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1、主要内容6.1导电性6.2超导性6.3热传导与热电效应6.4材料的介电性能第1页/共131页6.1 导电性l自由电子近似下的导电l能带理论下的导电性l导电性与温度的关系l电阻率与杂质的关系l霍尔效应l电导功能材料第2页/共131页自由电子近似下的导电（1）经典自由电子理论 欧姆定律：电流密度与电场强度成正比：J=E：称为电导率，电阻率的倒数。l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，运动受到阻力，即电阻的来源。l设电场强度为E，单位体积内的自由电子数为n，电子两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v
2、，电子的电量为e，质量为m,则价电子受到的力第3页/共131页所以有电流密度所以电导率其中l=v为电子的平均自由程。成功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多，且无法解释导体、半导体和绝缘体的差异。第4页/共131页（2）量子自由电子理论l考虑量子效应，在自由电子近似下，仅费米面附近的电子运动未被抵消，对导电性有贡献。在此情况下与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。F,lF,vF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。l按此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
3、须用能带理论才能解释其导电性。第5页/共131页l 实际晶体的电子是以布洛赫波传导，电子的能量分布服从费米狄拉克统计。自由电子模型的费米球和费米-狄拉克分布函数对于自由电子近似，电子处于动量空间(Px，Py，Pz)中，从原点开始，每个体积中依次占有两个电子，n个电子处于填满球形的状态。这个球称为费米球，球表面称为费米面，球表面上的电子能量(最大的电子能)称为费米能。第6页/共131页在有限温度下，热激发引起球面混乱，即电子的占有几率服从费米狄拉克统计分布：热激发引起的电子占有几率小于1的能量幅为kT(T300K时为0.025eV)。费米能为几个ev，因此，即使在有限温度，费米球混乱也只在最表面
4、。第7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；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，有净电流流动。弛豫时间：系统恢复到平衡状态的时间。l弛豫时间是电子能量的函数，以费米能级电子的弛豫时间控制。电导率第8页/共131页l自由电子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据能带理论处理。自由近似电子的E-K曲线电子有效质量m*由德布罗意关系式和得即采用E-K曲线的曲率决定电子的有效质量。第9页/共131页有效电子数n*设一维晶格的长度为L，dk范围内包含的电子数为(L/2)dk,则n*只由费米水平上
5、的E-K曲线的形状决定。u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物线。因此根据E-K曲线的形状决定n*将会有很大的变化。第10页/共131页能带理论下的导电性在能带理论下，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；m*：电子的有效质量，是考虑晶体点阵对电场作用的结果。l该公式不仅适用于金属，也适用于非金属。对碱金属，n*=n，m*=m，即与自由电子的假设形式相同。l不同的材料有不同的n*，导致其导电性的很大差异。第11页/共131页(1)一价元素IA族碱金属Li,Na,K,Rb,Cs和IB族Cu,Ag,Au价带s电子半充满，良导体。电阻率=10-610-2
6、m第12页/共131页(2)二价元素IIA族碱土金属Be,Mg,Ca,Sr,Ba和IIB族Zn,Cd,Hg价带s 电子充满，应为绝缘体。但在三维晶体，能带交叠，费米能级以上无禁带，导体。第13页/共131页(3)三价元素IIIA 族Al,Ga,In,Tl，s电子充满，p电子半充满，导体。(4)四价元素IVA族Si,Ge，价带填满，导带空，有能隙Eg。l对Si,Ge,Eg分别为0.67eV,1.14eV，室温下价带电子受热激发进入导带，成为传导电子低温下绝缘体，室温下半导体。温度升高，导电性增加。第14页/共131页(5)五价元素lAs,Sb,Bi，每个原子有5个价电子，每个原胞有两个原子，使五
