上海交通大学：《走进纳米科学》课程教学资源（文献资料）纳米技术在超导信息传输领域的应用

上游充通大￥ 上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 纳米技术在超导信息传输领域的 应用 《走进纳米科学》结课报告 9ANGHAILAO TONG 1896 报告人：王宇雷 学院：材料科学与工程 学号：5120519128 签名 2013年05月26日

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 纳米技术在超导信息传输领域的 应用 《走进纳米科学》结课报告 报告人：王宇雷 学院：材料科学与工程 学号：5120519128 签名_________ 2013 年 05 月 26 日

上游充通大￥ 目录 第一章背景介绍 1.1.超导体简介…3 1.2.超导体发展现状…3 1.3.超导体应用… 1.4.纳米科学简介… ……5 第二章用于信息传输的纳米超导线 2.1.思路概述… ……5 2.2.理想形态 ……6 2.3.优势分析… 第三章可行性分析 3.1.超导体能否实现纳米……8 3.2.纳米超导线能否实现信息大量传输…8 3.3.纳米尺度是否会带来其他影响…8 第四章参考文献 IAO TONG UN 第一章背景介绍

目录 第一章 背景介绍 1.1. 超导体简介………………………………3 1.2. 超导体发展现状…………………………3 1.3. 超导体应用………………………………4 1.4. 纳米科学简介……………………………5 第二章 用于信息传输的纳米超导线 2.1. 思路概述…………………………………5 2.2. 理想形态…………………………………6 2.3. 优势分析…………………………………7 第三章 可行性分析 3.1. 超导体能否实现纳米……………………8 3.2. 纳米超导线能否实现信息大量传输……8 3.3. 纳米尺度是否会带来其他影响…………8 第四章 参考文献 第一章 背景介绍

上游充通大学 1.1. 超导体简介 1.1.1.超导现象简介 超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温 度(T:)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。 1911年春，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在用液氦将汞的温度降到4.15K时， 发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一 些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。 1933年，德国物理学家迈斯纳发现了超导体的完全抗磁性，即当超导体处于超导状态 时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时， 超导性被破坏。 1952年，科学家发现了合金超导体硅化钒。1986年1月，德国科学家约翰内斯·贝德 诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，从而获得了1987 年诺贝尔物理学奖。1987年，美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国内地 科学家赵忠贤相继在钇-钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90水以上，液氮的“温度壁 垒”(77K)也被突破了。1987年底，铊钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到 125K。从1986年一1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。大约1993 年，铊-汞铜-钡钙-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K。 2008年二月初，Hideo Hosono教授的团队再度发表铁基层状材料La[o1-xFx]FeAs(x=0.05 ,0.12)在绝对温度26K时存在超导性，从此研究铁基超导体便在世界上形成一股热潮。 1.2.超导体发展现状 目前研究的比较多的几种超导体分别是稀士钡铜氧，铁基超导体，硼化镁以及一些新型 的有机超导体（如富勒烯和碳纳米管）。世界各地的课题组目前的工作集中在两个方面，一 是寻找到更高的临界转变温度，二是解释高温超导的机理，具体地说，做的工作有提升已发 现的超导体的临界转变温度，还有发现新的超导体材料。 此外，超导体的研究也分不同尺度，主要有粉末，块体，线材和薄膜方向。不同尺度的 研究通常是针对不同领域的不同应用。 下面简单介绍几种目前研究的比较多的超导体。根查阅的文献，在准静水压力下，高温 超导体最高的临界转变温度已经达到164K四，离干冰升华点195K仅差31K。如果T:能提升 到干冰升华点，无疑高温超导体的应用将会开阔起来。 Te 材料 种类 195 干冰升华点 164 HgBa2Cam-iCumO2m+2+8(m=1,2,and 3) (Under quasi-hydrostatic pressure) 138 Hg12Tl3Ba3oCa3oCu45O127 REBCO(稀土钡铜氧) 110 BizSr2CazCu3010 92 YBa2Cu3O7 77 液氮沸点 43 SmFeAs(O,F) 铁基超导体 41 CeFeAs(O,F) 40 MgB2 二硼化镁 20 液氢沸点 18 NbSn 金属低温超导体 4.2 Hg 以下几种都是目前研究较多，同时仍然很有科研潜力的超导材料

