專利名稱：實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電、電子物理和材料的導(dǎo)熱，涉及材料在接近室溫和更高溫度的零電阻現(xiàn)象也就是超導(dǎo)電性(hyperconductivity)以及零熱阻現(xiàn)象也就是超導(dǎo)熱性 (superthermoconducivity)0本發(fā)明可以使用在納米電子學(xué)、微電子學(xué)、無線電工程和電氣工程、運輸系統(tǒng)中。本發(fā)明實現(xiàn)了在接近室溫和更高的溫度形成材料的零電阻和材料的零熱阻(也就是，超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性)的新的物理機理。超導(dǎo)電性是材料具有零電阻的狀態(tài)。該狀態(tài)(即，超導(dǎo)電態(tài))在超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Oh)和更高溫度出現(xiàn)并存在于位于電極之間的包含電子振動中心(EVC，electron vibration centers)的半導(dǎo)體材料中。當(dāng)電極之間的材料被加熱到溫度Th之上時存在超導(dǎo)電性，它們是超導(dǎo)電體或超導(dǎo)電材料。超熱傳導(dǎo)性，或超導(dǎo)熱性，是材料具有零熱阻的狀態(tài)。該狀態(tài)，超導(dǎo)熱性的狀態(tài)或超導(dǎo)熱態(tài)，在超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th和更高溫度出現(xiàn)并存在于電極之間的包含電子振動中心 (EVC)的半導(dǎo)體材料中。超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性是材料的相互束縛態(tài)，不能彼此分離地實現(xiàn)。這由以下事實限定，在電子振動中心已經(jīng)輸入到材料中之后，電子和聲子在高于Th的溫度變得彼此強束縛并且強束縛到EVC。結(jié)果，在EVC濃度梯度的條件下或在電勢梯度、電場或溫度梯度的影響下，電子和聲子一起進(jìn)行躍遷-從一個EVC到另一個EVC的電子振動躍遷。這些電子振動躍遷是量子躍遷，它們發(fā)生而不耗費能量，由此，電極之間的材料的電阻和熱阻變?yōu)榱悖?通過這實現(xiàn)了超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性。當(dāng)加熱材料至Th時材料變成超導(dǎo)電態(tài)的現(xiàn)象發(fā)生，這表示超導(dǎo)電性的現(xiàn)象或超導(dǎo)電性的技術(shù)效果。與超導(dǎo)電性同步地，超導(dǎo)熱性的狀態(tài)出現(xiàn)在材料中。材料變成超導(dǎo)熱狀態(tài)的現(xiàn)象表示超導(dǎo)熱性的現(xiàn)象或超導(dǎo)熱性的技術(shù)效果。超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的現(xiàn)象或效果在超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th同時地顯現(xiàn)，它們不能彼此分離，它們在高于Th的溫度一起存在。本發(fā)明基于材料的原子中原子核的自激(固有，I-)彈性振動的使用以及材料和結(jié)構(gòu)中這種振動的波，其來源是電子振動中心(EVC)。換句話說，本發(fā)明基于材料的原子中原子核的I-振動和這種振動的波與電子、空穴和材料的聲子的有效相互作用的現(xiàn)象來實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性。在此關(guān)系中，可以說本發(fā)明涉及非絕熱固態(tài)電子學(xué)的新發(fā)展領(lǐng)域。不同于現(xiàn)有的、傳統(tǒng)的且當(dāng)前主導(dǎo)的絕熱電子學(xué)(其忽略原子核和電子之間的能量交換)，非絕熱電子學(xué)有效地在科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用中使用該能量交換。
背景技術(shù)：
