同学们好！
§ 18.2 固体能带理论基础 一,物态
物质的聚集态：大量粒子在一定温度、压力等外界
条件下聚集而成的稳定结构状态。
一定条件下，各种物态可相互转化，有时还可以共存。
T
p
物态 条 件 结 构 性 质 对称性
气态
液态
固态
热运动动能
>>分子相互
作用势能
热运动动能
~分子相互
作用势能
热运动动能
<<分子间相
互作用势能
完全无序
“近程有序”
（暂时、局部）
非晶体：短
程有序
晶体,长
程有序
无外场时自动趋向
稳定、均匀的平衡
态，无一定形状、
体积。
流动性，有一定体
积，无一定形状。
各向同性
晶面角守恒，
各向异性,
有确定熔点。
最高
降低
再降低
复杂的多体问题 大量离子和电子彼此相互作用
组成系统
简化,分开考虑,离离 vvmm ee ????绝热近似
认为离子与电子不交换能量
多电子问题
单电子问题
二、量子力学处理晶体中电子问题的思路
简化 自洽场法 考虑其余电子的平均场作用
固定离子势场与其它电子平均场,总势能 U,
为周期性重复排列的势阱和势垒
解定态薛定谔方程得波函数 —— 布洛赫波函数
重要结论,晶体中能级 —— 能带
势能函数,克朗尼克 —潘纳模型
x
U
??
-d o c
?
oU
三,晶体的能带结构
——电子共有化 1)晶体中电子的状态
?电子云重叠,相邻原子的
电子云重叠，重叠区域中出
现的电子不能简单归属于某
一特定母核，属于相邻原子
或整个晶体共有。
1,形成能带的原因
?隧道效应,一个原子中的电
子有可能穿越势垒进入另一
个原子，出现一批不受特定
原子束缚的共有化电子。外
层电子共有化趋向比内层电
子更显著。
2) 泡利不相容原理
由于共有化电子彼此间量子数不能完全相同，于是
各原子中能量相同的能级分裂为 N个与原来能级接
近的新能级，组成能带来容纳这些共有化电子。
个N
E
n,l,ml,ms
2)能带宽度随能量增加而增加，随离子对电子约束程
度增加而减少。
N个子能级
N个子能级
N个子能级
E
E
1)能带由准连续的 N个子能级组成，能带之间用禁带
分开，原子数 N变化时，能带宽度不变，密度变化。
2,能带特点
3)每个角量子数一定的能带中最多容纳的电子数为,
2(2l+1)N
价电子所处的能带 —价带 可为满带 可为导带
4) 能量最小原理：电子总是先填满能量较低的能带。
T 0K,无激发电子,原子所占
据的最大能级叫做 费米能级 FE
满
2,能带特点
能带被电子填满,满带
能带未被电子填满,导带
完全未被电子填充,空带（ 激发态能级 ）
?四,导体，绝缘体，半导体的能带特征
以 l = 0,即每个子能级至多容纳 2 个电子为例,
5） 不同能带有可能重叠
6） 晶体中有杂质或缺陷时，破坏了周期性结构,
禁带中可能出现杂质能级。
满带中的电子运动
不产生电流
电子运动,分布不变
导带中的电子运动
可以形成电流
电子运动,分布变化
2,能带特点
1,导体的能带结构
1)价带为导带
例, Li 12 21 ss
每个原子一个价电子（ 2s 态）
N个原子共有 N个价电子
N个 Li 原子形成固体时,2s 能级分裂为能带，有 N
个子能级。可容纳 2N个电子，成为未满带：导带
空带
价带
2) 价带为满带，与相邻空带紧密衔接或部分重叠
3) 价带为导带，又与空带部分重叠
例,Na
1622 3221 spss
每个原子一个价电子,3s
能带形成导带,又与空带
重叠，形成更宽导带。
空带
价带
例,Mg
2622 3221 spss
每个原子二个价电子,3s
能带形成满带,但与空带
重叠，形成较宽导带。
空带
价带
2,绝缘体的能带结构
价带为满带，且与空带间的禁带较宽。
一般,从满带到空带激发微不足
道，可以认为不存在导带。
当外来激发使较多电子越过禁带
进入空带时，绝缘体击穿，原空
带 导带 。
空带
价带
?E=1.5~10eV
3,半导体
价带为满带，与空
带间的禁带较窄。
空带
价带
?E=0.1~1.5eV
“电子 —空穴”对为载流子
导带中电子逆电场方向运动 ——电子导电
原满带中电子填补空穴
满带中空穴沿电场方向运动 ——空穴导电
外
场
作
用
下
E?
