物理学前沿课程作业题目：一、超导材料的研究与发展光催化反应机理二、TiO2姓名：谭琳学号：S130720032一、超导材料的研究与发展1、 引言1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。

后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。

物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称这超导体。

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。

目前，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的分类、性质、应用、原理等方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。

2、 分类2.1按成分分为：元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。

2.2按Meissner 效应分为：第一类超导体：超导体在磁场中有一同的规律，如图a 所示：当H<H c 时，B=0，H>H c 时，B=μH ，即在超导态内能完全排除外磁场，且只有一个值。

除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体。

第二类超导体：如图b 所示，第二类超导体的特点是：当H<H c1时，B=0，排斥外磁场。

当H c1<H<H c2时，B>0而B< μH ，磁场部分穿透。

当H>H c2时，B= μH ，磁场完全穿透。

也就是在超导态和正常态之间有一种混合态存在，H c 有两个值H c1和H c2 。

钒、铌、钌及大多数合金或化合物超导体都是属于第二类导体。

3、 性质3.1零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。

如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。

这种“持续电流”已多次在实验中观察到。

超导体的零电阻现象与常导体零电阻在实质上截然不同。

常导体的零电阻是指在理想的金属晶体中，由于电子运动畅通无阻，因此没有电阻；而超导体零电或以下时，其电阻突然变为零。

电阻率ρ与温度T 阻是指当温度降至某一数值Tc的关系见右图3.2完全抗磁性1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。

把锡单晶球超导体在磁场(H≦Hc)中冷却，在达到临界温度Tc以下时，超导体内的磁通线一下子被排斥出去；或者先把超导体冷却至Tc以下，再通以磁场，这时磁通线也被排斥出动；如图所示。

即在超导状态下，超导体内磁感应强度B=0.这就是迈斯纳效应。

3.3约瑟夫森效应两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。

当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。

这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。

3.4同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。

M越大，Tc越低，这称为同位素效应。

例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

4、基本临界参量4.1临界温度外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。

Tc值因材料不同而异。

已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。

到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。

4.2临界磁场使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。

Hc 与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。

4.3临界电流和临界电流密度通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。

Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。

单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。

超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。

以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc 才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。

1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。

之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。

这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。

5、超导机理当前在阐明超导机理的几种理论中，二流体模型是较有说服力的，较为流行的一种。

二流体模型认为：超导体处于超导态时，传导电子分为两部分，一部分叫常导电子，另一部分叫超流电子，两种电子占据同一体积，彼此独立运动，在空间上互相渗透；常导电子的导电规律与常规导体一样，受晶格振动而散射，因而产生电阻，对热力学熵有贡献；超流电子处于某种凝聚状态，不受晶格振动而散射，对熵无贡献，其电阻为零，它在晶格中无阻地流动。

这两种电子的相对数目与温度有关，T>Tc 时，没有凝聚；T=Tc时，开始凝聚；T=0时，超流电子成分占100%。

这就是二流体模型的理论观点。

它很好的解释了超导体在超导状态时零电阻现象。

6、超导材料的应用6.1低温超导材料的应用低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。

6.2高温超导体材料的应用与进展目前高温超导材料大量应用在磁体、电子器件、电力等方面。

但仍有许多材料和技术方面的问题需要解决。

在材料方面，主要是要求超导体应有较高的临界温度和临界电流7、结论超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。

但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。

自1911年荷兰科学家卡末林、昂尼斯发现“超导”现象至今，世界各国的科学家从未间断过对“超导”的研究，特别是进入20世纪80年代以来，随着1987年中国、日本和美国科学家采用金属氧化物，将超导临界温度提高，使超导体前进了一大步，从而引起了一场前所未有的“超导大战”。

近年来，世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发，不断推动超导技术产生新的飞跃。

当日本宣布获得了175K的超导材料后不久，美、中、俄、联邦德国、丹麦等国也都相继有了突破性的研究报告，有的甚至已看到了308K的超导迹象，即已达到常温的转变温度。