材料在低溫轉(zhuǎn)變成具有零電阻的狀態(tài)被公知為超導(dǎo)(superconductivity)現(xiàn)象。 超導(dǎo)現(xiàn)象在1911年被發(fā)現(xiàn)[1]。超導(dǎo)可以僅在某些材料中并且僅在已知的條件下看到，也就是當(dāng)材料的溫度低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度T。，電流密度和磁場強度都低于各自的臨界值Jk和 Ηκ[2-4]。臨界值T。、JjnHK的存在限制了超導(dǎo)的技術(shù)應(yīng)用。丄和氏的值取決于溫度，并隨著溫度升高接近T。而趨向于零。最初的超導(dǎo)體具有低的T。值4. IK(水銀-Hg)、7. I(鉛-Pb)。 在1967年，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈮、鋁和鍺的化合物的合金中的超導(dǎo)性具有T。^ 20K。在1986年， Bednorz和Mueller已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有T。^ 40K的一類金屬氧化物。隨后，發(fā)現(xiàn)了許多類高溫超導(dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高到13I-134K。對于具有四方或正交單位晶格的某些分層超導(dǎo)體的 Tc 值具有以下值(LahSrx)2Cu04-37. 5K ；Bi2Sr2CaCu208-80K ；Bi4Sr4CaCu3014-84K ； YBa2Cu307-90K ；Tl2Ba2Cu06-90K ；HgBa2Cu04-94K ；TlBa2CaCu207_103K ；Bi2Sr2Ca2Cu3O10-I IOK ； Tl2Ba2CaCu2O8-112K ；HgBa2CaCu20_121K ；Tl2Ba2Ca2Cu3010-125K ；HgBa2Ca3Cu4010-127K ； !^8 &201308-1331(。對于具有正交單位晶格的某些材料(包括基于富勒烯(A3C6tl)的某些材料)的 Tc 值具有以下的 Tc 值K3C6tl-19K ；Rb3C60-29K ；Ba1^xKxBiO3-SOK ；RbCs2C6(1-33K。如從這些數(shù)據(jù)可見，最高的T。值屬于層狀類鈣鈦礦的金屬氧化物。最近，已經(jīng)在經(jīng)受激光處理的化合物SrRuO3中觀察到在約200K溫度的超導(dǎo)[5]， 以及在[6]中利用在固體中反應(yīng)的方法產(chǎn)生的材料(Sn5In)Bii4Ca2CUl(10Y，該固體具有以下組
分
SnO99.9%(AlfaAesar )4.64摩爾In2O399.9%(AlfaAesar)0.96摩爾CaCO399.95%(AlfaAesar)1.38摩爾BaCuOx99.9%(AlfaAesar)5.98摩爾CuO99.995%(AlfaAesar )3.29摩爾具有這些成分的化學(xué)計量比組分的混合物已經(jīng)成為粒狀并在830°C烘烤36至60 小時，之后它在氧氣流中在500°C燒制10小時。應(yīng)當(dāng)指出，在所有類的超導(dǎo)材料中的超導(dǎo)性已經(jīng)用實驗方法發(fā)現(xiàn)，沒有理論預(yù)測， 實際上是“摸索地”。對于超導(dǎo)材料的這種研究在繼續(xù)。作為本發(fā)明的原型，合理的是選擇實現(xiàn)提供T。的最高值=156K…164K(其在化合物HgBa2Ca2Cu3O8中在多個GI^a的壓力下可達(dá)到W])的超導(dǎo)的方法，以及選擇這樣的方法 [5]其中具有特定化學(xué)計量組分的材料經(jīng)受熱處理并在氧氣氣氛中燒制且直到Τ。= 212Κ 的溫度，推測直到Τ。= 250Κ，表現(xiàn)出超導(dǎo)性?，F(xiàn)在，實際任務(wù)是建立和發(fā)展在接近室溫及以上實現(xiàn)超導(dǎo)的方法，這將允許超導(dǎo)器件工作而不用冷卻或加熱?，F(xiàn)在這項重要的任務(wù)正在通過嘗試化學(xué)組分和材料處理技術(shù)的組合來解決，也就是仍然在“摸索搜尋”具有高Τ。值的新超導(dǎo)材料。確定且毫無疑問地認(rèn)為，在Τ。以下的溫度，材料將是超導(dǎo)的。正好在T < Tc預(yù)期超導(dǎo)是常規(guī)地基于可獲得的經(jīng)典數(shù)據(jù)。超導(dǎo)現(xiàn)象的已知物理模型也是基于超導(dǎo)態(tài)在低于Τ。的溫度存在。此外，一項重要任務(wù)是形成到超導(dǎo)電體的電接觸(電極)，其不會惡化超導(dǎo)性并將使特定的電流流過超導(dǎo)體以及測量器件和系統(tǒng)中的超導(dǎo)體的電勢。至今還沒有研究出完全正確的超導(dǎo)體的理論，但是已提出許多物理機理以解釋該現(xiàn)象。