7、个带填10个电子，几乎全满。有效电子很少，比一般金属少4个数量级半金属第15页/共131页(6)离子晶体l能带结构与四价元素相同，但Eg很大，一般有效电子数是0，为绝缘体。l例：NaCl，Na+的3s 电子移到Cl-的3p 轨道，3s 成为空带，3p成为满带，其间是10eV的禁带，热激发不能使之进入导带。第16页/共131页导电性与温度的关系电阻电阻的的来源来源l能带理论认为能带理论认为：能带中的电子可在晶格中自由运动，：能带中的电子可在晶格中自由运动，因此因此电子波通过理想晶体点阵电子波通过理想晶体点阵(0K）时不受散射，电阻）时不受散射，电阻为为0。l电阻的来源：破坏晶格周期性的因素对电子
8、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：晶格振动波的能量子。u晶格热振动：晶体中的原子以平衡位置为中心不停地振动，在弹性范围内交替聚拢和分离。u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。第17页/共131页弛豫时间F：平均自由程F：有点缺陷、位错和晶界等晶体缺陷决定。第18页/共131页电阻与温度的关系对理想晶体，由于只有声子散射电子，所以电子的平均自由程lF由声子数目决定。声子数目随温度升高而增多，在不同的温度范围有不同的规律。第19
9、页/共131页导电性与温度的关系高温时的电阻德拜温度TD：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热激发。爱因斯坦近似：温度远大于TD时原子是以稳定位置为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。在晶体中等于德拜频率:第20页/共131页 对于热平衡状态下的谐振子，能量KT/2分别被分配到平均动能和势能中。设振幅为x，势能的平均值为222DM（M为原子质量）,温度为T时振幅的均方值为因电子运动的平均自由程F与散射的横截面积成正比，且认为原子热振动引起的散射横截面积与成正比，因此可见电阻与温度成正比，即：导电性与温度的关系高温时的电阻(
10、T2TD/3的高温)第21页/共131页导电性与温度的关系低温时的电阻低温即T远低于TD下，爱因斯坦近似不成立。须处理电子波与声子的能量互换。低温时的电阻的推导结果如下：根据低温晶格振动的德拜近似，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C，电阻表达式中的弛豫时间：与T成正比。第22页/共131页导电性与温度的关系低温时的电阻另一方面，C与声子数（T3）成反比，因此变成T5，即低温时的电阻则为(T1.2GPa），电阻率降低；反常金属：随压力（1.2GPa），电阻率升高；这是由于原子间距缩小，内部缺
11、陷状态、电子结构、费米能和能带结构都会发生变化。具体情况需仔细分析。第28页/共131页压力可引起绝缘体金属转变！金属电阻的其他影响因素压力一些半导体和绝缘体转变为导体的压力极限第29页/共131页金属电阻的其他影响因素冷加工正常情况：冷加工将导致金属电阻率增加纯金属（Fe，Cu，Ag，Au）：26W可达50，Mo可达20，有序固溶体可达100以上。原因：冷加工导致的晶格畸变、晶体缺陷引起，能增加电子散射几率。反常情况：Ni-Cr，Ni-Cu-Zn等。原因：K态有关。冷加工将导致材料剩余电阻率增加。第30页/共131页点缺陷引起的剩余电阻率变化远大于线缺陷引起的变化。金属电阻的其他影响因素缺陷
12、低浓度碱金属的剩余电阻第31页/共131页金属电阻的其他影响因素位错一般金属在形变量为8时，位错密度为105108/cm2再结晶温度退火，位错大量湮灭，因而此时位错的影响可忽略4.2K时位错密度对电阻的影响(a)Fe,(b)Mo第32页/共131页霍尔效应霍尔效应：将金属导体放在与通过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电场。霍尔场霍尔系数：表征霍尔场的物理参数霍尔效应示意图导体处于电场Ex和磁场Hs中，电子运动速度为vx，则有电场Ey产生。第33页/共131页霍尔效应产生的原因：磁与电的相互作用在试样的x方向上施加电场Ex，同时在与x垂直的方向上施加磁场H
