近代物理实验报告—高温超导材料的特性与表征

1/9近代物理实验报告—高温超导材料的特性与表征【摘要】本实验主要通过对YBaCuO高温超导材料特性的测量，理解超导体的两个基本特性，即完全导电性和完全抗磁性。本实验利用液氮将高温超导材料YBaCuO降温，用铂电阻温度计测量温度，用电压表测得超导体电阻，得到超导体电阻温度曲线，测得该样品的超导转变温度为93.75K；再通过超导磁悬浮实验了高温超导材料的磁特性，得到分别在零场冷却，有场冷却下的超导体的磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。【关键词】高温超导、液氮、铂电阻、MEISSNER效应、磁悬浮一、引言1911年，昂纳斯首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导电现象。1933年，迈斯纳发现超导体内部的磁场是保持不变，而且为零，这个现象叫迈斯纳效应。950，弗留里希首先给出了超导微观机制的一个重要线索。他认为电子-晶格振动之间相互作用导致电子之间相互吸引时引起超导的原因。1957年，巴丁、库柏和施里弗共同提出了超导电性的微观理论，称为BCS理论。1972年他们三人共同获得了诺贝尔物理学奖。自从发现超导电性以来，人们就努力探索提高超导转变临界温度的途径。几十年来，物理学家发现除了汞、锡和铅以外，又发现铟、铊和镓也有超导特性，后来又发现了铌、钛、钍等金属具有超导特性。世界上还有许多物理学家研究其他类型的超导体，诸如有机超导体、低电子密度超导体、超晶体超导体、非晶态超导体等等，其中金属氧化物超导体吸引了许多人的注意。随着高温超导材料的发现，超导电性的应用也愈加广泛。例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机等。本实验通过对氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性。并了解金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应、掌握超导磁悬浮原理和液氮低温技术。二、实验原理1、超导现象及临界参数（1）零电阻现象1911年，卡麦林发现，当温度低于液氮的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是零电阻现象。把这种具有超导电性的物理称为超导体，超导体只有在直流的情况下才能有零电阻现象。理论上，超导临界温度的定义为：当电流、电场及其他外部条件保持威灵活不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度。实验上，用电阻法测临界温度时，通常把降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度Tc,onset，把临界温度Tc定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度，也称作超导转变的中点温度Tcm，把电阻变化10%-90%所对应的温度间隔定义为转变宽度，电阻刚2/9刚完全降到零时的温度称为完全转变温度即零电阻温度Tc0，的大小反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品较窄，反之较宽。超导体的电阻转变曲线见图1。图1、超导体的电阻转变曲线（2）MEISSNER效应1933年，迈斯纳等人对超导圆柱Pb和Sn在垂直其轴向外加磁场下，测量了超导圆柱外面磁通密度分布，发现了一个惊人的现象：不管加磁场的次序如何，超导体内部磁感应强度总是等于0。超导体即使在外磁场中冷却到超导态，也永远没有内部磁场。称之为迈斯纳效应，如图2。图2超导体磁性示意图（3）临界磁场把一个磁场加到超导体之上之后，一定数量的磁场能量用来建立屏蔽电流的磁场以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到某一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许磁场穿透，即破坏了超导电性。对于一般超导体来说，在cT以下，临界磁场THc随温度下降而增加，有实验拟合给出THc与T的关系很好地遵循抛物线近似关系20[1]ccCHTHTT（1）此类超导体被称为第Ⅰ类超导体，如图3。3/9图3第I类超导体临界磁场随温度的变化关系对于第Ⅱ超导体来说，存在两个临界磁场，即在超导态与正常态之间存在混合态，如图4。实验用于观察超导磁悬浮现象的超导体即为第Ⅱ超导体。图4第Ⅱ类超导体临界磁场随温度的变化关系（4）临界电流密度实验发现当对超导体通以电流时，无阻的超流态要受到电流大小的限制，当电流达到某一临界值IC后，超导体将恢复到正常态。对大多数超导金属，正常态的恢复是突变的。我们称这个电流值为临界电流IC，相应的电流密度为临界电流密度JC。对超导合金、化合物及高温超导体，电阻的恢复不是突变，而是随电流的增加渐变到正常电阻R0。2、电阻温度特性（1）纯金属材料的电阻温度特性纯金属晶体的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和经各种的缺陷的热振动所散射，实际材料中催在的杂质和缺陷也将破坏周期性势场，引起电子散射。总电阻率可以表示为：rLT)(（2）其中()LT表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关，电阻与温度的关系决定与晶格振动散射。根据金属能带理论计算表明：在高温区，当/10DT时，()LT与T成正比；在低温区，当/10DT时，()LT与成正比，其中D为德拜温度。r表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率与温度无关，与杂质和缺陷的密度成正比，称为剩余电阻率。所以杂质与缺陷只会改变金属电阻率的数值，而不会改变电阻率的温度系数。正因为金属电阻率中有一项十分依赖于温度的)(TL存在，所以金属可以用来作为温度计的测温元件。铂电阻温度关系如图5所示，在液氮正常沸点到室温温度范围内，铂电阻与温度具有良好的线性关系。0TCHCHc2超导态正常态0TCTHCHc(0)超导态正常态混合态Hc14/9图5铂电阻温度关系（2）半导体材料的电阻温度特性对于半导体材料，载流子由杂质电离及本征激发产生，故载流子浓度随温度变化关系比较复杂。