這些機理當(dāng)中的主導(dǎo)位置被聲子機理占據(jù)，其描述由于這些電子之間通過虛擬聲子的能量交換導(dǎo)致導(dǎo)電電子成對地彼此吸引，隨后“電子對”出現(xiàn)。這些“電子對”中的能量束縛電子定義了 τ。的值。該機理取決于由Bardin、Cooper和khriffer的超導(dǎo)體的公知理論(BCS理論)[7]的建立，然而其不能解釋在實驗中觀察到的高T。值。高溫超導(dǎo)的問題還沒有被解決，甚至，單純對于在接近室溫及甚至更高溫度實現(xiàn)超導(dǎo)的可能性本身還沒有被證實。同樣，在如此高溫度實現(xiàn)超導(dǎo)性的主要可能性的缺少也沒有被證實。假設(shè)，材料中粒子(particle)的熱運動(其隨著溫度(T)升高而增強)打破“電子對”中電子的相互吸弓丨，在高于T。的溫度，超導(dǎo)態(tài)消失。在此關(guān)系中，可以理解，超導(dǎo)性僅在將材料冷卻至低于 Tc的溫度是可能的，在高于T。的溫度下的超導(dǎo)性是不可能。這樣，實現(xiàn)超導(dǎo)性的已知方法的主要特征、本發(fā)明的模擬(analog)和原型的模擬的特征是使用具有特定化學(xué)組分的凝聚材料，其被按經(jīng)驗選擇；在某些情形下(如在原型的情形中)其經(jīng)受全面(all-sides)的壓縮W]、或燒制、和在氧氣氣氛中的熱處理[5]，將材料冷卻到低于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變(T。)的溫度，之后材料變成超導(dǎo)的。其電阻變?yōu)榱?。對模擬和本發(fā)明的原型的評論。已知的方法不能在接近室溫和更高的溫度實現(xiàn)材料的零電阻也就是超導(dǎo)電性和零熱阻也就是超導(dǎo)熱性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在接近室溫和更高溫度實現(xiàn)零電阻也就是超導(dǎo)電性和零熱阻也就是超導(dǎo)熱性的方法，其由電極之間的材料中的電子振動中心(EVC)引起。所提出的方法提供了在超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th之上的溫度實現(xiàn)電極之間的材料的超導(dǎo)電和超導(dǎo)熱態(tài)，這具有首要的科學(xué)重要性，并可以對于特定器件和系統(tǒng)的操作是重要的。 在其表面上或在其體內(nèi)具有電極1和2的材料(半導(dǎo)體)在圖1上示出。所述目標(biāo)根據(jù)權(quán)利要求1通過如下實現(xiàn)使用任意非簡并或弱簡并半導(dǎo)體作為材料；在其表面上或其體內(nèi)定位電極以形成到材料的整流接合，例如金屬-半導(dǎo)體接觸，肖特基結(jié)；所述電極之間的距離(D)選擇為遠(yuǎn)小于由接觸電勢差異引起的電場穿透到材料中的長度(L) (D << L)，并且不超過兩倍相干長度O Λ )，(D彡2 Λ )；電極之間的最小距離為 Dmin = 10納米，電極之間的最大距離為Dmax = 30微米；在形成電極之前、之后或期間，電子振動中心(EVC)被輸入到具有Nmin = 2*1012Cm_3至Nmax = 6*1017Cm_3的濃度(N)的材料中； 材料被加熱到超過超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度(Th)的溫度，結(jié)果超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性在電極之間的材料中產(chǎn)生。外部電壓可以施加或者可以不施加到所述電極的任一個。根據(jù)權(quán)利要求2，為了簡化該方法，電子振動中心僅被輸入到電極之間的材料的耗盡區(qū)中，或者輸入到耗盡區(qū)與電極相鄰的部分中，在耗盡區(qū)中電極之間的電流線的長度不超過兩倍相干長度O Λ )。根據(jù)權(quán)利要求3，為了簡化該方法，半導(dǎo)體的最小尺寸被選擇為不小于兩倍相干長度O Λ )，例如材料的晶片的厚度選擇為不小于2 Λ，或者在半導(dǎo)體、半絕緣或絕緣基板上材料的層的厚度不小于2 Λ。根據(jù)權(quán)利要求4，為了在具有遠(yuǎn)超過兩倍相干長度O Λ )的尺寸的材料中達(dá)到超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性，電極的系統(tǒng)位于所述材料的體內(nèi)或者在所述材料的表面上，例如以球、 帶或螺線的形式。根據(jù)權(quán)利要求5，為了提供各向同性的超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性，電極系統(tǒng)定位于所述材料的體內(nèi)或在所述材料的表面上，例如以小滴(droplet)的形式，這些電極的每個的最大尺寸選擇為遠(yuǎn)小于相干長度Λ。根據(jù)權(quán)利要求6，為了控制超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th以及在電極之間的材料中沿特定方向(例如沿電極之間的電流方向)的相干長度Λ，恒定、可變或脈沖的磁場沿該方向或與
