Разделы презентаций


Основные свойства и применение проводниковых материалов презентация, доклад

Содержание

Сверхпроводящие металлы и сплавы Явление сверхпроводимости. У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение удельного сопротивления постоянному электрическому току. Явление получило название сверхпроводимости, температура ТСВ,

Слайды и текст этой презентации

Слайд 1Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ»
Факультет электроники
Кафедра микроэлектроники


тема: 10
Материалы и элементы электронной техники Ч.I
доц. Лазарева Н.П.
Сверхпроводящие металлы

и сплавы

Основные свойства и применение проводниковых материалов

Министерство образования Российской ФедерацииСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет«ЛЭТИ»Факультет электроники Кафедра микроэлектроники тема: 10Материалы и элементы электронной техники Ч.Iдоц.

Слайд 2

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Явление сверхпроводимости.
У многих металлов и

сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю, наблюдается резкое уменьшение

удельного сопротивления постоянному электрическому току.

Явление получило название сверхпроводимости, температура ТСВ, при которой происходит переход в сверхпроводящее состояние - критической температурой перехода.
Впервые сверхпроводимость была обнаружена в1911 году голландским физиком Xейке Камерлинг-Оннесом (Kamerlingh Onnes) у ртути Hg (ТСВ = 4,2 К).

Сверхпроводящие металлы и сплавы Явление сверхпроводимости. У многих металлов и сплавов при температурах, близких к абсолютному нулю,

Слайд 3

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Удельное сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии

в 1017 раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре и

составляет около 10–25 Ом∙м

При R = 0 разность потенциалов на любом отрезке сверхпроводника равна нулю. Это означает, что электрическое поле внутри сверхпроводящего материала отсутствует.
Электроны, создающие ток, в этом случае движутся с постоянной скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов решетки и ее неоднородностях.
Чтобы создать сверхпроводящий ток, нужно затратить лишь начальную энергию, ускоряя электроны до определенной скорости дрейфа.

Если к сверхпроводнику прикладывается переменное электрическое поле, в течение каждого периода создаваемый ток изменяет свое направление. Следовательно, в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, которое периодически замедляет электроны и ускоряет их в противоположном направлении. Так как на это расходуется энергия от внешнего источника питания, электрическое сопротивление на переменном напряжении в сверхпроводящем состоянии не равно нулю. Однако затраты энергии на частотах меньше 1010 Гц практически ничтожны.

Явление сверхпроводимости.

Сверхпроводящие металлы и сплавы Удельное сопротивление материалов в сверхпроводящем состоянии в 1017 раз меньше сопротивления меди при

Слайд 4

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Переход вещества в сверхпроводящее состояние при

его охлаждении происходит в очень узком интервале температур (сотые доли

градуса).

Неоднородности структуры, создаваемые примесями, искажениями решетки, границами зерен, пластической деформацией и т. п. , не приводят к уничтожению сверхпроводимости, а вызывают лишь расширение температурного интервала перехода из одного состояния в другое.

Резкое изменение сопротивления металла не сопровождается какими-либо изменениями в его кристаллической решетке.

Изменение удельного сопротивления олова вблизи температуры перехода в состоянии сверхпроводимости:
1 — монокристалл; 2 — поликристалл; 3 — поликристалл с примесями


Сверхпроводящие металлы и сплавы Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале

Слайд 5

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Физическая природа сверхпроводимости

Сверхпроводящие металлы и сплавы Физическая природа сверхпроводимости

Слайд 6

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Физическая природа сверхпроводимости
Благодаря смещению ионов

из положений равновесия в «кильваторе» движения электрона локально возрастает объемная

плотность положительного заряда.
К этой области может притягиваться другой электрон. В результате косвенным образом, за счет взаимодействия с решеткой между электронами 1 и 2 возникает эффективное притяжение, которое превосходит силы кулоновского отталкивания. Второй электрон становится партнером первого, движение этих частиц уже нельзя рассматривать независимым друг от друга – образуется куперовская пара.

