摘要：  文章简要介绍了高温超导体和冷等离子体两种新型电子材料的一般概念，分类，制备技术以及应用情况，并对今后的发展前景进行了展望。

关键字：  高温超导体，冷等离子体

1 高温超导体
1.1 高温超导体的概念
首先必须指出的是“高温超导体”中的“高温”并非大多数人们所认知的几百至几千摄氏度(℃)的温度范围。高温超导体是指其临界温度在液氮温度(77K)以上的超导材料。我们知道，某些材料在一定条件下具有超导电性能，故被称为超导体。超导体的直流电阻率在一定温度下突然消失，被称作零电阻效应。出现零电阻效应的这个温度即是超导体的临界温度。
高温超导体是超导物质中的一种族类，它们相对于原来的零下几百度(℃)的超低温度超导材料而言，高温超导体的临界温度要高得多，不过仍在零下几百摄氏度。同样直径尺寸的高温超导材料和普通铜材比较，前者的导电能力是后者的一百倍以上。
1911年，人们发现超导体，立即被其奇异的特性（如零电阻，反磁性和量子隧道效应）所吸引。人们开始对其关注和研究，但在此后长达70多年的时间里，所有已经被发现的超导体都只是在极低的温度(23K)之下才显示具有超导性能，因此，超导体的应用受到极大限制。
20世纪80年，对超导体的研究探索进入了黄金年代。1981年合成了有机超导体，1986年，缪勒和柏诺兹发现了一种陶瓷性金属氧化物镧钡铜氧体系(LaBaCuO4)，其临界温度约为35K。由于陶瓷性金属氧化物通常是绝缘物质，所以这种材料的研制成功具有非同寻常的意义，缪勒和柏诺兹因此荣获了1987年度的诺贝尔物理学奖。缪勒等的这次突破性的发现，导致了更高温度的一系列烯土钡铜氧化物超导体的发现。
1987年，超导材料研究领域又有了更大突破，美国休斯顿大学的朱经武团队和中国科学院物理研究所的赵忠贤等人先后研制出了临界温度为90K的超导材料钇钡铜氧(YBCO)，首次实现了液氮温度(77K)这个温度壁垒的突破。由于这类超导体的临界温度在液氮温度(77K)以上，因此通常被称为高温超导体。液氮温度以上钇钡铜氧超导体的发现，使得普通的物理实验室具备了进行超导实验的条件，因此全球掀起了一股探索新型高温超导体的热潮。1987年底，我国留美学者盛正直等首先发现了第一个不含稀土的铊钡铜氧(TBCO)高温超导体。1988年初，日本学者研制成功临界温度达110K的铋锶钙铜氧(BSCCO)超导体。1988年2月，盛正直等又进一步发现了125K的铊钡铜氧(TBCCO)超导体。1993年，法国科学家发现了135K的汞钡钙铜氧(HBCCO)超导体。这些高温超导材料的相继问世，使得人类终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。
我国在高温超导研究上成绩喜人。2009年，中国科技大学陈仙辉小组发现了铁基超导体大同位素效应。铁基磷族化合物超导体的临界温度可达55K。研究表明，铁基高温超导体同位素效应可能具有和铜氧高温超导体同位素效应相似的物理起源，这为高温超导机理研究开辟了新的思路。
1.2 高温超导体的分类
通过超导体发现以来百多年的探索，目前，越来越多的高温超导材料进入了实用阶段，它们现包括了四大类：90K的稀土系，110K的铋系，125K的铊系和135K的汞系。它们的成份中都含有铜和氧，因此也总称为铜氧基超导体。它们都具有相类似的层状结晶结构，铜氧层是超导层。
1.3 低高温全系列超导体分类
我们将现有的超导材料按液氮沸点温度(77K)和液氢沸点温度(20K)为参照，将其分为三类：铜氧化合物超导体，铁基超导体和金属低温超导体（请见表1所列）。
表1 现有超导材料一览表
种类 材料 温度(K)
铜氧化物超导体 Hg12T13Ba30Ca30CU4-50127
Bi2Sr2Ca2Cu3010(BSCCO)
YBa2Cu307(YBCO) 138
110
92
液态氮的沸点  77
铁基超导体 SmFeAs(O， F)
CeFeAs(O， F) 43
41
液态氢的沸点  20
金属低温超导体 Nb3Sn
NbTi
Hg 18
10
4.2

1.4 高温超导材料及器件的研究状况
自上世纪八十年代以来，高温超导体及其应用的研究工作一直在紧张地进行着，但由于高温超导的理论还没有很好地建立，故探索的进展又是缓慢的，虽然经常有些新型超导体和更高温度超导材料的研究成果报道，但并没有实质性的突破。