該方向正交或成銳角的方向建立，并具有不超過萬=^^^的感應(yīng)系數(shù)，其中m-電子(空
穴)的有效質(zhì)量，e-電子電荷，ω-形成超導(dǎo)電態(tài)的彈性振動的圓頻率，S-該彈性振動與電子或空穴之間的束縛的常數(shù)。根據(jù)權(quán)利要求7，為了控制相干長度Λ和超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th，電極之間的材料在材
r Nr
料的主要基本自吸收的譜帶中或者(和)在EVC吸收的譜帶中以直到/ = 2的強度被照
τ
射，其中N。-允許能帶中的電子態(tài)的有效數(shù)，ζ-光吸收的系數(shù)，τ-電子(空穴)的壽命。
根據(jù)權(quán)利要求8，為了控制相干長度Λ和超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th，溫度差異建立在電極之間，具有不超過= 的值，其中S-電子與聲子之間的束縛常數(shù)，普朗克常數(shù)， k-玻爾茲曼常數(shù)，ω-定義電極之間的材料中的EVC之間的彈性束縛的聲子的圓頻率。根據(jù)權(quán)利要求9，為了控制相干長度Λ和超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th，額外電極用于形成到電極之間的材料的整流接觸或金屬-絕緣體-半導(dǎo)體接觸(MIS)，或者使用許多這樣的電極；相對于該材料具有正向或反向極性(direct or opposite polarities)的恒定、可變或脈沖的外部電壓施加到這些電極(這個電極)。根據(jù)權(quán)利要求10，為了控制相干長度Λ和超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th，交變或恒定的電勢差異建立在電極之間，具有直到^iiy / e的值，其中S-電子聲子束縛常數(shù)，h -普朗克常數(shù)， ω-材料的彈性振動的圓頻率，例如聲子或材料的原子中原子核的I-振蕩的頻率，e-電子電荷。根據(jù)權(quán)利要求11，為了控制相干長度Λ和超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th，聲、超聲或特超聲(hyper-sound)流被引入到電極之間的材料中，具有頻率f，其能量體積密度直到 { πΞψ τ ,其中S-電子-聲子束縛常數(shù)，N-EVC濃度，τ -電極之間的材料中電子(空穴)的壽命，普朗克常數(shù)。根據(jù)權(quán)利要求12，為了穩(wěn)定超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性，半導(dǎo)體晶片的厚度、或襯底上半導(dǎo)體層的厚度、或襯底的厚度、或襯底上的半導(dǎo)體層和襯底的總厚度、或半導(dǎo)體的相互平行邊緣間的距離被選擇為等于W= u/2f或可被W= u/2f除盡，其中υ為在半導(dǎo)體、襯底或者半導(dǎo)體和襯底二者的所述相互平行的邊緣之間傳播的具有頻率f的聲子(聲)速度， f_定義電極之間的材料中的EVC之間的彈性束縛的聲子的頻率。根據(jù)權(quán)利要求13，為了穩(wěn)定超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性，半導(dǎo)體晶片的厚度、或襯底上半導(dǎo)體層的厚度、或襯底的厚度、或襯底上的半導(dǎo)體層和襯底的總厚度、或半導(dǎo)體的相互平行邊緣之間的距離被選擇為等于W= υ/2f或可被W= υ/2f除盡，其中υ為在半導(dǎo)體、襯底或者半導(dǎo)體和襯底的相互平行的邊緣之間傳播的聲速，f = 1/P，其中P為電極之間的材料中產(chǎn)生的交變電場或磁場的周期。