Электрон, движущийся среди положительно заряженных ионов, поляризует кристаллическую решетку, т.е. электростатическими силами притягивает к себе ближайшие ионы.

Простейшая схема образования электронных пар в сверхпроводящем металле

Сверхпроводящие металлы и сплавы Физическая природа сверхпроводимости Благодаря смещению ионов из положений равновесия в «кильваторе» движения электрона

Слайд 7

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Схема образования электроных пар в сверхпроводящем

металле
Физическая природа сверхпроводимости

Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема образования электроных пар в сверхпроводящем металлеФизическая природа сверхпроводимости

Слайд 8

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Схема образования электроных пар в сверхпроводящем

металле
Физическая природа сверхпроводимости
Связываться в пары могут лишь те электроны,

которые способны изменять свою энергию. Это электроны, расположенные вблизи уровня Ферми. В куперовские пары объединяются электроны, имеющие противоположно направленные импульсы.

Энергия пары оказывается меньше, если взаимодействующие электроны обладают антипараллельными спинами. Т.е. куперовская пара характеризуется не только нулевым суммарным импульсом, но и нулевым спином.

Расстояние ξ , на котором взаимодействуют два электрона, называют длиной когерентности. Фактически параметр ξ определяет размер электронной пары.

Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема образования электроных пар в сверхпроводящем металлеФизическая природа сверхпроводимости Связываться в пары могут

Слайд 9

Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве.


Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10-7 м, т.е. охватывает

сотни или даже тысячи межатомных расстояний. Поэтому такие парные образования нельзя рассматривать как некие пространственно разделенные «квазимолекулы».
Куперовские пары перекрывают друг друга, непрерывно распадаются, прожив очень короткое время (~10-13 с), и создаются вновь.
Происходит постоянная смена партнеров, но при этом поддерживается некоторая равновесная концентрация куперовских пар, которая зависит от температуры.

Объясняя природу сверхпроводимости в металлах, теория БКШ, к сожалению, не может ответить на вопрос, почему не все металлы являются сверхпроводниками, не может предсказать сверхпроводящие свойства того или иного материала, его критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

Верхняя оценка критической температуры для металлов по теории БКШ дает величину около 25 К, что согласуется с экспериментальными значениями ТСВ у лучших сверхпроводяших сплавов.

Поскольку силы притяжения невелики, спаренные электроны слабо локализованы в пространстве. Эффективный диаметр куперовской пары имеет порядок 10-7

Слайд 10

Внешнее магнитное поле не проникает в толщу образца, затухая в

тончайшем слое. Силовые линии магнитного поля огибают сверхпроводник. Это явление,

получившее название эффекта Мейсснера, обусловлено тем, что в поверхностном слое сверхпроводника при его внесении в магнитное поле возникает круговой незатухающий ток, который полностью компенсирует внешнее поле в толще образца. Глубина, на которую проникает магнитное поле, обычно составляет 10–8—10–7 м. Таким образом, сверхпроводники по магнитным свойствам являются идеальными диамагнетиками с магнитной проницаемостью μ = 0.
Как всякие диамагнетики, сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля. При этом эффект выталкивания выражен столь сильно, что открываются возможности удерживать груз в пространстве с помощью магнитного поля. Аналогичным образом можно заставить висеть постоянный магнит над кольцом из сверхпроводящего материала, в котором циркулируют индуцированные магнитом незатухающие токи.
Внешнее магнитное поле не проникает в толщу образца, затухая в тончайшем слое. Силовые линии магнитного поля огибают

Слайд 11

Зависимость изменения магнитной индукции В внутри сверхпроводника от напряженности внешнего

магнитного поля Н:
а — сверхпроводник I рода;
б — сверхпроводник

II рода

Состояние сверхпроводимости может быть разрушено, если напряженность магнитного поля превысит некоторое критическое значение Hсв. По характеру перехода материала из сверхпроводящего состояния в состояние обычной электропроводности под действием магнитного поля различают сверхпроводники I и II рода. У сверхпроводников I рода этот переход происходит скачкообразно, как только напряженность поля достигнет критического значения. Кривая намагничивания таких материалов показана на рисунке. Сверхпроводники II рода переходят из одного состояния в другое постепенно; для них различают нижнюю Нсв1 и верхнюю Нсв2 критические напряженности поля. В интервале между ними материал находится в промежуточном гетерогенном состоянии, в котором сосуществуют нормальная и сверхпроводящая фазы. Соотношение между их объемами зависит от Н. Магнитное поле постепенно проникает в сверхпроводник II рода. Мтериал сохраняет нулевое сопротивление вплоть до верхней критической напряженности поля.