空带
价带
?E=0.1~1.5eV
1) 本征半导体（纯净半导体）
热运动足以使一些电子从满带进入空带，使空
带成为导带，满带中留下空穴。
空带
价带
?E=0.1~1.5eV
2) n型半导体（四价元素中掺入五价元素）
杂质能级接近空带底，其上电子容易受激发进入空
带，使其电子浓度增大。
空带
价带（满）
杂质能级 施主
电子 —— 多数载流子
杂质能级 —— 施主能级
以电子导电为主
3) p型半导体（四价元素中掺入三价元素）
空穴 ——多数载流子
杂质能级 ——受主能级
以空穴导电为主
杂质能级接近满带顶，满带中电子容易受激发进入
杂质能级，使满带中空穴浓度增大。
空带
价带（满）
杂质能级
受主
4） p-n结及其单向导电性
?p-n结的形成及其对扩散的阻挡作用
电子能带弯曲, 电势高处，
电势能低。
形成阻挡层势垒
阻挡层电场方向 n p
扩散作用 电子 n—p
空穴 p—n - + E
?
eV0
V0
p n
p,+
n,-
阻挡层减弱 势垒降低
多数载流子导电
p,-
n,+
阻挡层加强 势垒升高
少数载流子导电
? p-n结的单向导电性
p-n 结的单向导电性
p n
p n
p n
p n
由于热激发,半导体的载流子显著增加，杂质半
导体尤为显著，电导性随温度变化十分灵敏。
热敏电阻,半导体的电阻随温度的升高而指数下降
体积小、热惯性小、寿命长，广泛应用于自动控制。
介绍,半导体的其它特性和应用
p型
n型
T1
热端
金属
T0
冷端
负
载
电流
电流
温差电偶,由温度差产生电势差
热端 冷端
电子或空穴密度 小 大
运动速度 大 小
n 型 正 负
p 型 负 正
集成电路,
p-n结的适当组合可以制成具有放大作用的晶体三
极管以及各种晶体管，制成集成电路、大规模集成
电路、超大规模集成电路。
半导体激光器,
半导体激光器 (也叫激光二极管 )是光纤通讯中的重
要光源,在创建现代 信息高速公路 的工作中起着极
重要的作用。
正向偏压下工作,激励
能源是外加电压 (电泵 )
大量载流子跃迁 到较高
能量的能级上。
当正向电压大到一定程度时,
造成粒子数反转,形成电子
空穴复合发光,由自发辐射
引起受激辐射。
体积小，极易与光纤结合，成本低，制造方便，所
需电压低 (只需 1.5V)，功率可达 102 mW
p-n结本身就形成一个光学谐振腔,两个端面相当于
两个反射镜,适当镀膜后可达到所要求的反射系数,
形成激光振荡,并利于选频。
1911年，荷兰莱登
大学 昂内斯 教授在研
究金属电阻随温度变
化规律时发现：当温
度降低时汞（ Hg）的
电阻先是平稳地减小,
但在 4.2K附近，电阻
突然降为零。
超导电现象的发现
§ 超导物理基础
超导体从正常态转入
超导态的转变温度
（相变温度 Tc ）
超导临界温度,
晶格完整，无畸变
无杂质，无缺陷
T=0 K时，电阻为零
理想导体,
T=0 K时,有剩余电阻 R0
一般导体,
低温冷却时，电阻
突然下降为零
超导体,
二、超导基本性质
1．直流零电阻性质
实验现象 可持续上万年
态
T
将金属环置于磁场中，降低温度成为超导体，再撤去
磁场。由于电磁感应现象，超导环内产生感应电流 。
2,完全抗磁性（迈斯纳效应） 超导体内 0?B?
