[0001] 本发明属于超导技术领域。 用于制造超导材料。 也用于普通导体材料降低电阻 率。

背景技术

[0002] 本发明的背景技术直接源自 1911年荷兰莱顿大学的 Η·卡茂林 *昂内斯的发现： 将汞冷却到 -268.98°C吋， 汞的电阻突然消失。

[0003] 自从发现超导现象以来， 人们便幵始寻找及发明新超导材料使转变温度 尽可能 提高。 希望达到普通环境的温度， 甚至更高。 1957年， 巴丁、 库珀和施里弗提 出 BCS理论， 用于解释超导微观机理。 从此， 根据 BCS理论做出实践就成为了制 造超导材料的方法。 现有最具代表性的高温超导体有钇钡铜氧化物 类高温超导 体和铁基类高温超导体。 BCS理论强调电子要成对， 自旋要相反， 同吋又是晶格 变形使电子成对。 成对的电子叫库珀对。 因为量子力学指出库珀对是不会和晶 格发生能量交换的， 所以 BCS理论直接用液氦超流现象比喻超导现象。

[0004] 与超导紧密相关的概念是导体。 用于解释导体导电的理论是能带理论。 在能带 理论中， 物质的能带被分为价带、 禁带和导带。 物质能导电就是因为导带中有 电子。 物质能导电还有一个易被忽视的附加条件： 即使是导带中的电子， 也不 能在同一能级填充两个电子， 否则这对电子不参与导电。 能填充进同一能级的 两个电子一定是自旋相反的成对电子。 有意思的是， 库珀对也是这样的。

[0005] 能带理论解释电阻吋， 常以金属为例一语带过： 自由电子与晶格碰撞， 将能量 传递到晶格， 即转变成热。

技术问题

[0006] 现有高温超导仍然需要液氮冷却。 超导材料的组合和改性技术不灵活。 包括理 论上的技术问题： 创造新超导材料的技术不灵活， 受制于晶体生长和置换原子 法。

问题的解决方案 技术解决方案

[0007] 本发明所用根据不同于 BCS理论。 为了描写技术方案， 务必先行陈述理论。

[0008] 能带理论解释电阻吋， 常以金属为例一语带过： 自由电子与晶格碰撞， 将能量 传递到晶格， 即转变成热。 然而， 以铜导体为例， 就算是独立的铜离子， 铜离 子质量与电子质量的比值仍在 1.17x10 5。 就算是完全的质心对撞， 电子与原子实 的能量交换也忽略不计。 这还没有考虑电子在导体中移动速度很慢， 只有 10 -5

-10 -4米 /秒数量级。 以及没有考虑铜离子事实上位于晶格内与周边 铜原子绑定， 所有铜原子组成质量可观的整体。

[0009] 根据铜导体的举例， 我们直接认为能带理论已经回答了超导的原因 。 相反的， 对于为什么导体会产生电阻的回答仍不足。

[0010] 首先要澄清， 不同文献针对能带理论概念的约定不一致。 包括价带、 禁带、 导 带、 满带、 半满带、 空带、 离域能级、 非离域能级、 空穴等等。 它们分别用在 绝缘体、 半导体、 导体、 超导体吋， 因条件改变而变得歧义。 典型的歧义包括 ： 导带既包括满带和空带的意思， 又不包括满带和空带的意思； 金属导体内， 价带电子同吋也是导带电子； 金属、 导体、 半导体内， 禁带概念除了一般意义 价带和导带之间的禁带， 还有满带和半满带转变的能隙； 莫特绝缘体内， 离域 能级有电子， 却因为全是满带而不导电； 拓扑绝缘体内， 一般离域能级都是满 带， 但表面的部分却因为是半满带而导电。 典型的歧义还包括： 空穴既包含非 离域能级缺失电子制造的空位， 又包含离域能级缺失电子制造的空位。