Зависимость изменения магнитной индукции В внутри сверхпроводника от напряженности внешнего магнитного поля Н:а — сверхпроводник I рода;

Слайд 12

Критическая напряженность магнитного поля зависит от температуры. При Т = Тсв она

обращается в нуль, но монотонно возрастает при стремлении температуры к

0 К.
Для сверхпроводников I рода температурная зависимость Нсв в хорошем приближении описывается выражением
Нсв(Т) = Нсв(0) [1 – (Т / Тсв)2]
где Нсв(0) — напряженность критического поля при температуре абсолютного нуля.

Критическая напряженность магнитного поля для сверхпроводников I рода составляет приблизительно 105 А/м, а у сверхпроводников II рода значение верхней критической напряженности может превы шать 107 А/м.

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение Iсв.

IСВ = 2πrHCВ(Т).

Критическая напряженность магнитного поля зависит от температуры. При Т = Тсв она обращается в нуль, но монотонно возрастает при

Слайд 13

Классификация проводниковых материалов
Сверхпроводящие металлы и сплавы
Температурные зависимости критической напряженности

поля для свинца и белого олова (а);


качественные фазовые диаграммы

для сверхпроводников I (б) и II (в) рода:
Св — сверхпроводящее состояние;
См — смешанное состояние;
Пр — проводящее нормальное состояние
Классификация проводниковых материаловСверхпроводящие металлы и сплавы Температурные зависимости критической напряженности поля для свинца и белого олова (а);

Слайд 14

В состоянии сверхпроводимости ток локализуется в тонком поверхностном слое толщиной

Δ. Для свинца толщина токового слоя (глубина проникновения магнитного поля

в сверхпроводник) составляет всего лишь 40 нм.
Критическую плотность тока для сверхпроводников I рода:
J = IСВ/(2πrHСВ) = HСВ/Δ ≈ 1012 А/м2.
В сверхпроводниках II рода критический ток зависит от структуры сверхпроводника и у одного и того же материала может меняться на несколько порядков (правило Сильсби не выполняется).

Сверхпроводимость может быть разрушена не только внешним магнитным полем, но и током, проходящим по сверхпроводнику, если он превышает некоторое критическое значение Iсв.
Для сверхпроводников I рода предельная сила тока ограничивается достижением на поверхности образца критической напряженности магнитного поля (правило Ф.Сильсби).
В случае длинной прямо- линейной проволоки круглого сечения радиуса r предельный ток определяется формулой

IСВ = 2πrHCВ(Т).

В состоянии сверхпроводимости ток локализуется в тонком поверхностном слое толщиной Δ. Для свинца толщина токового слоя (глубина

Слайд 15

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Сверхпроводящие материалы.
Сверхпроводимостью обладают 26 металлов.

Большинство из них являются сверхпроводниками I рода с критическими температурами

перехода ниже 4,2 К. В этом заключается одна из причин того, что большинство сверхпроводящих металлов для электротехнических целей применить не удается.
Еще 13 элементов проявляют сверхпроводящие свойства при высоких давлениях: кремний, германий, селен, теллур, сурьма и др.
Из всех элементарных веществ наивысшей температурой перехода к сверхпроводимости обладает ниобий Nb (ТСВ = 9,2 К).
Cверхпроводимостью не обладают металлы, являющиеся наилучшими проводниками в нормальных условиях (золото, медь, серебро, платина).
Малое сопротивление этих материалов указывает на слабое взаимодействие электронов с решеткой. Поэтому и не происходит их переход в сверхпроводящее состояние.
У одновалентных щелочных и благородных металлов не было обнаружено каких-либо признаков сверхпроводимости даже при температурах ниже 0,1 К.
Сверхпроводящие металлы и сплавы Сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимостью обладают 26 металлов. Большинство из них являются сверхпроводниками I рода