13、z，产生洛伦兹力对运动的电子起作用电子在y方向上也受力，稳定状态下，在y方向上发生电子的极化，极化的电场与洛伦兹力处于平衡状态，即在y上产生感应电压第34页/共131页由于Jx=-nevx，霍尔系数：Ey/Hx若是自由电子的状态下，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。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被抽去的状态。金属中霍尔系数为正的情形也很多(Zn，Fe等)，由于这些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。第35页/共131页其中霍尔系数变为根据金属的原子价
14、和密度，可得出单位体积中的自由电子数(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。第36页/共131页u应用A.证明了金属中有自由电子，是电荷的载体。B.对自由电子的情形，可以用测量RH计算电子密度。C.可用测量RH判断半导体载流子的类型。RH0 自由电子导电 RH0 空穴导电 实验表明金属中也有RH0的情形，如Zn,Fe等，即不是简单的自由电子导电，因其能带结构复杂，可能由空穴控制传导。第37页/共131页反常RH，即R0推动了金属中电子状态的研究第38页/共131页电导功能材料仅对导电材料、电阻材料
15、、电触点材料作简介(1)导电材料l常用的有Cu,Al。lCu导线一般为电解铜，提高纯度。Al的相对电导率为61%,密度是Cu的1/3，但强度低且不耐高温，一般不用纯铝。第39页/共131页(2)电阻材料lA.精密电阻合金：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。lB.电热合金：在9001350C工作的电热体，如Ni-Cr,Fe-Cr-Al等合金。lC.高温加热元件和电极：1500C以上工作的电热体，用陶瓷，如SiC（硅碳棒）,MoSi2，LaCrO3，SnO2等。第40页/共131页(3)电触点材料l开关、继电器等涉及两
16、接触导体的导电。l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。l作为触点的材料一般要求接触电阻小,接触状态稳定,不易磨损,不易扩散。l常用的触点材料：Cu,Cu-Ag,Cu-Be,Ag,Cu-Ag-Pt,W-Ag,Pt-Ir,Ir-Os,Ir-Os-Pt等金属和合金。第41页/共131页6.2超导性l超导现象l超导理论l高温超导l超导的应用第42页/共131页6.2超导性Q：为何超导研究受到广泛重视？材料为什么会超导？在1933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：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
17、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（1）输电 目前输电损耗10。普通导线：电流1-2A/mm2；而超导导线，电流可达1000A/mm2（2）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。（3）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。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。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。（4）约瑟夫森效益 超导体的约瑟夫森结的电压电流曲
18、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。（5）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，延迟线等。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。（6）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。第44页/共131页超导现象 超导现象首先在Hg中校发现。在这之后，已经知道有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合物显