1.1. 超导体简介 1.1.1. 超导现象简介 超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温 度（Tc）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。 1911 年春，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在用液氦将汞的温度降到 4.15 K 时， 发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现其他一 些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得 1913 年的诺贝尔物理学奖。 1933 年，德国物理学家迈斯纳发现了超导体的完全抗磁性，即当超导体处于超导状态 时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时， 超导性被破坏。 1952 年，科学家发现了合金超导体硅化钒。1986 年 1 月，德国科学家约翰内斯·贝德 诺尔茨和瑞士科学家卡尔·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，从而获得了 1987 年诺贝尔物理学奖。1987 年，美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国内地 科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到 90K 以上，液氮的“温度壁 垒”（77K）也被突破了。1987 年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到 125K。从 1986 年－1987 年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近 100K。大约 1993 年，铊-汞-铜-钡-钙-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到 138K。 2008 年二月初，Hideo Hosono 教授的团队再度发表铁基层状材料 La[O1-xFx]FeAs (x= 0.05 –0.12)在绝对温度 26K 时存在超导性，从此研究铁基超导体便在世界上形成一股热潮。 1.2. 超导体发展现状 目前研究的比较多的几种超导体分别是稀土钡铜氧，铁基超导体，硼化镁以及一些新型 的有机超导体（如富勒烯和碳纳米管）。世界各地的课题组目前的工作集中在两个方面，一 是寻找到更高的临界转变温度，二是解释高温超导的机理，具体地说，做的工作有提升已发 现的超导体的临界转变温度，还有发现新的超导体材料。 此外，超导体的研究也分不同尺度，主要有粉末，块体，线材和薄膜方向。不同尺度的 研究通常是针对不同领域的不同应用。 下面简单介绍几种目前研究的比较多的超导体。根查阅的文献，在准静水压力下，高温 超导体最高的临界转变温度已经达到 164K [1]，离干冰升华点 195K 仅差 31K。如果 Tc 能提升 到干冰升华点，无疑高温超导体的应用将会开阔起来。 Tc 材料 种类 195 干冰升华点 164 HgBa2Cam-1CumO2m+2+δ(m=1, 2, and 3) (Under quasi-hydrostatic pressure) 138 Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 REBCO(稀土钡铜氧) 110 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 92 YBa2Cu3O7 77 液氮沸点 43 SmFeAs(O,F) 铁基超导体 41 CeFeAs(O,F) 40 MgB2 二硼化镁 20 液氢沸点 18 NbSn 金属低温超导体 4.2 Hg 以下几种都是目前研究较多，同时仍然很有科研潜力的超导材料

游充通大学 Sro CuO: Ca Sro Cu2+,Cu3 02 8i0 Sro Ba2+ Ca Fig.2 Structure of Iron-based CuO: Sro Bio iO. Superconductor Fig.1 Structure of YBCO :Mg ●B Fig.3 Structure of MgB2 Fig.4 Structure of Carbon nanotube 1.3.超导体应用 TS(高温超导材料)材料的应用通常分为两大类：强电应用和弱电应用。超导强电应 用主要是基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性，以及非理想第二类超导体所特有的高临 界电流密度和高临界磁场。超导弱电应用主要是基于磁通量子化，能隙、隧道和约瑟夫森 效应等。带材和块材主要在电力系统等强电领域中获得应用。而薄膜主要用于研制SQUD 器件、微波器件等，在弱电领域具有极大的应用范围。具体的应用在后图中有清晰的直观 的反映。总体来说，超导体在电力能源、交通运输、生物医学、高能物理、军事、计算 机领域等有广泛应用前景

Fig.2 Structure of Iron-based Superconductor Fig.1 Structure of YBCO Fig.3 Structure of MgB2 Fig.4 Structure of Carbon nanotube 1.3. 超导体应用 HTS(高温超导材料)材料的应用通常分为两大类：强电应用和弱电应用。超导强电应 用主要是基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性，以及非理想第二类超导体所特有的高临 界电流密度和高临界磁场。超导弱电应用主要是基于磁通量子化，能隙、隧道和约瑟夫森 效应等。带材和块材主要在电力系统等强电领域中获得应用。而薄膜主要用于研制 SQUID 器件、微波器件等，在弱电领域具有极大的应用范围。具体的应用在后图中有清晰的直观 的反映。[2]总体来说，超导体在电力能源、交通运输、生物医学、高能物理、军事、计算 机领域等有广泛应用前景