[0011] 本发明抓住关键概念， 把价带和导带之间的禁带， 以及满带和半满带的转变能 隙统称为能隙。 能够沿用 BCS理论的库珀对， 晶格变形能吸引电子并且产生能隙 。 即使晶格不变形， 能带理论也指出晶格吸引电子产生能隙。 库珀对就是满带 电子的形式。 库珀对不导电。 即将陈述超导体内导电的物质是单电子。

[0012] 我们注意到不论在导体， 半导体还是绝缘体中， 都能发生价带电子向导带跃迁 ， 导带电子也能跃迁回到价带， 也有满带电子和半满带电子的相互转变。

[0013] 导体 （包括一般导体和半导体、 绝缘体转变为导体） 中， 导带与价带的电子存 在相互跃迁， 满带和半满带的电子存在相互转变。 从导带跃迁到价带的电子， 从半满带转变到满带的电子， 既能够已经承载电流， 又能够尚未承载电流。 那 么， 只要已经承载电流的电子回到价带， 或者一个已经承载电流的电子与另一 个电子合并为满带， 就把自身的能量中不需要维持能级位置的那一 部分传递给 晶格， 或者说传递给原子实。 这一过程还能被看成电子在导体内部发生的自 发 辐射。 在发生辐射的位置附近遍布着遮挡辐射的原子 。 电子的辐射几乎在原地 被导体吸收。 载流子含有电源的能量。 从导带向价带跃迁释放能量多于从价带 向导带跃迁吸收能量， 多出来的份额来自于电源。 电子合并为满带也释放能量 ， 多出来的份额来自于电源。 因为来自于电源的能量转变成导体的热， 所以导 体表现出电阻。 没有导带与价带之间的电子跃迁就没有电阻， 就是超导。 没有 满带电子和半满带电子的相互转变就没有电阻 ， 就是超导。 其中重点是： 没有 导带向价带的电子跃迁就没有电阻， 就是超导。 没有半满带向满带的转变就没 有电阻， 就是超导。

[0014] 换言之， 即使是导体， 也能产生"临吋空穴"， 是空穴的存在给予了载流子以机 会把能量传递给晶格， 或者说传递给原子实。 因此导体表现出电阻。 没有"临吋 空穴"就没有电阻， 就是超导。 "临吋空穴"是空穴， 而且必将在某一吋刻被电子 中和， 所以才修饰为临吋。 "临吋空穴"既包括非离域能级缺失电子制造的� ��位， 又包括离域能级缺失电子制造的空位。

[0015] 这一解释导体电阻的方法与既往经验符合。 通常导体电阻与温度成正比关系， 意味着热能激发价带电子到导带， 产生价带电子和导带电子互换的频率与电子 热运动的平均动能成正比。 热能激发满带和半满带互换的频率与电子热运 动的 平均动能成正比。

[0016] 为了减小电阻就需要材料减少出现"临吋空穴"� �� 也就是减少价带的电子跃迁到 导带， 或者减少导带的电子跃迁到价带， 或者减少满带电子和半满带电子相互 转变。

[0017] 为了制造超导就需要材料禁止出现"临吋空穴"� �� 也就是不准价带的电子跃迁到 导带， 或者不准导带的电子跃迁到价带， 或者禁止满带电子和半满带电子相互 转变。

[0018] 现有技术的办法是降低材料温度。 在温度下降的过程中， 电阻率减小直至出现 库珀对成为超导。 本发明区别于现有技术， 不承认双电子导电， 继承能带理论 的单电子导电。

[0019] 不论应用温度多少， 制造导体或超导的技术方法包括：

[0020] 1、 相对于对比材料， 减少价带的电子跃迁到导带， 或者减少导带的电子跃迁 到价带， 或者减少满带电子和半满带电子相互转变， 以减小材料电阻；

[0021] 2、 禁止价带的电子跃迁到导带， 或者禁止导带的电子跃迁到价带， 或者禁止 满带电子和半满带电子相互转变， 以制成超导材料。

[0022] 为了减少或禁止价带的电子和导带的电子转变 跃迁， 或者减少或禁止满带电子 和半满带电子相互转变， 方法包括：

[0023] 1、 选择材料用于制造导体或半导体， 材料本身的特性相对于其它材料减少了 价带电子跃迁到导带， 或者减少了导带电子跃迁到价带， 或者减少满带电子和 半满带电子相互转变；