19、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。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 Onnes1908年 液He，1K1911年 Hg，4.173K第45页/共131页第46页/共131页液氦(4He：4.2K，3He：3.2K)液氢(20.4K)液氖(27.1K)液氮(77.3K)液氧(90.2K)临界温度Tc最高值递增时间表第47页/共131页1911年，荷兰物理学家KamerlinghOnnes发现了Hg的超导电性；（R=0）1933年，W.Meissner和R.Ochsebfekd发现
20、了超导体的完全排磁通现象，称为Meissner效应；（B=0）1930s1950s之间发展了超导的唯象理论，包括：（1）二流体模型热力学性质（2）London理论电磁性质（Pippard理论；Ginzburg-Landau理论）1957年，J.Bardeen、L.V.Cooper、J.R.Schrieffer发表了超导的微观理论BCS理论；1957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基础；1962年，B.D.Josephson发现超导隧道效应，称为Josephson效应，为超导体的弱电应用打开了大门；1986年，Bednorz和Mller发现了高温超
21、导体LaBaCuO。超导现象发展简史第48页/共131页超导现象临界温度TC零电阻：超导体在转变温度以下电阻趋于零。在一定温度下，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10-25cm，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。第49页/共131页超导现象临界温度TC超导体的分类：类超导体与类超导体类超导体：除V、Nb、Ta以外具有超导性质的金属均为I类超导体。类超导体：V、Nb、Ta以及合金和化合物超导体均为类超导体。类超导体类超导体两类导体的磁化行为不同，如下图所示。第50页/共131页第51页/共131页超导现象临界温度TC同位素效应：在同一元素中，由
22、于同位素的不同，转变温度大致按TC m1/2变化。（m为原子质量）同位素原子量越小，Tc越高。后来发现其它超导元素也有类似的现象，这称为同位素效应。第52页/共131页金属是由晶格粒子(原子实)间共有化的电子组成，它们之间概括有几类相互作用：晶格电子、电子声子、晶格晶格等相互作用。究竟是哪一种相互作用促使金属发生超导转变?从同位性素效应可以看出反映电子超导转变难易受原子质量的影响，而原子质量M的不同会使晶格运动性质不同，说明晶格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，M0时，Tc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声子作用是超导电性的根源超
23、导现象临界温度TC第53页/共131页超导现象临界磁场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(试样外表面除外)，即超导体中应该感应一个和外磁场相等的反向磁场的现象。设B为外部磁通量，M为磁化强度，0为真空透磁率，则磁化率x0M/B。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页在超导状态下施加磁场，磁场不能进入超导体中的现象。该现象说明超导体中感应出一个与外磁场相等的反向的磁场，超导体是完全的抗磁体。第55页/共131页实际上，磁场产生的磁感应强度并不是在表面突然降为零，而是以一定的穿透深度50nm按指
24、数规律递减至0。第56页/共131页超导现象临界磁场HC当磁场增强到一定程度，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，抗磁性完全消失，如图(b)所示。第57页/共131页图中I的情形称为第类超导体，像那种具有下临界磁场强度HC1和上临界磁场强度HC2两个临界磁场的情形称做第类超导体。纯金属的情况下，如图中磁化曲线I所示。在临界磁场HC时抗磁性急剧消失变成正常传导，但在合金的情况下，如图中曲线所示，HC1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HC2，则整个试样完全变成正常传导状态，试样的电