实验现象
磁棒
超导态铅
浸入液氦
置于外磁场中的超导体
内磁感应强度恒为零的现
象称为,
, 迈斯纳效应”
超导体
理想导体 内部不存在电阻 其中磁通量不变,超导体 内部不存在电阻 其中磁通量为零
与零电阻现象彼此独立 注意
直流零电阻 和 完全抗磁性 （即迈斯纳效应）是
超导的两个 独立特性,不能由任何一个推知另一个
的存在。
三、揭开超导之谜
BCS理论 巴丁 （ J,Bardeen)
库柏 （ L,Cooper)
施瑞弗 （ R,Schrieffer)
1972年诺贝尔物理奖
1,自然杂志 98年第 5期
“电子时代的奠基人和两次诺贝尔奖的获得者 ——巴丁”
?1956年，因发明晶体管，与肖克莱（ W.Shockley），布拉
顿（ W.Brattain） 共获诺贝尔物理奖。
?1972年，因低温超导理论，与库柏,施瑞弗共获诺贝尔物理奖。
1991年去世 82岁
库珀提出,
在某种吸引力 作用下,
金属中两个电子能组成电
子对（就像两个原子组成
分子一样），这种电子对
称为 库珀对。
BCS理论证明：费米面附近两个动量大小相
等、方向相反、自旋相反的电子将构成一个
束缚在一起的实体（准粒子），即 库柏对 。
在外电场作用下，库柏对作为一个整体向同一方
向运动，它将不受晶格的散射作用，而形成了超导
电流。
超导电子 —— 库柏对
正常电子 —— 单电子
四、高温超导体
临界温度 Tc 达到液氮温度（ 77K）以上的超导材
料 称为高温超导材料
至今已发现 70余种高温超导材料
高温氧化物超导体 (Tc>77K)
1986年 IBM苏黎世实验室 La-Ba-Cu-O 30K
美、中、日科学家 La-Ba-Cu-O
Sr-Ba-Cu-O 57K
1987年 休斯敦大学，朱经武
中科院，赵忠贤 Y-Ba-Cu-O 98K
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
（ 1） 电阻率的温度特性：线性关系
（ 2） 霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降
（ 3） 光电导的反常特性
（ 4） 超导能隙的各向异性
（ 5） 电子 ——电子关联性
（ 6） 临界磁场高，相干长度却很短
高温氧化物超导体的反常特性
这些反常特性无法用低温超导理论（ BCS理论）来解释，
对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
金刚石
C60 石墨
碳的三种同素异构体
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
C60 — 稳定的纯碳分子
漂亮的足球 完美的对称性
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
C60的结构
正二十面体 截角二十面体
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
固体中间距 1.04 纳米含 60个碳原子
每个 C原子,3个最近邻,4个共价键
单键 0.146nm
双键 0.138nm
? 结构稳定
? 表面光滑抗辐射
? 抗化学腐蚀
? 具有润滑性
C60的结构
1 2 3 4 5 退出 返回
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
1991年 4月 BELL实验室
C60 + K 18K
C60 + Ru 30K
C60 + Cs 33K
在短短三个月内实现！
超导新星 —掺杂 C60
1 2 3 4 5 退出 返回
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
由超导材料制备的电子器件
超导核磁共振
断层成象，超
导量子干涉器
件（测生物磁
场）
超导红外探
测，超导磁
悬浮列车 …,.,
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
1,超导磁体,
永久磁铁 103Gs
常规磁铁 5× 105Gs
(20吨，高温，兆瓦 )
超导磁铁 (5~30)× 104Gs