本發(fā)明和原型的對比分析表明，所要求的方法通過以下而被區(qū)別使用非簡并或弱簡并半導(dǎo)體材料；使用形成到材料的整流接合的電極，該電極分開具有特定寬度的間隙， 并位于該材料的表面上或體內(nèi)；將具有特定濃度的電子振動中心輸入到材料中或材料的特定部分中；在材料中建立具有特定強度和方向的磁場；在電極之間建立具有特定值的溫度差；通過特定的譜帶和特定的強度照射材料；建立電極之間的電勢差；使用形成到該材料的接合的額外電極；施加電壓在額外電極與該材料之間；加熱材料直到超過超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th的溫度。本發(fā)明的這些特征的實現(xiàn)引起電極之間的材料中超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的發(fā)生，這對應(yīng)于本發(fā)明的目的。這樣，所提出的實現(xiàn)超導(dǎo)電和超導(dǎo)熱的方法滿足本發(fā)明的“新穎性”的標(biāo)準(zhǔn)。對比所提出的實現(xiàn)超導(dǎo)電和超導(dǎo)熱的方法與原型，本領(lǐng)域技術(shù)中的其它技術(shù)方案并沒有揭示具有相似特征的任何技術(shù)方案。這使得得出合理的結(jié)論，所要求的技術(shù)方案滿足“發(fā)明的量(amount of invention) ”的標(biāo)準(zhǔn)。事實上從物理的觀點，在要求的發(fā)明中，實現(xiàn)了超導(dǎo)性的機理，其基于通過電子振動中心的自激、I-振動與材料的聲子、電子(和/或空穴)相互作用來吸引兩個或更多電子或空穴到電子振動中心。在本發(fā)明中實現(xiàn)的超導(dǎo)電的機理在某些特征上與BCS理論[7]中基于通過虛擬聲子的電子的彼此成對吸引的機理相同，差異在于在本發(fā)明中虛擬聲子的作用通過存在于原子的電子殼里面、束縛到聲子并具有極高的德拜溫度的原子核的I振動實現(xiàn)。由于自激、I振動的基本量子的較高能量(不小于0. 22eV)，材料在很高溫度的超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性是可能的。為了激勵自激振蕩，需要高的溫度，在高于Th的溫度的條件用于自激振蕩的存在，在材料的特定區(qū)中(在相干區(qū)中)的超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性變得有利，這些振蕩可以推測地存在于直到材料的熔化溫度，甚至在熔化的材料中。


本發(fā)明通過附圖來說明。圖1示出在其表面上或其體內(nèi)具有電極1和2的材料(半導(dǎo)體)。圖2在底部示出考慮原子核的I振動與原子的聲學(xué)振動在δ > 0和δ < 0時的色散曲線(dispersion curve)，在頂部示出具有晶格常數(shù)a的材料的一維絕熱模型。圖3白色圓示出具有不同原子數(shù)Z的原子中α、β、Y型I振動的單元量子的計算值，黑色圓示出對于某些原子的量子的實驗值。圖4圖示地示出以一階和二階的微擾理論計算的、根據(jù)原子數(shù)Z在具有振蕩量子數(shù)ν =0，1，2，3的狀態(tài)下對原子核的α型振動的能量的校正(ΔΕαν)。在該圖的插圖中， 這些校正對于具有Z > 10的原子以另一刻度示出。圖5示出超導(dǎo)電體的能級圖(energy diagram)。圖6實線示出考慮原子核的I-振動的使用BCS理論計算的超導(dǎo)電體的電阻(R) 的溫度依賴關(guān)系，虛線涉及在低溫材料可能轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。圖7中實驗點示出對于取決于原子數(shù)的平均值Zaw的材料，超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度Th的實驗溫度依賴關(guān)系，斜線a和b對應(yīng)于在EVC的最小濃度(Nmin)和最大濃度(Nmax)的Th計算值。圖8示出具有電極1和2的材料樣品被穿過相干區(qū)(coherency zone)的中心的平面(XY)截取的截面，具有半徑Λ的虛線圓對應(yīng)于相干區(qū)的邊界，1ε-電子自由運動長度。圖9示出根據(jù)電子振動中心的濃度(N)，在改變半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的CV特性時電子穿過其隧穿的電介質(zhì)層的厚度(d)的數(shù)據(jù)。圖10示出關(guān)于從伏特-法拉(CV)測試得到的勢壘高度的數(shù)據(jù)，在金屬-半導(dǎo)體-氧化物-半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)中該勢壘高度取決于電子穿過其隧穿的電介質(zhì)層的厚度(d)。