Слайд 16

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Сверхпроводящие материалы.
Кроме чистых металлов сверхпроводимостью

обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее количество наименований известных

в настоящее время сверхпроводников составляет около 2000. Среди них самыми высокими критическими параметрами обладают сплавы и соединения ниобия. Некоторые из них позволяют использовать для достижения сверхпроводящего состояния вместо жидкого гелия более дешевый хладагент — жидкий водород.
Все интерметаллические соединения и сплавы относятся к сверхпроводникам II рода. Однако деление веществ по их сверхпроводящим свойствам на два вида не является абсолютным.
Любой сверхпроводник I рода можно превратить в сверхпроводник II рода, если создать в нем достаточную концентрацию дефектов кристаллической решетки. Например, у чистого олова Нсв = 3,7 К, но если вызвать в олове резко неоднородную механическую деформацию, то критическая температура возрастет до 9 К, а критическая напряженность магнитного поля увеличится в 70 раз.
Сверхпроводящие металлы и сплавы Сверхпроводящие материалы. Кроме чистых металлов сверхпроводимостью обладают многие интерметаллические соединения и сплавы. Общее

Слайд 17

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Сверхпроводящие материалы.
Основные свойства сверхпроводящих сплавов

Сверхпроводящие металлы и сплавы Сверхпроводящие материалы. Основные свойства сверхпроводящих сплавов

Слайд 18

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Материалы высокотемпературной сверхпроводимости
Высокотемпературными сверхпроводниками называют

материалы, у которых критическая температура перехода в состояние сверхпроводимости Тсв

превышает температуру кипения жидкого азота (77 К).
Большая группа таких материалов была открыта в 1987 г. Толчком к крупномасштабным исследованиям высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) послужило сообщение швейцарских физиков Й.Г. Беднорца и К.А. Мюллера о существовании сверхпроводящего состояния в оксидной керамике на основе системы La-Ba-Cu-O при температурах ниже 35 К.
В течение короткого периода времени в научных лабораториях целого ряда стран было синтезировано более двух десятков материалов, у которых критическая температура Тсв превышала 90 К, при этом сверхпроводящие свойства обнаруживались не только в керамических образцах, но также в тонких пленках и в объемных монокристаллах.
В таблице указан состав ВТСП- соединений, относящихся к различным химическим системам и обладающих наиболее высокими критическими параметрами.


Сверхпроводящие металлы и сплавы Материалы высокотемпературной сверхпроводимости Высокотемпературными сверхпроводниками называют материалы, у которых критическая температура перехода в

Слайд 19

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)
Критические температуры

ТСВ для ряда оксидных
сверхпроводящих материалов
Все указанные в таблице материалы имеют

сложную структуру с орторомбической или тетрагональной симметрией, их свойства сильно зависят от содержания кислорода. Общими элементами структуры этих оксидных соединений являются купратные слои CuO2, которые играют важную роль в возникновении ВТСП. Они присутствуют во всех сверхпроводящих купратах и определяют их критические параметры. Эта особенность подтверждается, в частности, ростом ТСВ по мере увеличения числа слоев CuO2 в соединениях ВТСП, содержащих ртуть, таллий или висмут.
Сверхпроводящие металлы и сплавы Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) Критические температуры ТСВ для ряда оксидныхсверхпроводящих материаловВсе указанные в

Слайд 20

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Элементарная ячейка
кристаллической оксидной фазы Y

Ba2 Cu3 O 7-δ
Одним из самых перспективных материалов ВТСП

является иттрий-бариевый купрат – YBa2Cu3O7-δ , для которого технология получения отработана достаточно хорошо.