（ kg，无热量，千瓦）
体积小、重量轻、功耗小、输出功率高,
磁场强、稳定、均匀 ……
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
2,新能源 ——磁流体发电（ MHD）
热利用率达 60%
1997年 12月 16日 美英合制的 MHD向莫斯科供电
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
3,磁分离技术 ——超导磁选矿
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
4,超导磁悬浮列车
常导型,
利用普通直流电磁铁电磁吸
力的原理将列车悬起，悬浮的气
隙小，一般为 10 mm左右。时速
可达每小时 400 ~ 500公里。
磁悬浮列车 ——速度快、无噪音、不颠簸
超导型,
利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上
的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮
的气隙较大，一般为 100 mm左右。时速可达每小时 500公
里以上。
James R,Powell
和 Gordon T,Danby
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
1972年,日本,第一辆超导磁悬浮原理车
1979年,日本,时速 504公里
1999年 4月,日本,时速 552公里
日本研制的磁悬浮列车
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
西南交通大学研制出世界上第一台载人
高温超导磁浮实验车！
中国研制的高温超导磁悬浮实验车
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
世界第一条商业化运作的磁浮列车
2002年 12月 30日试运行！
上海磁浮列车
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
高速、安全、舒适、节能、环保的磁浮列车
最高时速达 430公里！
上海磁浮列车
§ 3 超导物理基础
电力能源方面,输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化
超导储能系统
大型电机设备形状与性能的革命
能源工业,超导贮能调节电网负荷
超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变
高温超导实用化 ——诱人前景
电子学方面,超导计算机研究,
计算速度高，体积小，功耗低，使用方便
信息储存量大
医学和生物方面,核磁共振计算机断层诊断装置 (NMR-CT)
超导量子干涉仪 (SQUID)
五、超导应用
超导应用方兴未艾 !超导领域大有可为 !
§ 18.2 固体能带理论基础 一,物态
物质的聚集态：大量粒子在一定温度、压力等外界
条件下聚集而成的稳定结构状态。
一定条件下，各种物态可相互转化，有时还可以共存。
T
p
物态 条 件 结 构 性 质 对称性
气态
液态
固态
热运动动能
>>分子相互
作用势能
热运动动能
~分子相互
作用势能
热运动动能
<<分子间相
互作用势能
完全无序
“近程有序”
（暂时、局部）
非晶体：短
程有序
晶体,长
程有序
无外场时自动趋向
稳定、均匀的平衡
态，无一定形状、
体积。
流动性，有一定体
积，无一定形状。
各向同性
晶面角守恒，
各向异性,
有确定熔点。
最高
降低
再降低
复杂的多体问题 大量离子和电子彼此相互作用
组成系统
简化,分开考虑,离离 vvmm ee ????绝热近似
认为离子与电子不交换能量
多电子问题
单电子问题
二、量子力学处理晶体中电子问题的思路
简化 自洽场法 考虑其余电子的平均场作用
固定离子势场与其它电子平均场,总势能 U,
为周期性重复排列的势阱和势垒
解定态薛定谔方程得波函数 —— 布洛赫波函数
重要结论,晶体中能级 —— 能带
势能函数,克朗尼克 —潘纳模型
x
U
??
-d o c
?