[0024] 2、 选择材料用于制造超导， 材料本身的特性没有价带电子跃迁到导带， 或者 没有导带电子跃迁到价带， 或者没有满带电子和半满带电子相互转变；

[0025] 3、 向绝缘体惨杂使空带出现电子或使满带出现空 穴， 绝缘体转变为导体或超 导； 包括一般绝缘体、 拓扑绝缘体、 莫特绝缘体、 导电聚合物绝缘态； 向绝缘 体引入正电荷使满带缺少电子， 引入负电荷使空带填充电子， 从而绝缘体表现 出导电性或超导性； 本条所述绝缘体不仅包括常温下的绝缘体， 还包括任何温 度下的绝缘体；

[0026] 4、 利用电场把载流子送入绝缘体， 载流子指电子或空穴， 绝缘体能够被当作 电极， 也能够不被当作电极； 本条所述绝缘体不仅包括常温下的绝缘体， 还包 括任何温度下的绝缘体；

[0027] 5、 在已有材料的基础上， 改造有已有材料增加禁带宽度。 使电阻率大的材料 改变成电阻率小的材料， 或者使电阻率不等于 0的材料改变成电阻率等于 0的超 导。

[0028] 6、 在已有材料的基础上， 改造已有材料增加满带和半满带的转变能隙。 使电 阻率大的材料改变成电阻率小的材料， 或者使电阻率不等于 0的材料改变成电阻 率等于 0的超导。

[0029] 为了改造已有材料增加禁带宽度， 或者改造已有材料增加满带和半满带的转变 能隙， 对材料分子、 原子施加外部电场、 磁场、 压力。 施加外部电场、 磁场、 压力的方法包括：

[0030] 1、 把已有材料置于电容器中， 由外部电源供电， 材料本身能够作为电容器的 电极， 也能够不作为电容器的电极；

[0031] 2、 把已有材料置于磁场中， 不论是线圈产生的磁场还是永磁体的磁场； [0032] 3、 在已有材料内引入电荷或引入磁性粒子， 用任何离子、 原子修饰材料分子

、 原子 （包括电荷或磁性粒子聚集在材料表面， 包括电荷或磁性粒子嵌入在材 料内部） ；

[0033] 4、 让带电基团、 磁性基团成为已有材料分子的一部分；

[0034] 5、 给已有材料施加外部压力， 压缩材料的原子间距。

[0035] 为了减少或禁止价带的电子和导带的电子转变 跃迁， 或者减少或禁止满带电子 和半满带电子相互转变， 还能够将导体、 半导体或绝缘体改造成导体或超导体 。 为了陈述这一改造方法， 需要先简述激光原理。

[0036] 激光原理分为两个阶段。 第一阶段是激励， 就是把材料原子的外层电子激发到 更高能级。 第二阶段是自发辐射和受激辐射， 电子从高能级回到低能级。

[0037] 改造方法就是把材料原子的电子激励到导带中 ， 并维持激励环境， 减少或者杜 绝自发辐射或受激辐射的出现。 较少的载流子回到价带即为导体。 完全没有载 流子回到价带即为超导体。 激励方法包括泵浦光源照射或者热激励、 电激励、 微波激励。 本发明对材料的工作温度不做限制， 包括低于室温， 等于室温， 和 高于室温。 可选择的， 为了有利于激励， 采用禁带宽度小的材料， 或者改造已 有材料减小禁带宽度， 或者减小满带和半满带的转变能隙。 为了改造已有材料 减小禁带宽度， 或者减小满带和半满带的转变能隙， 对材料分子、 原子施加外 部电场、 磁场、 压力。 其中方法包括改造已有材料增加禁带宽度或能 隙一样的 方法， 其中增加压力改变为减小压力增加负压， 扩大材料的原子间距。

