（库库柏柏对对）是是关关联联运运动动的的，而而不不是是独独立立运运动动的的，因因此此不不是是通通过过因因晶晶格格缺缺陷陷或或振振动动（声声子子）产生电阻，所以会出现零电阻现象。产生电阻，所以会出现零电阻现象。qBCS理理论论的的表表述述：超超导导电电性性源源于于固固体体中中电电子子的的配配对对，而而电电子子配配对对的的相相互互吸吸引引作作用用源源于于电电子子和和晶晶格格振振动动间间相相互互作作用用，即即交交换换虚虚声声子子； 配配对对发发生生在在自自旋旋相相反反动动量量和和为为零零的的两两个个电电子子间间，即即动动量量 凝聚。凝聚。q进入超导态的电子发生了深刻变化进入超导态的电子发生了深刻变化q晶格起重要作用，电声的决定性晶格起重要作用，电声的决定性345. 5. 超导材料的应用超导材料的应用超导材料的应用超导材料的应用q利利用用超超导导材材料料的的抗抗磁磁性性，将将超超导导材材料料放放在在一一块块永永久久磁磁体体的的上上方方，由由于于磁磁体体的的磁磁力力线线不不能能穿穿过过超超导导体体，磁磁体体和和超超导导体体之之间间会会产产生生排排斥斥力力，使使超超导导体体悬悬浮浮在在磁磁体体上上方方。利利用用这这种种磁磁悬悬浮浮效效应应可可以以制作高速超导磁悬浮列车。制作高速超导磁悬浮列车。35q超超导导材材料料最最诱诱人人的的应应用用是是发发电电、输输电电和和储储能能。由由于于超超导导材材料料在在超超导导状状态态下下具具有有零零电电阻阻和和完完全全的的抗抗磁磁性性，因因此此只只需需消消耗耗极极少少的的电电能能，就就可可以以获获得得1010万万高高斯斯以以上上的的稳稳态态强强磁磁场场。而而用用常常规规导导体体做做磁磁体体，要要产产生生这这么么大大的的磁磁场场，需需要要消消耗耗3.53.5兆兆瓦瓦的的电电能能及及大大量量的的冷冷却却水水，投投资资巨巨大大。超超导导磁磁体体可可用用于于制制作作交交流流超超导导发发电电机机、磁流体发电机和超导输电线路等。磁流体发电机和超导输电线路等。高温超导磁体高温超导磁体 36q超超导导技技术术在在军军事事上上有有着着非非常常广广泛泛的的应应用用前前景景，随随着着超超导导技技术术的的日日益益成成熟熟，有有朝朝一一日日海海军军潜潜艇艇的的设设计计会会发发生生根根本本性性的的变变革革，出出现现比比今今天天的的潜潜艇艇要要先先进进的的多多的的超超导导潜潜艇艇。其其外外形形尺尺寸寸可可能能只只有有今今天天潜潜艇艇的的一一半半，但但所所装装备备的的数数量量将将增增加加一一倍倍；航航速速将将会会提提高高。而而噪噪音音却却大大大大降降低低而而且且超超导导体体在在传传输输过过程程中中不不会会损损失失电电力力。同同时时，超超导导技技术术在在解解决决实实际际应应用用问问题题后后，部部分分潜潜艇艇将将采采用用电电力力推推进进系系统统，常常规规潜潜艇艇将将有有可可能能采采用用闭闭式式循循环环的的热热气气机机动动力力，从从而而结结束束常常规规潜潜艇艇水水下下航航行行单单纯纯依依赖赖蓄蓄电电池池提提供供能能量量的的时时代代。目目前前，法法国国海海军军正正在在研研制制一一种种全全动动力力潜潜艇艇，既既是是一一种种隐隐蔽蔽性性能能强强、效效率高、节能的电动舰艇，预计将于率高、节能的电动舰艇，预计将于10年后问世。年后问世。37q超超导导计计算算机机：高高速速计计算算机机要要求求集集成成电电路路芯芯片片上上的的元元件件和和连连接接线线密密集集排排列列，但但密密集集排排列列的的电电路路在在工工作作时时会会发发生生大大量量的的热热，而而散散热热是是超超大大规规模模集集成成电电路路面面临临的的难难题题。超超导导计计算算机机中中的的超超大大规规模模集集成成电电路路，其其元元件件间间的的互互连连线线用用接接近近零零电电阻阻和和超超微微发发热热的的超超导导器器件件来来制制作作，不不存存在在散散热热问问题题，同同时时计计算算机机的的运运算算速速度度大大大大提提高高。此此外外，科科学学家家正正研研究究用用半半导导体体和和超超导导体体来来制制造造晶晶体体管管，甚甚至完全用超导体来制作晶体管。至完全用超导体来制作晶体管。