oU
三,晶体的能带结构
——电子共有化 1)晶体中电子的状态
?电子云重叠,相邻原子的
电子云重叠，重叠区域中出
现的电子不能简单归属于某
一特定母核，属于相邻原子
或整个晶体共有。
1,形成能带的原因
?隧道效应,一个原子中的电
子有可能穿越势垒进入另一
个原子，出现一批不受特定
原子束缚的共有化电子。外
层电子共有化趋向比内层电
子更显著。
2) 泡利不相容原理
由于共有化电子彼此间量子数不能完全相同，于是
各原子中能量相同的能级分裂为 N个与原来能级接
近的新能级，组成能带来容纳这些共有化电子。
个N
E
n,l,ml,ms
2)能带宽度随能量增加而增加，随离子对电子约束程
度增加而减少。
N个子能级
N个子能级
N个子能级
E
E
1)能带由准连续的 N个子能级组成，能带之间用禁带
分开，原子数 N变化时，能带宽度不变，密度变化。
2,能带特点
3)每个角量子数一定的能带中最多容纳的电子数为,
2(2l+1)N
价电子所处的能带 —价带 可为满带 可为导带
4) 能量最小原理：电子总是先填满能量较低的能带。
T 0K,无激发电子,原子所占
据的最大能级叫做 费米能级 FE
满
2,能带特点
能带被电子填满,满带
能带未被电子填满,导带
完全未被电子填充,空带（ 激发态能级 ）
?四,导体，绝缘体，半导体的能带特征
以 l = 0,即每个子能级至多容纳 2 个电子为例,
5） 不同能带有可能重叠
6） 晶体中有杂质或缺陷时，破坏了周期性结构,
禁带中可能出现杂质能级。
满带中的电子运动
不产生电流
电子运动,分布不变
导带中的电子运动
可以形成电流
电子运动,分布变化
2,能带特点
1,导体的能带结构
1)价带为导带
例, Li 12 21 ss
每个原子一个价电子（ 2s 态）
N个原子共有 N个价电子
N个 Li 原子形成固体时,2s 能级分裂为能带，有 N
个子能级。可容纳 2N个电子，成为未满带：导带
空带
价带
2) 价带为满带，与相邻空带紧密衔接或部分重叠
3) 价带为导带，又与空带部分重叠
例,Na
1622 3221 spss
每个原子一个价电子,3s
能带形成导带,又与空带
重叠，形成更宽导带。
空带
价带
例,Mg
2622 3221 spss
每个原子二个价电子,3s
能带形成满带,但与空带
重叠，形成较宽导带。
空带
价带
2,绝缘体的能带结构
价带为满带，且与空带间的禁带较宽。
一般,从满带到空带激发微不足
道，可以认为不存在导带。
当外来激发使较多电子越过禁带
进入空带时，绝缘体击穿，原空
带 导带 。
空带
价带
?E=1.5~10eV
3,半导体
价带为满带，与空
带间的禁带较窄。
空带
价带
?E=0.1~1.5eV
“电子 —空穴”对为载流子
导带中电子逆电场方向运动 ——电子导电
原满带中电子填补空穴
满带中空穴沿电场方向运动 ——空穴导电
外
场
作
用
下
E?
空带
价带
?E=0.1~1.5eV
1) 本征半导体（纯净半导体）
热运动足以使一些电子从满带进入空带，使空
带成为导带，满带中留下空穴。
空带
价带
?E=0.1~1.5eV
2) n型半导体（四价元素中掺入五价元素）
杂质能级接近空带底，其上电子容易受激发进入空
带，使其电子浓度增大。
空带
价带（满）
杂质能级 施主
电子 —— 多数载流子
杂质能级 —— 施主能级
以电子导电为主
3) p型半导体（四价元素中掺入三价元素）
空穴 ——多数载流子
杂质能级 ——受主能级
以空穴导电为主
杂质能级接近满带顶，满带中电子容易受激发进入
杂质能级，使满带中空穴浓度增大。
空带
价带（满）
杂质能级
受主
4） p-n结及其单向导电性
?p-n结的形成及其对扩散的阻挡作用
电子能带弯曲, 电势高处，
电势能低。
形成阻挡层势垒
阻挡层电场方向 n p
扩散作用 电子 n—p
空穴 p—n - + E
?