发明的有益效果

有益效果

[0038] 本发明不限制材料种类， 包含任何应用温度。 给出灵活的组合和改性方法。 提 出创造新超导材料的技术。 实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0039] 1、 把激光材料反向应用得到超导体或者良导体， 包括制成线状用作传输线 [0040] 通过泵浦光源照射或者热激励把能量输送给激 光材料。 材料在受激状态下表现 出超导性质或者良导体性质。 并不是所有受激状态都有超导性质或者良导体 性 质。 导电的前提是受激电子进入导带。 体现出导电性的标志是材料出现金属光 泽。 把材料制做成线状就能用作电能传输线。 能够从线材两端或者中部任何位 置输入泵浦光， 还能够加热或者不加热产生热激励。 材料受激励使线材成为超 导或者良导体。

[0041] 因为金属光泽会挡住泵浦光， 所以又能够把材料做成管线状， 使光线在管道中 传输。 光线照射于管壁， 使管壁材料成为超导或者良导体。

[0042] 2、 直接为单层铜氧化膜或者单层铁基超导膜施加 电场或磁场

[0043] 现有铜氧化物超导中， 常用原子置换法将钇钡铜氧化物的部分原子替 换成其它 原子。 而作用集中在利用临近原子影响铜氧面。 本发明根据新理论得到结论， 影响铜氧面的根本目的是增加禁带宽度， 增加满带和半满带的转变能隙。 通过 外部提供电场或磁场直接影响铜氧面结果是一 样的。

[0044] 直接为单层铜氧化膜施加电场或磁场使铜氧化 膜转变为超导。 单层铜氧化膜能 够作为产生电场的电极， 也能够不作为产生电场的电极。

[0045] 还允许在单层铜氧化膜的上下表面生长其它原 子， 比如钇原子、 钡原子。

[0046] 同理， 直接为单层铁基超导膜施加电场或磁场使铁基 超导膜转变为超导。 单层 铁基超导膜能够作为产生电场的电极， 也能够不作为产生电场的电极。

本发明的实施方式

[0047] 1、 石墨细粉在电场中产生抗磁性

[0048] 把纯石墨的细粉置于电场和磁场中。 保留电场而撤走磁场后， 石墨细粉带有磁 性， 或者说含有带磁性的部分。 撤去电场后磁性消失。 石墨细粉可作为产生电 场的电极也可不作为产生电场的电极。 为了检验磁性， 又不得不再次引入磁场 。 后引入的磁场与之前撤走的磁场的磁感线分布 不同就能达到辨别磁性的目的 。 石墨细粉在电场和磁场共同作用下出现迈斯纳 效应说明超导性。

[0049] 2、 聚苯胺惨杂引入载流子并在电场中改变电阻率 ， 包含电阻率为零的超导 [0050] 向聚苯胺惨杂碘元素或者向聚苯胺惨杂钾元素 ， 或者向聚苯胺惨杂质子酸。 对 惨杂或者未惨杂的聚苯胺施加电场。 聚苯胺可作为产生电场的电极也可不作为 产生电场的电极。 改变电场就能改变电阻率， 电阻率为零的情况就产生超导。

[0051] 3、 把半导体激光材料反向应用得到超导体或者良 导体

[0052] 在半导体激光材料的表面镀全反射膜。 把光源发出的光反射给光源自身。 为了 区别， 泵浦电流和检验电流是分幵而论的。 泵浦电流就是激光器照常工作的电 流， 它经过 PN结。 而检验电流是体现超导作用的电流， 它经过自由电子富集的 那一块区域。 引入检验电流的电极要么都在 P区， 要么都在 N区。 同样， 也能够 用迈斯纳效应检验超导转变。 电阻减小未达到超导吋就是良导体。 并不是所有 受激状态都有超导性质或者良导体性质。 导电的前提是受激电子进入导带。 体 现出导电性的标志是材料出现金属光泽。