这表明，超导技术广泛应用的时代即将来临。

8、展望未来十年是高温超导市场发展和材料产业化的十年。

据预测，2010年和2020年，世界超导市场将分别达到300亿美元／年和2440亿美元／年。

在不久的将来，我国的能源、医疗卫生、电子技术和科学仪器等方面将会迫切需要超导技术。

超导体的应用将导致一场新技术革命。

二、TiO2光催化反应机理光催化反应基本途径当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子(矿)，同时在价带留下空穴(矿)。

由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。

空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。

空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH或H2O发生作用生成HO·。

HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂。

光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。

该过程如图1(a)所示，可用如下反应式表示：HO·能与电子给体作用，将之氧化，矿能够与电子受体作用将之还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化：光催化反应的量子效率低(理论上不会超过20%)是其难以实用化的最为关键因素之一。

光催化反应的量子效率取决于载流子的复合几率，载流子复合过程则主要取决于两个因素：载流子在催化剂表面的俘获过程和表面电荷迁移过程。

增加载流子的俘获或提高表面电荷迁移速率能够抑制电荷载流子复合，增加光催化反应的量子效率。

电子和空穴复合的速率很快，在TiO2表面其速率在10-9s 以内，而载流子被俘获的速率相对较慢，通常在10-7~10-8s(Hoffmann，1995)。

所以为了有效俘获电子或空穴，俘获剂在催化剂表面的预吸附是十分重要的。

催化剂的表面形态、晶粒大小、晶相结构及表面晶格缺陷均会影响载流子复合及电荷迁移过程。

如果反应液中存在一些电子受体能够及时与电子作用，通常能够抑制电子空穴的复合，如Elmorsi(2000)发现溶液中含10-3M的Ag+时，其光催化效率提高，原因在于Ag+作为电子受体与电子反应生成金属银，从而减少了空穴．电子对复合的几率。

尽管通常认为电子被俘获的过程相对于载流子复合过程要慢得多，但Joseph(1998)等人发现当光强很弱时，在ns时间范围内电子吸收谱主要取决于电子在催化剂表面的俘获，而fs至ps范围以及ms以上时电子吸收谱则取决于载流子的复合，即在ns时间尺度电子被俘获的过程相对于电子．空穴复合的过程更具有优势，如果没有空穴俘获剂的存在，数ms后仍能测到电子的存在。

光催化氧化反应体系的主要氧化剂究竟是HO·还是空穴，一直存在争论，许多学者认为HO·起主要作用(Turchi，1990；Sun，1996；Schwarz，1997)。

ESR研究结果证实了光催化反应中HO·及一些活性氧自由基的存在(Noda,1993),Mao(1991)等则证实了氯乙烷的降解速率限制步骤是HO·对C-H键的攻击过程。

但空穴对有机物的直接氧化作用在适当的情形下也非常重要，特别是一些气相反应，空穴的直接氧化可能是其反应的主要途径。

不同的情形下空穴与羟基自由基能够同时作用，有时溶液的pH值也决定了羟基自由基还是空穴起主要作用(Sun，1995)。

Assabane(2000)等研究1，2，4三羧基安息香酸光催化降解时则认为羟基自由基与空穴的作用是一个互相竞争的过程。

但是也有许多学者认为空穴的作用更为重要(Carrway,1994)。

如Ishibashi和Fujishima(2000)等通过测定反应过程中HO·和空穴的量子产率来推测它们在反应中所起的作用，结果发现HO·的产率为7×10-5，空穴的产率为5.7×10-2，由此认为空穴是光催化反应的主要物质。

对光催化反应发生的位置是在催化剂表面还是溶液中也存在争论。

从许多光催化反应动力学符合Langmuir-Hinshelwood模式，以及反应物在催化剂表面的吸附符合Langmuir等温式来看，更有理由认为反应发生在催化剂的表面位置(Elmorsi，2000)。