上游充通大学 琴电 限流器、电流引 阻 线、输电电缆 磁能 磁储能、脉冲电源 强磁 高能物理、磁分离、电憾推进船、磁 超导材料 场的 交流磁场 浮列车、直流电机、磁流体发电、托 产生 卡巴克 精密磁场 电子显微镜、核磁共振装置 弱磁 快速信号处理器、电压标准、超导 场 天线、红外探测器、SQUD器件 Fig.5 Application of High TSuperconductor 1.4.纳米科学简介 纳米科学是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺度时，物质和设备的设计方法、组 成、特性以及应用。纳米科学的应用主要由于其四大效应会对材料的性能带来深刻影响：表 面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应 第二章用于信息传输的纳米超导线 2.1.思路概述 纳米科学更多的是一种新的观念，在日后在各种不用领域里将有更为广泛更为深刻的应 用。出于对高温超导的兴趣，我试图挖掘纳米技术在超导领域的新的应用。根据超导体研究 的不同尺度，纳米技术应用在不同的方面。根据上图可以看出，高温超导体的应用范围基本 上都是直接对其零电阻性、完全抗磁性或者宏观量子效应的直接应用，比较局限。 自超导现象发现之初，人们便想利用其零电阻的特性进行电能输送，实现零损耗。我国 第一套在实际电网中运行的超导电缆系统，30m/35kW/2kA高温超导电缆己于2004年5月在 云南省普吉变电站并网运行。但事实上，超导线绝不仅仅可以用来输送电能，电流作为一 种信号，完全可以进行信息传输。 实现超导之后，电流在导线中可以达到无损耗的进行传输，也就是在传输过程中，电信 号是不会衰减的，输送端和接收端的电流强度是相等的。那么，如果我在一段通以高频变化 的电流，不同的代表不同的数据信息，就可以实现数据的传输。同时，跟传统的导线相比， 由于超导，超导线可以做的更细，做到纳米级别，许多股超导线之间通过在外表面加绝缘表 层实现相互绝缘组成一束，就可以实现信息的大量传输。 当然做到纳米级别的好处也不仅仅是更细而已。超导线对缺陷的控制有非常严格的要求。 比如少量铁的掺杂会使YBC0体系结构以及性能发生重要变化4，F掺杂对钐钡铜氧的超导 性能也有很大影响例，同时不同的稀土元素的掺杂则是影响超导材料临界转变温度的重要因 素。这就意味着超导线的尺度越大，对制备工艺的要求就越高。而在小尺度范围内，这种精 密的控制更容易实现，这也是做到将超导线做到纳米级别的主要优势之一

Fig.5 Application of High Tc Superconductor 1.4. 纳米科学简介 纳米科学是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺度时，物质和设备的设计方法、组 成、特性以及应用。纳米科学的应用主要由于其四大效应会对材料的性能带来深刻影响：表 面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应。 第二章 用于信息传输的纳米超导线 2.1. 思路概述 纳米科学更多的是一种新的观念，在日后在各种不用领域里将有更为广泛更为深刻的应 用。出于对高温超导的兴趣，我试图挖掘纳米技术在超导领域的新的应用。根据超导体研究 的不同尺度，纳米技术应用在不同的方面。根据上图可以看出，高温超导体的应用范围基本 上都是直接对其零电阻性、完全抗磁性或者宏观量子效应的直接应用，比较局限。 自超导现象发现之初，人们便想利用其零电阻的特性进行电能输送，实现零损耗。我国 第一套在实际电网中运行的超导电缆系统，30m/35kV/2kA 高温超导电缆已于 2004 年 5 月在 云南省普吉变电站并网运行[3]。但事实上，超导线绝不仅仅可以用来输送电能，电流作为一 种信号，完全可以进行信息传输。 实现超导之后，电流在导线中可以达到无损耗的进行传输，也就是在传输过程中，电信 号是不会衰减的，输送端和接收端的电流强度是相等的。那么，如果我在一段通以高频变化 的电流，不同的代表不同的数据信息，就可以实现数据的传输。同时，跟传统的导线相比， 由于超导，超导线可以做的更细，做到纳米级别，许多股超导线之间通过在外表面加绝缘表 层实现相互绝缘组成一束，就可以实现信息的大量传输。 当然做到纳米级别的好处也不仅仅是更细而已。超导线对缺陷的控制有非常严格的要求。 比如少量铁的掺杂会使 YBCO 体系结构以及性能发生重要变化[4]，F 掺杂对钐钡铜氧的超导 性能也有很大影响[5]，同时不同的稀土元素的掺杂则是影响超导材料临界转变温度的重要因 素。这就意味着超导线的尺度越大，对制备工艺的要求就越高。而在小尺度范围内，这种精 密的控制更容易实现，这也是做到将超导线做到纳米级别的主要优势之一