圖11示出沒有摻雜的單晶GaP的比電阻(specific resistance)的溫度依賴關(guān)系(曲線3)以及包含通過摻入鋁(曲線4)和硫(曲線5)原子形成的電子-振動中心的單晶GaP的比電阻的溫度依賴關(guān)系。圖12示出在GaP中通過摻入鋁原子引起的頂反射系數(shù)的改變(dR)的圖譜，實驗曲線6為曲線7、8、9、10之和，該曲線7、8、9和10表示在具有ν = 0，1，2，3的不同振蕩態(tài)中鋁原子的I振子的反射的分量。圖13示出用硫原子摻雜的GaP單晶(曲線11)和未摻雜的GaP(曲線12)的熱 EMF的溫度依賴關(guān)系。圖14示出包含濃度為 IO14CnT3的A中心的單晶硅的光導(dǎo)率譜(ο )(曲線13)和光透過譜(P)(曲線14)。插圖示出通過改變材料中的A中心濃度引起的硅的聲學(xué)和光學(xué)聲子的頻率改變的實驗數(shù)據(jù)。圖15示出對于用磷和氧原子摻雜的硅樣品(曲線15)以及對于硅基板上的多孔硅(曲線16)的熱EMF E(T)的典型溫度依賴關(guān)系。圖 16 示出在以下頻率0. 2MHz、0. 5MHz、IMHz、5MHz、IOMHz、2OMHz 測量的 Al-Si 接觸的伏特-法拉(CV)特性一曲線17-22。圖17示出具有電極之間各個不同距離D 50mkm,40mkm,30mkm,22mkm的電極之間的硅的比電阻率的典型溫度依賴關(guān)系一曲線23-26。圖18示出具有電極1和2的所研究樣品被穿過相干區(qū)的中心的平面的截取的截面，該電極1和2之間被分開距離D > 2 Λ。圖19示出在以間隙D < 2Λ分開的電極之間的硅的電阻的典型溫度依賴關(guān)系一曲線27和28。圖20示出在以間隙D = 19mkm < 2 Λ分開的電極之間的鍺(曲線29)和硅(曲線30)的電阻的典型溫度依賴關(guān)系。圖21示出在以間隙D <2Λ分開的電極之間的CdHgTe單晶(曲線31)和^iSb (曲線32)的電阻的典型溫度依賴關(guān)系。插圖示出以間隙D<2A分開的電極之間的鍺(曲線 33)和硅(曲線34)的電阻的典型溫度依賴關(guān)系。圖22示出在以間隙D = 19mkm分開的電極之間的硅(曲線35)的熱EMF的典型
溫度依賴關(guān)系。圖23示出在以間隙D < 2Λ分開的電極之間的硅的電阻(曲線36)和熱EMF(曲線37)的典型溫度依賴關(guān)系。圖M示出被間隙D分開的電極之間的材料的區(qū)域能帶圖，該間隙D超過由接觸電勢差引起的電場穿透到材料中的長度L(D > L)。圖25示出被間隙D分開的電極之間的材料的區(qū)域能帶圖，該間隙D小于被接觸電勢差引起的電場穿透到材料中的長度L(D < L)。圖26A和^B示出包含為小滴(droplet)的電極的材料的截面圖。
具體實施例方式在1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象之后，為了建立超導(dǎo)理論已經(jīng)付出了大量的努力。已經(jīng)為該現(xiàn)象提出各種物理機理，已經(jīng)發(fā)展和研究了各種超導(dǎo)材料及其制造方法。至今，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)增加至超過兩百度開爾文單位并接近室溫。盡管如此，但是在室溫和更高溫度工作的超導(dǎo)體仍不存在[2-4]。同時，急切需要能夠在接近室溫和更高溫度工作的超導(dǎo)電體和超導(dǎo)熱體中具有零電阻和零熱阻的材料。多數(shù)超導(dǎo)體的作用是基于電子和虛擬聲子之間的相互作用。但是材料中粒子的熱運動隨著溫度(T)的升高而升高，它打斷了電子耦合中電子之間的束縛，這是超導(dǎo)態(tài)在T。 溫度之上消失的原因。在實現(xiàn)超導(dǎo)的這種方法中，在材料的聲子不能打斷由虛擬聲子提供的電子的相互束縛情形下，在高溫實現(xiàn)超導(dǎo)看起來是可能的，這是在虛擬聲子的量子超過材料的彈性振動的量子(材料振蕩的量子)且通過這種虛擬聲子的電子的束縛是足夠有效的情形下可實現(xiàn)的原理。通過使用在超導(dǎo)體的理論中接受的各種定量表示以及通過設(shè)定將我們情形中的虛擬聲子的作用由具有能量^1/ =^ph= 的聲子實現(xiàn)，有助于估計T。的值。這樣，在 Eliashberg的理論中，考慮與虛擬聲子的交換延遲，在小電子-聲子束縛的近似下(S 1)，關(guān)于BCS理論，溫度Τ。= >Χρ (-S-1)。認(rèn)為典型聲學(xué)聲子= 2\meV作為硅的虛擬聲子，我們得到 ； = 206K。在光學(xué)聲子為虛擬聲子的情形下，則= 55meV并且7； = 539K。