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Элементарная ячейка иттрий-бариевого купрата представляется последовательной комбинацией вдоль оси с трех искаженных ячеек типа перовскита (АВО3), из которых средняя центрирована атомами иттрия, а две крайние – атомами бария. Купратные слои CuO2 , параллельные базисной плоскости ab, чередуются с цепочками CuO, ориентированными вдоль ребер b элементарной ячейки.
Слоистое строение оксида Y Ba2Cu3O7-δ приводит к сильной анизотропии его электрических свойств – проводимость вдоль оси с оказывается намного меньше, чем в перпендикулярном направлении.

Сверхпроводящие металлы и сплавы Элементарная ячейка кристаллической оксидной фазы Y Ba2 Cu3 O 7-δ Одним из самых

Слайд 21

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Зависимость критической температуры перехода в состояние

сверхпроводимости от содержания кислорода в иттрий-бариевом купрате YBa2Cu3O7-δ
Отклонения от стехиометрического

состава, характеризуемые параметром δ, определяющим образом влияют на электрофизические свойства

По характеру исчезновения сверхпроводимости в магнитном поле материалы ВТСП относятся к сверхпроводникам II рода, причем в некоторых из них верхняя критическая напряженность магнитного поля достигает рекордно высоких значений ( более 107 А/м )

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Сверхпроводящие металлы и сплавы Зависимость критической температуры перехода в состояние сверхпроводимости от содержания кислорода в иттрий-бариевом купрате

Слайд 22

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Схемы установок для получения пленок ВТСП:


а – метод лазерного распыления; б – метод магнетронного распыления;
1 –

керамическа мишень, 2 – подложка, 3 – нагреватель, 4 – магнитная система.

Материалы высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Подложками для осаждаемых пленок служат монокристаллы MgO, Al2O3, ZrO2, LaAlO3; ионизация газа происходит в плазме тлеющего разряда, возбуждаемого при давлении в рабочем объеме 1 ÷ 100 Па.

Сверхпроводящие металлы и сплавы Схемы установок для получения пленок ВТСП: а – метод лазерного распыления; б – метод магнетронного

Слайд 23

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Схема пленочного СП ключа с лазерным

управлением:
1 – световод; 2 – пленка ВТСП; 3 - подложка
Материалы

высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП)

Пример коммутационного элемента на ВТСП-пленках - ключ с лазерным управлением.
При подаче по волоконному световоду на активный элемент оптического излучения даже небольшой мощности ВТСП - пленка испытывает переход в резистивное состояние, т.е. ее сопротивление резко возрастает, что ограничивает величину протекающего тока.
Время срабатывания такого ключа находится в пределах 10-8 ÷ 10-11 с. Он может быть использован для управления работой процессора.

Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема пленочного СП ключа с лазерным управлением:1 – световод; 2 – пленка ВТСП;

Слайд 24

Сверхпроводящие металлы и сплавы
Схема пленочного криотрона с вентилем на

основе туннельного контакта Джозефсона:
1 – контакт Джозефсона; 2 – вентильная

шина; 3 – управляющий электрод; 4 – обводное сверхпроводящее кольцо

Сверхпроводящие материалы.

На основе пленок ВТСП реализованы различные пассивные и активные элементы СВЧ электроники: линии задержки, резонаторы, фильтры, ограничители мощности, переключатели, фазовращатели, детекторы и смесители. В материалах ВТСП наблюдается джозефсоновское туннелирование носителей заряда через тонкий слой диэлектрика.
С помощью пленок ВТСП удается измерять магнитное поле человеческого сердца напряженностью всего лишь 10-7 А/м, снимать электроэнцефалограммы. Измерение слабых изменений магнитного поля Земли используется в геофизических приборах при поиске нефтяных и минеральных месторождений.

Сверхпроводящие металлы и сплавы Схема пленочного криотрона с вентилем на основе туннельного контакта Джозефсона:1 – контакт Джозефсона;

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать доклад-презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое TheSlide.ru?

Это сайт презентации, докладов, проектов в PowerPoint. Здесь удобно  хранить и делиться своими презентациями с другими пользователями.


Для правообладателей

Яндекс.Метрика