25、阻变成有限值。超导现象临界磁场HC第58页/共131页超导现象临界磁场HC混合状态:HC1和HC2之间的磁场是试样内部正常传导和超导两种状态混合存在。由于HC2约是HC1的100倍，HC2很高的第类超导体适于作产生高磁场的超导磁体材料。图(c)表示临界磁场HC的值随温度升高而减少，TC时变为零。HC对温度的依赖关系可近似地表达成 第类超导体的H0值随TC成正比地增加，因此转变温度越高的物质临界磁场强度也越高。第59页/共131页超导现象临界电流密度JCl实际的超导中有电流。电流的存在产生磁场，当其与外磁场之和超过临界磁场强度时超导态被破坏。l临界电流JC：超导状态破坏的临界电流密度。l临界电流
26、JC随外磁场的增大降低。三者（TC、HC、JC）是评价使用超导材料的三个性能指标，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。第60页/共131页超导现象超导态的特性1、完全导电性 进入超导态的超导体中有电流没有电阻，即超导体是等电位的，体内没有电场。2、完全抗磁性迈斯纳效应(Meissener)处于超导态的材料，不管经历如何，磁感应强度H始终为零，也就是说超导体为抗磁性。此时，超导体具有屏蔽磁场和排除磁通的功能。3、通量(flux)量子化根据量子力学原理，这个磁通是量子化的，为n*h/(2e),n是整数，h普朗克常数，e电荷量。第61页/共131页超导现象比热l与正常传
27、导状态相比，超导状态在低温时比热小，而在高温时比热变大。在转变温度时发生比热跃迁。l正常态转变为超导态是一种无序的高能态向有序的低能态“凝聚”的过程。l在磁场下超导转变是电子系统的二级相变，无磁场下的转变为一级相变。第62页/共131页超导现象隧道效应不同金属间的隧道效应虚线为正常传导的I-V关系，实线为超导状态下的I-V关系由于隧道效应，中间夹有绝缘薄膜两金属有电流通过。超导状态下，电压从VC开始不随电流增大而增加。应用：可制成约瑟夫森器件，进行微瓦级小功率的超高速（10-12s）开关动作，应用于超高速计算机等场合。A,B 两金属夹一绝缘薄膜并施加电压V，由于隧道效应有电流通过。正常传导和超
28、导状态的I-V关系不同。超导状态下电压到某临界值时突然产生电流。（Josephson 约瑟夫森效应）第63页/共131页超导理论Q：超导由何种机制产生？临界温度超导由何种机制产生？临界温度Tc的极限是多高？能否获得室温的超导体？需要理论。但90年来仍未找到令人信服的理论。1957年，J.Bardeen,L.N.CooperandSchrieffer提出BCS理论，基本思想：第64页/共131页超导理论超导性的微观理论超导状态在下欧姆定律不适用。伦敦方程：1935年伦敦兄弟发现在超导下，电流密度和相关磁场的矢量势成正比：经推导得：L是伦敦穿透深度，表示磁场穿透深度的参量。第65页/共131页超导
29、理论超导性的微观理论相关长度也是一个重要的参量。纯金属的相关长度0可用下式表示0表示费米能级的电子动能变化范围，它不能超越能隙Eg，即0相继出现的库柏对，没有破坏的区域。第66页/共131页u如果相关长度大于比穿透深度，超导体则为第I类超导体。u不完整晶体的电子平均自由程(常态下的)变短。相干长度用平均自由程控制。若平均自由程变短，不满足第I类超导体的条件，应变成第类超导体。通过合金化，金属的超导性从第I类变成第类。超导理论超导性的微观理论第67页/共131页超导理论BCS理论巴丁(J.Bardeen)、库柏和施瑞弗在1957年发表的经典性的论文中提出了超导电性量子理论，被称为BCS超导微观理
30、论。第68页/共131页其核心内容是：电流是自由电子在离子实周围的流动。电阻产生的原因是原子的热振动及它们在空间位置的不确定性阻碍了电子流动。自旋矢量和波动矢量反向的两个电子由于声子作媒介有相互吸引，正常传导状态下，电子的库仑斥力比这一引力大。若引力大于库仑斥力，则两个电子结合成“库帕对”，“库帕对”以单粒子的形式存在，成对流动，不受晶体中离子实影响电阻消失，超导出现。超导理论BCS理论第69页/共131页库库柏柏电电子子对对的的形形成成原原理理：金金属属晶晶体体中中的的外外层层价价电电子子处处在在带带正正电电性性的的原原子子实实组组成成的的晶晶格格环环境境中中，带带负负电电的的电电子子吸吸引
31、引原原子子实实向向它它靠靠拢拢，在在电电子子周周围围形形成成正正电电势势密密集集的的区区域域，它它又又吸吸引引第第二二个个电电子子，即即电电子子通通过过格格波波声声子子相相互互作作用用形形成成电电子子对对，称称为为“库柏电子对库柏电子对”。这这种种库库柏柏电电子子对对具具有有低低于于两两个个单单独独电电子子的的能能量量，在在晶晶格格中中运运动动没没有任何阻力，因而产生超导性。有任何阻力，因而产生超导性。超导理论BCS理论库柏电子对形成示意库柏电子对形成示意第70页/共131页 从超导电性转变温度的同位素效应可知，超导电性是电子系统的现象，但晶格起着重要作用，即超导电性产生是电子晶格相互作用的结