在強束縛(S >>1)的近似下，Allen和Dainess已經(jīng)表明7；= ^(Sd 》>)V2，其中<>
表示平均運算。因而，在硅中對于虛擬聲學(xué)聲子 ； =1441，對于光學(xué)聲子7； Ξ 4951。Τ。的這些估計預(yù)測了超導(dǎo)存在于室溫和更高溫度的可能性，其目前還未被實現(xiàn)。Τ?？梢酝ㄟ^使用具有較高能量的虛擬聲子并將這些聲子的足夠強的束縛提供到電子(空穴)來增加，也就是通過提供電子-聲子束縛S常數(shù)的較大值。增大Τ。的這種可能性已經(jīng)在工作[8，9]中提出，并且也包含在BCS[7]中。在此關(guān)系中，已經(jīng)主張使用其它高能聲子作為虛擬聲子，例如具有超過布里淵區(qū)的尺寸的波矢的晶格的彈性振動。但是這種超導(dǎo)的機理還沒有在實驗上實現(xiàn)過。目前，已建立的事實是，存在晶體中具有高能量的單元量子(不小于0. 22eV)以及高德拜溫度(高于2500K)的自激I振蕩(self, I-oscillation)和波[10-15]。在此關(guān)系中，打開了在接近室溫和更高溫度實現(xiàn)超導(dǎo)電和超導(dǎo)熱的可能性。理論通過電子和材料的彈性振動之間的有效相互作用解釋了超導(dǎo)，其與光、微波、 超聲波和其它研究的結(jié)果相關(guān)聯(lián)，并且其也被同位素現(xiàn)象證實。這樣，BCS理論[7]允許確定超導(dǎo)體的主要參數(shù)并且計算超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的特征溫度
權(quán)利要求
1.一種用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法，該材料包括具有特定化學(xué)成分的凝聚材料，對該材料的技術(shù)處理，以及形成到該材料的電接觸的電極，該方法特征在于任何非簡并或弱簡并的半導(dǎo)體被用作所述材料；在所述材料的表面上或體內(nèi)設(shè)置所述電極以形成到所述材料的整流接觸，例如金屬-半導(dǎo)體接觸，肖特基結(jié)；所述電極之間的距離(D)被選擇為遠(yuǎn)小于由接觸電勢差引起的電場穿透到所述材料中的長度(L) (D << L)并且不超過兩倍的相干長度OA) (D < 2Λ)；所述電極之間的最小距離Dmin = 10 納米，所述電極之間的最大距離Dmax = 30微米；在形成所述電極之前、之后或期間，電子振動中心(EVC)被輸入到該材料中并具有從Nmin = 2 · IO12CnT3到Nmax = 6 · 1017cm_3的濃度 (N)；所述材料被加熱至超過超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度(Th)的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法， 特征在于所述電子振動中心被輸入到所述電極之間的所述材料的耗盡區(qū)中或者輸入到所述耗盡區(qū)的與所述電極相鄰的部分中，且所述電極之間的電流線在所述耗盡區(qū)或所述耗盡區(qū)的所述部分中的長度不超過兩倍的相干長度輯。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法， 特征在于所述半導(dǎo)體材料的最小尺寸被選擇為不小于兩倍的相干長度2 Λ，例如所述材料的板的厚度選擇為不小于2 Λ，或者在半導(dǎo)體、半絕緣或電介質(zhì)襯底上的所述材料的層的厚度不小于2Λ。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法， 特征在于在具有遠(yuǎn)超過兩倍相干長度ΟΛ)的尺寸的所述材料的體內(nèi)或在所述材料的表面上，設(shè)置電極的系統(tǒng)，該電極的系統(tǒng)例如具有球、帶或螺旋的形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法， 特征在于電極的系統(tǒng)例如以小滴的形式位于所述材料的體內(nèi)或表面上，且這些電極的每個的最大尺寸選擇為遠(yuǎn)小于所述相干長度Λ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法， 特征在于在所述電極之間的所述材料中建立恒定、可變或脈沖的磁場，該磁場指向為沿著特定方向、正交于該特定方向或與該特定方向成銳角，該特定方向例如為所述電極之間的電流方向，該磁場具有的感應(yīng)系數(shù)不超過5 =其中ω-形成超導(dǎo)電態(tài)的彈性振動的圓頻率，S-所述振動與電子之間的束縛常數(shù)，m-電子(空穴)的有效質(zhì)量，e_電子電荷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法，特征在于所述電極之間的所述材料在被所述材料的本征基本自吸收的譜帶和(或)被EVC吸收的譜帶中以直到/ 的強度照射，其中N。