38明天的超导应用明天的超导应用超导电磁炮超导电磁炮超导高速公路超导高速公路超导芯片超导芯片超导飞船超导飞船超导超导“金霸王金霸王”39q日日本本和和美美国国都都在在积积极极研研究究开开发发新新一一代代超超导导线线材材，2005年年前前后后将将会会开开发发成成功功，并并取取代代铋铋系系列列超超导导线线材材而而应应用用在在机机器器设设备备上上。钇钇系系列列超超导导材材料料的的制制造造技技术术已已经经基基本本确确立立起起来来，正正在在开开发发的的有有蓄蓄电电装装置置和和磁磁分分离离装装置置等等。目目前前，两两种种最最有有前前途途的的超超导导电电子子元元件件：其其一一是是超超导导量量子子干干涉涉元元件件，其其二二是是单单一一磁磁通通量量子子元元件件。前前者者由由于于能能够够测测量量极极其其微微弱弱的的磁磁性性，因因而而可可被被应应用用到到医医学学和和材材料料的的非非接接触触探探伤伤等等方方面面；后后者者具具有有运运算算速速度度快快、消消耗耗电电力力少少等等优优异异性性能能，有有望望被被用用作新的信息处理元件作新的信息处理元件,但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。qC60超超导导体体有有较较大大的的发发展展潜潜力力，由由于于它它弹弹性性较较大大，比比质质地地脆脆硬硬的的氧氧化化物物陶陶瓷瓷易易于于加加工工成成型型，而而且且它它的的临临界界电电流流、临临界界磁磁场场和和相相干干长长度度均均较较大大，这这些些特特点点使使C60超超导导体体更更有有望望实实用用化化。 C60被被誉誉为为21世世纪纪新新材材料料的的”明明星星”，这这种种材材料料已已展展现现了了机机械械、光光、电电、磁磁、化化学学等等多多方方面面的的新新奇奇特特性性和和应应用用前前景景。有有人人预预言言巨巨型型C240、C540合合成成如能实现，还可能成为室温超导体。如能实现，还可能成为室温超导体。40思考与讨论思考与讨论1. 超导体分几类超导体分几类,有几种状态有几种状态? 各是什么状态各是什么状态?2. 测量电流为什么必须反向测量电流为什么必须反向,不反向会发生什么问题不反向会发生什么问题?3. 什么是迈斯纳效应什么是迈斯纳效应?4. 进入超导态的物质有哪两种特性进入超导态的物质有哪两种特性?5. 什么是高温超导材料什么是高温超导材料?6. 试比较理想导体与超导体的区别。试比较理想导体与超导体的区别。7. 举例说明超导的应用（可自己设计一些应用）。举例说明超导的应用（可自己设计一些应用）。8. 用你所掌握的知识分析实验中出现的一些现象（如温用你所掌握的知识分析实验中出现的一些现象（如温差电势及接触电势）。差电势及接触电势）。9. 超导体的零电阻现象是如何测量的超导体的零电阻现象是如何测量的?10. 试分析超导体零电阻现象。试分析超导体零电阻现象。4142科技名人塞贝克科技名人塞贝克 塞塞贝贝克克（Thomas Thomas JohannJohann SeebeckSeebeck） 俄俄国国- -德德国国科科学学家家。17701770年年4 4月月9 9日日生生于于爱爱沙沙尼尼亚亚（俄俄国国）的的雷雷维维尔尔；18311831年年1212月月1010日日卒卒于于德德国国柏柏林林。塞塞贝贝克克是是歌歌德德的的朋朋友友，两两人人一一起起研研究究过过色色彩彩的的理理论论，可可是是，这这个个理理论论是是错错误误的的。不不过过，他他终终于于做做出出了了有有成成效效的的工工作作，这这便便是是在在18211821年年首首先先观观察察到到的的，如如果果两两种种不不同同的的金金属属在在两两处处相相接接，并并且且两两个个结结点点保保持持不不同同的的温温度度，就就会会有有电电流流连连续续不不断断地地流流过过电电路路。塞塞贝贝克克本本人人对对这这种种从从热热到到电电的的转转化化（温温差差电电）没没有有给给予予正正确确的的解解释释，因因而而也也就就没没有有作作深深入入的的研研究究。所所以以”塞塞贝贝克克效效应应”长长达达一一个个多多世世纪纪无无人人过过问问。如如今今这这种种效效应应得得到到了了卓卓有有成成效效的的利利用用，特特别别是是在肖克利及其合作者首先制造的半导体器上。在肖克利及其合作者首先制造的半导体器上。 43