我国在实用高温超导材料上取得了一些成果，如铋系高温超导材料，Y-Ba-Cu-O高温超导材料和新型MgB2超导线带材。2001年，清华大学应用超导研究中心研制出了340米铋系高温超导导线，这是我国目前在高温超导导线长度上的最新纪录。我国在铋系带材，钇系大面积双面薄膜、钇系新型涂层材料、钇系准单畴块材和高温超导电缆等方面的技术水平与国际水平相当，某些方面处于领先地位。[#page#]
在高温超导电子器件研究方面，已研制出超导量子干涉器件(SQUID)、磁强计、高温超导微波器件（HTS滤波器、HTS天线、复接器、延迟线）和高TC超导红外探测器。而研制出的与电力系统相关的高温超导电力组件有：高温超导电动机和发电机(20MW~40MW)、超导限流——储能系统(1MJ/0.5MVA)、HTS变压器、故障电流限制器和HTS空间实验站。
2009年11月，我国拥有自主知识产权的首个高温超导滤波系统应用示范基地成功连续运行超过三年，实现了高温超导滤波技术从实验室样机到少量实际应用，再到产业化生产和批量长期应用的重大突破，使我国成为继美国之后，世界上第二个成功地将高温超导技术应用于移动通信的国家。
美国将超导技术、材料和器件列入21世纪的国防关键技术。国外已将高温超导微波接收机广泛应用于雷达、军事通信和导弹制导等等方面，以使现代武器装备的性能提升一个新台阶。
高温超导技术的主要成果和应用有：
a.精密检测和测量
用于潜艇探测与导航、水雷探测、传感器电磁测量、无损检测、大地电磁测量等。超导量子干涉器件(SQUID)用于弱电磁信号检测是目前最灵敏的磁测量传感器。澳大利亚在pc30rion飞机上配置的精密电磁测量系统，命名为MAGSAFE，可以对目标潜艇的详细信息如距离、深度、航向、速率、是否正在下潜等进行探测。此系统在2010年前后投入使用。
b.超导计算机
采用超导材料和器件制造的计算机，可将亿次巨型机缩小到微型计算机大小。在计算机中采用超导器件可使其开关速度比现有的半导体器件快2~3个数量级。超导计算机应用于C3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速提高。日本富士通公司研制成功的4位超导微处理器与采用砷化镓技术的同类型微处理器比较，速度快10倍，功耗只有后者的1/500。
c. 航天发射助推系统
利用超导磁悬浮技术助推航天发射系统具有载重量大、悬浮间隙大、无摩擦、低能耗等特点，可以有效降低发射成本。美国宇航局(NASA)正在研究高温超导磁悬浮助推发射技术，该项发射技术被列为美国第三代航天运载器计划的关键之一。
d.推进电力发展
超导发电机。超导技术为大容量小型化磁液体发电机的研制提供了基础。实用化超导发电机可为预警飞机的雷达、计算机、通信设备提供动力。用高温超导块材制造的舰船推进同步电动机具有功率大、重量轻、噪音低、耗油少等特点，可用于潜艇、驱逐艇、护航艇、水翼艇和集装箱船等。2002年，美国研制出36.5MW舰船实用高温超导推进电机，标志着大容量高温超导电机走向了实用化阶段。2009年，美国舰用36.5MW高温超导推进电机完成满功率试验。高温超导电机的重量比感应电机的重量要轻得多。
超导电磁推进装置。美、英、日等国积极开展超导技术在海军舰艇方面的应用研究，已初见成效。美国试制了5.5MW的超导驱动系统，英国研制了480kW的超导电磁推进装置，日本也已制成了超导船——“大和2号”。现在已有多艘超导电磁推进船试验成功。
e. 军事侦察、通信和雷达中的应用
用超导材料的“约瑟夫森效应”制作的仪器设备具有灵敏度高、噪声小、响应速度快和能耗少等特点。在军事装备领域大有用武之地。高居里温度(TC)超导红外探测器的灵敏度比常规探测器高上千倍，是军事遥感侦察的理想设备，具备全天候及穿透烟云的探测能力，可以广泛应用于天文探测，光谱研究，远红外激光接收，航天器的相控阵天线和水雷探测等。利用超导电线可以实现远距离大容量军事通信。英国伯明翰大学制作的世界上第一台超导无线电发射机，其发射距离比常规发射机增加十多倍。利用超导材料制造的卫星天线，效率可提高90%。
超导雷达也在研究之中，其天线、发射机、接收机、稳频源、信号模拟器和滤波器等电子器件均采用HTS材料制作，具有低功耗，低噪声、宽频带、高灵敏度、高可靠性以及体积小、重量轻等优点。超导雷达频带宽度是普通雷达的166倍，作用距离提高了一个数量级，显著提高了探测微弱小信号的能力。