-允許能帶中電子態(tài)的有效數(shù)目，ζ -光吸收系數(shù)，τ -電子(空穴)的壽命。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法， 特征在于溫度差異建立在所述電極之間且不超過ΔΤ =其中S-電子和聲子之間的束縛常數(shù)，A -普朗克常數(shù)，k-玻爾茲曼常數(shù)，ω -定義所述電極之間的所述材料中的EVC 之間的彈性束縛的聲子的圓頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法，特征在于使用額外電極形成到所述電極之間的所述材料的整流接觸或金屬-電介質(zhì)-半導(dǎo)體(MDS)接觸，或者使用許多這樣的額外電極；相對于所述材料，具有正向或反向極性的恒定、可變或脈沖外部電壓被施加到該額外電極或這些額外電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法，特征在于在所述電極之間建立可變或恒定的電勢差，該電勢差具有直到sAi /e的值， 其中S-電子-聲子束縛的常數(shù)，A.-普朗克常數(shù)，ω-材料的彈性振動的圓頻率，例如聲子的頻率或所述材料的原子中的原子核的I振蕩的頻率，e-電子電荷。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法，特征在于具有頻率f和體積能量密度的聲、超聲或特超聲的流被引導(dǎo)到所述電極之間的材料中，其中S-電子-聲子束縛的常數(shù)，N-EVC的濃度，τ -所述電極之間的所述材料中的電子(空穴)的壽命，Ii -普朗克常數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法，特征在于半導(dǎo)體板的厚度、或者襯底上的半導(dǎo)體層的厚度、或者襯底的厚度、或者半導(dǎo)體層和襯底的結(jié)厚度、或者所述半導(dǎo)體的相互平行邊緣之間的距離被選擇為等于W = υ /2f或是其倍數(shù)，其中υ -在所述半導(dǎo)體、所述襯底或在所述半導(dǎo)體和所述襯底二者的所述相互平行的界限之間傳播的具有頻率f的聲(聲子)的速度，f_定義EVC之間的彈性束縛的聲子的頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-11所述的用于在電極之間的材料中實現(xiàn)超導(dǎo)電性和超導(dǎo)熱性的方法，特征在于半導(dǎo)體板的厚度、或者襯底上的半導(dǎo)體層的厚度、或者襯底的厚度、或者半導(dǎo)體層和襯底的結(jié)厚度、或者所述半導(dǎo)體的相互平行邊緣之間的距離被選擇為等于W = υ /2f或是其倍數(shù)，其中υ -在所述半導(dǎo)體、所述襯底或在所述半導(dǎo)體和所述襯底二者的所述相互平行的界限之間傳播的聲的速度，f = 1/P，其中P-在所述電極之間的所述材料中建立的交變電場或磁場的周期。
全文摘要
本申請涉及材料的電學(xué)、電物理和導(dǎo)熱，涉及材料在接近室溫和更高溫度的零電阻現(xiàn)象也就是超導(dǎo)電和零熱阻也就是超導(dǎo)熱。內(nèi)容是在非簡并或弱簡并的半導(dǎo)體材料在半絕緣或電介質(zhì)的襯底上的這樣的材料層的表面上或體內(nèi)設(shè)置電極以形成到材料的整流接觸。電極之間的距離(D)被選擇為遠(yuǎn)小于由它們的接觸電勢差引起的電場穿透到材料中的深度(L)(D＜＜L)。電極之間的最小距離DMIN＝20納米，電極之間的最大距離DMAX＝30微米。在電極之間形成具有寬度D的間隙之前、之后或期間，電子振動中心(EVC)被輸入到材料中，且具有從2·1012cm-3到6·1017cm-3的濃度(N)。使材料的溫度到超導(dǎo)電轉(zhuǎn)變溫度(Th)或更高。技術(shù)結(jié)果可以在高于Th的溫度實現(xiàn)超導(dǎo)電(超導(dǎo))和零熱阻也就是超導(dǎo)熱的所述效果以及可以調(diào)整Th的值。
文檔編號H01L39/00GK102414853SQ200980158962
公開日2012年4月11日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者弗亞切斯拉夫.A.弗多文科夫 申請人:“泰科諾普里澤”有限公司