eV0
V0
p n
p,+
n,-
阻挡层减弱 势垒降低
多数载流子导电
p,-
n,+
阻挡层加强 势垒升高
少数载流子导电
? p-n结的单向导电性
p-n 结的单向导电性
p n
p n
p n
p n
由于热激发,半导体的载流子显著增加，杂质半
导体尤为显著，电导性随温度变化十分灵敏。
热敏电阻,半导体的电阻随温度的升高而指数下降
体积小、热惯性小、寿命长，广泛应用于自动控制。
介绍,半导体的其它特性和应用
p型
n型
T1
热端
金属
T0
冷端
负
载
电流
电流
温差电偶,由温度差产生电势差
热端 冷端
电子或空穴密度 小 大
运动速度 大 小
n 型 正 负
p 型 负 正
集成电路,
p-n结的适当组合可以制成具有放大作用的晶体三
极管以及各种晶体管，制成集成电路、大规模集成
电路、超大规模集成电路。
半导体激光器,
半导体激光器 (也叫激光二极管 )是光纤通讯中的重
要光源,在创建现代 信息高速公路 的工作中起着极
重要的作用。
正向偏压下工作,激励
能源是外加电压 (电泵 )
大量载流子跃迁 到较高
能量的能级上。
当正向电压大到一定程度时,
造成粒子数反转,形成电子
空穴复合发光,由自发辐射
引起受激辐射。
体积小，极易与光纤结合，成本低，制造方便，所
需电压低 (只需 1.5V)，功率可达 102 mW
p-n结本身就形成一个光学谐振腔,两个端面相当于
两个反射镜,适当镀膜后可达到所要求的反射系数,
形成激光振荡,并利于选频。
1911年，荷兰莱登
大学 昂内斯 教授在研
究金属电阻随温度变
化规律时发现：当温
度降低时汞（ Hg）的
电阻先是平稳地减小,
但在 4.2K附近，电阻
突然降为零。
超导电现象的发现
§ 超导物理基础
超导体从正常态转入
超导态的转变温度
（相变温度 Tc ）
超导临界温度,
晶格完整，无畸变
无杂质，无缺陷
T=0 K时，电阻为零
理想导体,
T=0 K时,有剩余电阻 R0
一般导体,
低温冷却时，电阻
突然下降为零
超导体,
二、超导基本性质
1．直流零电阻性质
实验现象 可持续上万年
态
T
将金属环置于磁场中，降低温度成为超导体，再撤去
磁场。由于电磁感应现象，超导环内产生感应电流 。
2,完全抗磁性（迈斯纳效应） 超导体内 0?B?
实验现象
磁棒
超导态铅
浸入液氦
置于外磁场中的超导体
内磁感应强度恒为零的现
象称为,
, 迈斯纳效应”
超导体
理想导体 内部不存在电阻 其中磁通量不变,超导体 内部不存在电阻 其中磁通量为零
与零电阻现象彼此独立 注意
直流零电阻 和 完全抗磁性 （即迈斯纳效应）是
超导的两个 独立特性,不能由任何一个推知另一个
的存在。
三、揭开超导之谜
BCS理论 巴丁 （ J,Bardeen)
库柏 （ L,Cooper)
施瑞弗 （ R,Schrieffer)
1972年诺贝尔物理奖
1,自然杂志 98年第 5期
“电子时代的奠基人和两次诺贝尔奖的获得者 ——巴丁”
?1956年，因发明晶体管，与肖克莱（ W.Shockley），布拉
顿（ W.Brattain） 共获诺贝尔物理奖。
?1972年，因低温超导理论，与库柏,施瑞弗共获诺贝尔物理奖。
1991年去世 82岁
库珀提出,
在某种吸引力 作用下,
金属中两个电子能组成电
子对（就像两个原子组成
分子一样），这种电子对
称为 库珀对。
BCS理论证明：费米面附近两个动量大小相
等、方向相反、自旋相反的电子将构成一个
束缚在一起的实体（准粒子），即 库柏对 。
在外电场作用下，库柏对作为一个整体向同一方
向运动，它将不受晶格的散射作用，而形成了超导
电流。
超导电子 —— 库柏对
正常电子 —— 单电子
四、高温超导体
临界温度 Tc 达到液氮温度（ 77K）以上的超导材
料 称为高温超导材料
至今已发现 70余种高温超导材料
高温氧化物超导体 (Tc>77K)
1986年 IBM苏黎世实验室 La-Ba-Cu-O 30K
美、中、日科学家 La-Ba-Cu-O
Sr-Ba-Cu-O 57K
1987年 休斯敦大学，朱经武
中科院，赵忠贤 Y-Ba-Cu-O 98K
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
（ 1） 电阻率的温度特性：线性关系
（ 2） 霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降
（ 3） 光电导的反常特性
（ 4） 超导能隙的各向异性
（ 5） 电子 ——电子关联性
（ 6） 临界磁场高，相干长度却很短
高温氧化物超导体的反常特性
这些反常特性无法用低温超导理论（ BCS理论）来解释，
对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