本征半导体的电阻率i为peiien1（3）电阻率由载流子浓度in及迁移率pe决定。但由于载流子浓度in随温度升高而指数上升，迁移率pe随温度升高而下降较慢，所以本征半导体的电阻率i随温度上升而单调下降，有负的温度系数。对杂质半导体，其载流子有杂志电离与本征激发产生，且存在电离杂质散射和声子散射两种机制，故其温度关系较复杂，总体上可以理解为：极低温度下，几乎没有自由载流子，电导为“杂质能级电导”，电阻随温度的上升而迅速下降；低温下，本征激发可以忽略，载流子主要由杂质电离产生，浓度随温度上升而上升，迁移率随温度升高而增加，温度系数为负；温度再高的饱和区，本征激发还不明显，杂质已全部电离，载流子浓度也不再变化，由声子散射，温度系数为正；其后的本征区，载流子主要由本征激发提供，浓度随温度升高而迅速增加，其温度系数又为负。半导体锗电阻温度关系如图6所示。图6半导体锗电阻温度关系由于半导体在一定温度范围内具有负的电阻温度系数，根据半导体低温区电阻温度关系，可以用半导体制作温度计的测温元件。半导体在一定温度范围内具有负的电阻温度系数，根据半导体低温区电阻温度关系，用半导体材料做成的温度计，可弥补金属温度计在低温区电5/9阻值和灵敏度降低的缺陷。如图7，硅和砷化镓二极管PN结的正向电压随温度的降低而升高，在相当宽的温度范围内有较好的线性关系和较高的灵敏度。图7二极管PN结的正向电压温度关系三、实验内容1、实验装置（1）低温温度的获得和控制主要包括低温恒温器和不锈钢杜瓦容器；（2）电测量部分主要包括BW2型高温超导材料特性测试装置和PZ158型直流数字电压表；（3）高温超导体的磁悬浮演示装置2、实验步骤：（1）低温恒温器和杜瓦容器的结构如图8所示，其目的是得到从液氮的正常沸点77.4k到室温范围内的任意温度。低温恒温器的核心部件是安装有超导样品和铂电阻温度计、硅二极管温度计、康铜温差电偶及25Ω锰铜加热器线圈的紫铜恒温快。液氮盛在具有真空夹层的不锈钢杜瓦容器中。本实验的主要工作是测量超导转变曲线，并在液氮正常沸点附近的温度范围内标定温度计。控温程序是从高温到低温，液氮的温度为77.4K，装在杜瓦瓶内，简便易行的方法是利用液面以上空间存在的温度梯度来获得所需温度。样品温度及降温速率的控制是靠在测量过程中改变低温恒温器在杜瓦容器内的位置来实现，只要降温速率足够慢，就可认为在每一时刻都达到了温度的动态平衡。为了在需要的范围内降温随率足够慢，我们安装了可调式定点液面指示计，可用它来精确的使液氮面维持在紫铜圆筒底和下挡板之间距离的1/2处。为了使温度计和超导样品具有较好的温度一致性，将铂电阻温度计、硅二极管和温差电偶的测温端塞入紫铜恒温块的小孔内，此外，温差电偶的参考端从低温恒温器底部的小孔伸出，使其在整个实验中都浸没在液氮内。图8低温恒温器和杜瓦容器结构6/9（2）四引线测量法电阻测量的原理电路如图9所示。测量电流由恒流源提供，其大小可有标准电阻Rn上的电压Un的测量值得出，如果测量得出了待测样品上的电压Ux，则待测样品的电阻Rx为RUUR图9四引线发测量电阻低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线又细又长，其阻值远远超过如超导样品阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用四引线测量法，基本原理是：恒流源通过两根电流引线将测量电流I提供给待测样品，数字电压表通过两根电压引线测量电流I在样品上形成的电势差U.由于两根电压引线与样品接点处在两根电流引线接点之间，排除了电流引线与样品之间接触电阻对测量的影响，又数字电压表输入阻抗很高，电压引线电阻以及它们与样品间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。另外，在低温物理实验中，即使电路中没有来自外电源的电动势，只要存在材料的不均匀性和温差，就有温差电动势存在，称为乱真电动势或寄生电动势，所以增设了电流反向开关，用以进一步确定超导电阻确已为零。四、实验结果及数据处理1、样品的超导转变曲线的测量样品恒流源大小为I样品=9.9966mA，样品电压是50.012mV,标准电阻Rn=10；在室温情况下，铂电阻温度计电压是100.00mV，它的电阻为100Ω。样品电压反映了样品在室温状态下的电阻值。如表1所示为在降温过程中铂温度计的数据。仪器使用说明给出铂电压U与温度T的关系为T=au+b其中a=2.3643，b=29.315。表1超导转变曲线的测量铂电压U(mV)温度T（K）样品电压U(mV)样品电阻R（Ω）铂电压U(mV)温度T（K）样品电压U(mV)样品电阻R（Ω）106.69281.560.0303.0045.00135.710.0161.60106.34280.730.0292.9042.50129.800.0151.50104.63276.690.0292.9041.50127.430.0151.50102.51271.680.0282.8040.50125.070.0151.50100.00265.750.0282.8039.50122.700.0151.5097.50259.830.0272.7038.50120.340.0151.507/995.01253.950.0262.6037.50117.980.0141.4092.50248.010.0262.6036.50115.610.0141.4090.01242.130.0262.6035.50113.250.0141.4087.50236.190.0252.5034.50110.880.0141.4085.00230.280.0252.5033.50108.520.0131.3082.50224.370.0242.4032.50106.150.0131.3080.00218.460.0242.4031.50103.790.0131.3077.50212.550.0232.3030.50101.430.0121.2075.00206.640.0222.2029.5099.060.0111.1072.50200.730.0222.2028.5096.700.0101.0070.00194.820.0222.2027.5094.330.0101.0067.50188.910.0212.1027.0093.150.0090.9065.00182.990.0212.1026.0090.790.0010.1062.50177.080.0202.0025.0088.420.0000.0060.0017