f. 在新概念武器中的应用
超导材料应用于新概念武器目前主要有以下几类：超导电磁炮、超导扫雷器、航母电磁弹射器和电磁式鱼雷发射装置等。
用于坦克的超导电磁炮。超导电磁炮是美国“量球大战”计划研制的动能武器之一，也是美国新一代坦克进攻武器之一。美国陆军设计了一种外形尺寸和M1坦克相似的超导电磁坦克。主要武器为105mm电磁炮，电磁炮的电源由6台超导线圈制成的单极发动机提供，车体中部的两侧为液氮容器，盛有冷却超导电感线圈的液氮。高温超导体的制作成功，给坦克的高技术化开辟了新的途径。
用于超导扫雷器。扫雷磁体是电磁扫雷器的核心部件，采用高温超导材料制成的轻型感应扫雷系统具有重量轻、体积小、机动性强的特点，可以用于大步进拖曳扫雷，无盲区、灵敏度高、系统安全、可靠性高。2006年4月，澳大利亚国防部宣布开发出了高温超导磁技术扫雷系统。这是目前世界上极少数将高温超导技术应用于海上雷战的国家。
随着高温超导技术的迅速发展，高温超导材料将用于航母电磁弹射器和高温超导电磁式鱼雷发射装置，具有噪声低、可靠性高、自动控制、正位移式发射、高速联射等优势。
1.5 高温超导技术应用的前景
用高温超导材料制作的器件体积小、重量轻、耗电少、效率高，可广泛应用于民用与国防领域，是对国民经济建设、国防建设具有重大战略意义的材料。正如光纤的发明催生了崭新的信息时代，高温超导材料也必将带来电力工业发展史上划时代的革命。美国、欧洲各国、日本、韩国和中国都相继开展了高温超导电缆、超导故障限流器、超导变压器、超导电机、超导储能装置等的研究。根据国际超导专业会议预测，超导电力技术将会在2015年前后获得大规模的应用，到2020年，全世界的超导技术市场最低将达到1200亿美元，其中超导电力技术将达350亿美元。
高温超导技术最广阔、最重要的应用领域是军事装备，将超导器件与先进的低温半导体技术结合，可以产生新概念电子战系统。高温超导器件在侦察、反潜、导航和红外探测中具有常规器件无法替代的优良特性。高温超导技术在军事领域的应用，关系到一个国家的军事实力强弱，关系到国家的安危，所以各国政府和军方都高度重视，这将加速超导技术的进步。[#page#]
2 冷等离子体
2.1 冷等离子体概念
我们已经知道，等离子体是固态、液态和气态三种物质形态之外的第四态物质，其运动主要受电磁力的支配。虽然等离子体在整体上呈现电中性，但却存在很好的导电性，如普通气体中若有0.1%的气体被电离，这种气体就具备了很好的等离子体特性，假如电离的气体增加到1%，这样的等离子体即成了导电率很大的理想导电体。
等离子体按其热容量的大小分为高温等离子体、热等离子体和冷等离子体。冷等离子体是电子温度很高，重粒子温度很低，总体温度接近室温的非平衡等离子体，可以由稳态电源、射频、微波放电在1000PA以下产生。这种等离子体常用作机载隐身等离子体。
2.2 冷等离子体制备
制备冷等离子体的方法主要有：热致电离、气体放电、放射性同位素、激光照射、高功率微波激励等等。目前，在机载条件下常用的方法是气体放电法和涂抹放射性同位素。而常用的气体放电法又分为大气压下的介质阻挡放电和辉光放电、电晕放电、强电离气体放电等。
2005年，我国大连海事大学环境工程研究所在高气压强电场电离放电方法的研究课题上取得突破性进展。强电离放电间隙中的大多数电子具有的能量足以把氨、氧等气体分子电离成高浓度等离子体，浓度可达到1015/cm3左右，用于隐身技术的临界电子浓度在1012/cm3量级。所研制的等离子体产生器件是一种薄片式器件，它们可以贴附在电磁波强散射部位或进气管壁上，该器件放电消耗的能量仅为100W，能产生10L等离子体，其自身质量仅为0.1kg；在4GHz~14GHz频率范围可使飞机的雷达散射截面值衰减30db，减少到原来的0.1%。强电离放电等离子体产生器件外表面自身也具有隐身功能，因此能解决飞机隐身技术的疑难问题。
2.3 冷等离子体的应用
冷等离子体主要用于飞行器隐身、减阻及天线，提纯硅粉，活化分子和半导体材料刻蚀。
a.冷等离子体隐身