金刚石
C60 石墨
碳的三种同素异构体
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
C60 — 稳定的纯碳分子
漂亮的足球 完美的对称性
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
C60的结构
正二十面体 截角二十面体
§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
固体中间距 1.04 纳米含 60个碳原子
每个 C原子,3个最近邻,4个共价键
单键 0.146nm
双键 0.138nm
? 结构稳定
? 表面光滑抗辐射
? 抗化学腐蚀
? 具有润滑性
C60的结构
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§ 3 超导物理基础 四、高温超导体
1991年 4月 BELL实验室
C60 + K 18K
C60 + Ru 30K
C60 + Cs 33K
在短短三个月内实现！
超导新星 —掺杂 C60
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§ 3 超导物理基础 五、超导应用
由超导材料制备的电子器件
超导核磁共振
断层成象，超
导量子干涉器
件（测生物磁
场）
超导红外探
测，超导磁
悬浮列车 …,.,
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
1,超导磁体,
永久磁铁 103Gs
常规磁铁 5× 105Gs
(20吨，高温，兆瓦 )
超导磁铁 (5~30)× 104Gs
（ kg，无热量，千瓦）
体积小、重量轻、功耗小、输出功率高,
磁场强、稳定、均匀 ……
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
2,新能源 ——磁流体发电（ MHD）
热利用率达 60%
1997年 12月 16日 美英合制的 MHD向莫斯科供电
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
3,磁分离技术 ——超导磁选矿
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
4,超导磁悬浮列车
常导型,
利用普通直流电磁铁电磁吸
力的原理将列车悬起，悬浮的气
隙小，一般为 10 mm左右。时速
可达每小时 400 ~ 500公里。
磁悬浮列车 ——速度快、无噪音、不颠簸
超导型,
利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上
的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮
的气隙较大，一般为 100 mm左右。时速可达每小时 500公
里以上。
James R,Powell
和 Gordon T,Danby
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
1972年,日本,第一辆超导磁悬浮原理车
1979年,日本,时速 504公里
1999年 4月,日本,时速 552公里
日本研制的磁悬浮列车
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
西南交通大学研制出世界上第一台载人
高温超导磁浮实验车！
中国研制的高温超导磁悬浮实验车
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
世界第一条商业化运作的磁浮列车
2002年 12月 30日试运行！
上海磁浮列车
§ 3 超导物理基础 五、超导应用
高速、安全、舒适、节能、环保的磁浮列车
最高时速达 430公里！
上海磁浮列车
§ 3 超导物理基础
电力能源方面,输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化
超导储能系统
大型电机设备形状与性能的革命
能源工业,超导贮能调节电网负荷
超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变
高温超导实用化 ——诱人前景
电子学方面,超导计算机研究,
计算速度高，体积小，功耗低，使用方便
信息储存量大
医学和生物方面,核磁共振计算机断层诊断装置 (NMR-CT)
超导量子干涉仪 (SQUID)
五、超导应用
超导应用方兴未艾 !超导领域大有可为 !