32、果。在解决超导电性微观理论时，必须考虑晶格点阵运动以及电子过程两个方面。解决超导转变的关键因素：电子声子相互作用。声子是晶格振动的表征，根据BCS理论，自旋矢量和波动矢量反向的两个电子，由声子作为媒介引起电子间相互吸引作用。若引力库仑排斥力:电子对为超导态。电子间的引力产生过程是第一个电子与晶格相互作用使晶格变形，第二个电子为与这种变形对应的低能态，由声子作媒介引起间接相互作用。超导理论BCS理论第71页/共131页超导理论BCS理论库柏对：超导态中的电子对；BCS基态：形成库柏对后产生的基态。BCS态下，费米面上的电子形成库柏对，处于低能态，因此应该形成能隙Eg。由BCS理论自然导出穿透深度
33、和相干长度范围的概念，而且也得到伦敦方程，并说明了迈斯纳效应。第72页/共131页不产生电阻的原因:电阻是出运动电子与晶格振动及杂质相互作用，在运动方向上失去能量产生的，这种散射过程以保存能量和动量的形式进行。由于电子形成库柏对，有能隙存在，如果对电子提供大于Eg的能量，则不产生散射。表明电子具有的动量超过某个值应该不产生散射，即在临界速度以下的库相对不受到散射，因此，达到某个电流密度之前不产生电阻。超导理论BCS理论第73页/共131页超导理论BCS理论根据BCS理论，超导临界温度TC受费米能级上的态密度N(EF)、由电阻值决定的电子一声子相互作用强度V及晶体的德拜温度TD制约，这些值越大T
34、C越高。在VN(EF)1，它是典型的策类超导体。第85页/共131页u从理论上搞清氧化物的高温超导由什么机制产生，临界温度能上升到什么温度等问题非常有意义。目前高温超导的研究状况是，不能用BCS理论说明高温超导机制。形成电子对的引力根据哪种机制起作用，还没有定论。u超导体中除金属、合金、金属间化合物等金属系物质，氧化物等无机化合物之外，还发现了有机化合物的超导体。对有机物系物质，可开发更高的TC的物质。高温超导性第86页/共131页超导体的应用超导的大规模应用主要障碍在于TC低，超导器只能在低温下运行。（1）医用核磁共振(NMR)成像系统；（2）实验物理用粒子加速器；（3）舰、船推进发动机；（
35、4）电站发电机；（5）磁悬浮列车；（6）核聚变和磁流体发电系统；（7）电能储存系统；（8）电源变压器。前两项已实现，后几项已证明可行。第87页/共131页超导体的应用高灵敏度的电子器件-超导量子干涉仪(SQUID)磁场灵敏度极高，达10-15T理论依据Josephson效应（约瑟夫森）超导体中的“库珀电子对”可通过隧道效应穿过两个弱连结(薄的绝缘位垒)的超导体。约瑟夫森结第88页/共131页超导体的应用在电子领域即弱电中的应用。主要指信息技术领域中的应用，具有代表性的有A/D变换、超导计算机、以及弱磁探测等方面的应用。第89页/共131页超导体的应用微波器件高温超导薄膜的微波表面电阻Rs远小于
36、铜的Rs10GHz 0.01 1GHz 传递给晶格的能量电子动能越来越大，直至增强到使晶格电离出新电子自由电子数迅速增加，发生击穿。第127页/共131页4)实际材料的击穿举例l实际材料中存在缺陷、宏观不均匀、多相复合等情形，形状变化、外部冷却等也使散热条件变化，导致击穿的机制变化。l设想一种双层材料，两层的厚度、介电常数、电导率分别为d1,1,1和d2,2,2，垂直于材料的厚度方向施加直流电压U，则两层电介质开始建立极化并达到稳态。两层可看成串联：推导出两层所承受的电场强度：第128页/共131页l双层或多层材料，电导率小的介质承受较高的场强，而电导率大的介质承受较低的场强。l其中一层的电场
37、强度远大于平均电场强度优先击穿全部电压都作用于另一层上整个介质击穿。l气泡：电导率低，承受场强高，但击穿强度比固体材料低（如陶瓷和空气的击穿强度分别为80和33KV/cm），优先击穿引起气体放电产生热和热应力使整个材料破坏，称为电机械热击穿。l表面状态：吸湿、与电极接触不良等易引起表面放电，引起击穿将电介质浸入变压器油。l电极形状：可改变散热条件，受热加速高分子材料老化在高频、高压下工作的材料要进行耐压试验和结构的合理设计。第129页/共131页思考：1、说明霍尔效应的现象、原因及其应用。2、请描述BCS理论关于超导的核心内容和库柏电子对的形成原理，并论述BCS理论对零电阻效应的解释。3、举例说明超导现象的应用及其应用中的问题。4、简述电介质与金属的区别。电介质的四大基本常数是什么？各自代表什么物理意义？5、固体电介质的击穿受什么因素制约？第130页/共131页感谢您的观看。第131页/共131页