等离子体隐身的方法目前有两种：一种是利用等离子体发生器产生等离子体。即在低温下，通过高频和高压提供的高能量产生间隙放电，将气体介质激活电离形成所需厚度的等离子体，以达到吸收电磁波获得隐身的目的。另一种是在飞行器的特定部位如在雷达散射区涂一层放射性同位素，它的辐射剂量应确保它的射线在电离空气时所产生的等离子体云具有足够的电离密度和厚度，以确保对雷达电磁波具有足够的吸收和散射能力。等离子体隐身有如下独特的优点：吸波频带宽、吸收率高、使用简便、服役时间长、不用维护保养，同时可以降低飞行阻力的30%。
20世纪90年代初，美国休斯顿实验室进行过一项为期二年的实验，结果表明：使用等离子体技术可以使一个13cm长的微波反射器的雷达截面积在4GHz~14GHz频率范围内平均降低20dB，即雷达获取的回波信号强度减少到原来的1%。1997年，美国海军委托田纳西大学等机构研制等离子体隐身天线，初步演示显示出这种天线发射接收功能和隐身特性。1997年，美国国防部的基础研究计划中指出，中性等离子体效应可以为军用飞机和卫星提供隐身条件。由此可见，美国对等离子体技术及其应用是足够重视的。
近些年来，在俄罗斯，等离子体隐身技术也取得了很大进展，其研究成果领先于美国。例如，俄罗斯克尔德什研究中心已经开发出第一代等离子体发生片和第二代等离子体发生器，他们通过在地面的模拟试验，充分证明了两种器件对设备和飞机隐身的实用价值。在不影响飞机技术性能的情况下，采用第二代等离子体发生器的飞行器被敌方一定频率的雷达发现概率降低了90%以上。本世纪初，可与美国F-22战机抗衡的俄罗斯第五代米格1.42型战斗机曾采用这项先进技术。目前克尔德什研究中心正在研制更有效的第三代等离子体产品，该产品是利用飞行器周围的静电能量来减小飞行器的雷达波反射面积。最新试验指出，采用第三代等离子体隐身技术，在4GHz~14GHz频率范围内可以使米格飞机的雷达波散射截面值减小到原来的1%。但是，等离子体隐身技术仍然存在局限性。等离子体发生器的重量大、体积大，产生等离子体的功耗也比较大。从目前了解到的资料信息可知，等离子体隐身的有效频率范围一般在20GHz以内，尚未看到等离子体隐身技术适用于毫米波波段的报道。
b. 冷等离子体制备太阳级硅
采用辉光放电冷等离子体技术，利用其特殊的冶金效应实现硅粉提纯，可以代替传统的化学工艺制备太阳级硅。将硅粉的纯度从98.75%提高到99.96%，接近太阳级硅要求。提纯的硅粉可制成多晶硅锭或用直拉法制成硅棒，制作地面用的太阳能电池。
c.用冷等离子体活化甲烷分子
随着石油资源的日益紧缺，利用天然气转化替代部分石油资源受到人们关注。天然气主要的成分甲烷作为最小的烃类分子，具有特殊稳定的结构和惰性，如何使甲烷分子活化并进行定向转化曾经是个难题。冷等离子体技术作为一种非常规手段，在烷转化中的应用日益广泛。等离子体是一种有效的分子活化手段，其电子具有的能量足以使反应物的分子激发、离解和电离，形成高活化状态的反应物种。
d. 冷等离子体的频选特性
利用非磁化冷等离子体的频选特性，可以抑制微波滤波器的寄生通带，在微波波导滤波器输入输出耦合结构的单端增加等离子体，其寄生通带可被抑制在20dB以下，且有进一步优化的裕度。
e.冷等离子体刻蚀
采用常压射频冷等离子体对单晶硅进行刻蚀，处理样品不受真空室尺寸限制，操作方便。常压下没有高能离子存在，不会像真空等离子体那样对硅片表面造成损伤。因而常压射频冷等离子体技术在材料刻蚀方面有较大的研究价值。
2.1 冷等离子体的应用前景
冷等离子体在军事装备，特别是在航天器的非平衡冷等离子体隐身、减阻等方面的应用仍是目前世界各军事强国竞相研究的重点课题。美俄等军事大国开展了大量的非平衡等离子体隐身、减阻的可行性理论基础研究。但这些研究尚未用于现役军事装备上，甚至尚未进行可行性的模拟试验，其主要原因是没有能够满足航天器隐身、减阻需要的等离子体源。我国大连海事大学在强电场离子受力及其规律研究上取得了突破性的进展，为研制非平衡等离子体源提供了理论基础及技术方法。预计到2020年左右，我国的航天器有望实现全面等离子体隐身、减阻。
3 小结
文章简要介绍了高温超导体和冷等离子体两种新型电子材料的一般概念，分类，制备技术以及应用情况，并对今后的发展前景进行了展望。
参考资料
[1] 互联网资料
[2] 中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集