实验二高温超导材料物理特性测试 一，实验目的 1.了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法. 2.了解金属和半导体p结的伏安特性随温度的变化以及温差电效应 3.学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法. 二、实验原理 电阻随温度的变化的性质，对于各种类型的材料是很不相同的，它反映了物质的内在属 性，是研究物质的基本方法之一。 1.高临界温度的超导电性 当物质的温度下降到某一确定值T:(临界温度)时，超导体的电阻率由有限值变为零的 现象称为零电阻现象，也称为物质的完全导电性。临界温度T是一个由物质本身内部性质 确定的、局域的内禀参量。若样品很纯，且结构完整，超导体在一定温度下，由正常的有阻 状态（常导态）急剧地转为零电阻状态（超导态），如图2-1的曲线I。在样品不纯或不均 匀情况下，超导转变所跨越的温区会展宽，如图2-1的曲线Ⅱ。 R 图2-1超导体的电阻转变曲线 理论上，超导临界温度的定义为：当电流、磁场及其它外部条件（如应力、辅照等）保 持为零或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。由正常态向超 导态过渡是在一个有限的温度间隔里完成的，即有一个转变宽度△T,它取决于材料的纯度 晶格的完整性。理想样品的△T≤10K。基于这种电阻变化，可以通过电测量来确定Tc,通 常是把样品的电阻降到转变前正常态电阻值一半时的温度定义为超导体的临界温度T。实际 测量中温度由低到高降温，同时可测得从高到底的升温过程，可得出这两个过程并不会重合 2.金属电阻随温度的变化 金属电阻符合马基申定律(Matthiessen Rule),即总的电阻包括金属的基本电阻和溶 学
38 实验二 高温超导材料物理特性测试 一.实验目的 1. 了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法． 2. 了解金属和半导体 pn 结的伏安特性随温度的变化以及温差电效应． 3. 学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法． 二、实验原理 电阻随温度的变化的性质，对于各种类型的材料是很不相同的，它反映了物质的内在属 性，是研究物质的基本方法之一。 1．高临界温度的超导电性 当物质的温度下降到某一确定值 TC（临界温度）时，超导体的电阻率由有限值变为零的 现象称为零电阻现象，也称为物质的完全导电性。临界温度 TC是一个由物质本身内部性质 确定的、局域的内禀参量。若样品很纯，且结构完整，超导体在一定温度下，由正常的有阻 状态（常导态）急剧地转为零电阻状态（超导态），如图 2-1 的曲线Ⅰ。在样品不纯或不均 匀情况下，超导转变所跨越的温区会展宽，如图 2-1 的曲线Ⅱ。 图 2-1 超导体的电阻转变曲线 理论上，超导临界温度的定义为：当电流、磁场及其它外部条件（如应力、辅照等）保 持为零或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。由正常态向超 导态过渡是在一个有限的温度间隔里完成的，即有一个转变宽度△TC，它取决于材料的纯度 晶格的完整性。理想样品的△TC≤10 -3K。基于这种电阻变化，可以通过电测量来确定 TC，通 常是把样品的电阻降到转变前正常态电阻值一半时的温度定义为超导体的临界温度 TC。实际 测量中温度由低到高降温，同时可测得从高到底的升温过程，可得出这两个过程并不会重合 2.金属电阻随温度的变化 金属电阻符合马基申定律(Matthiessen Rule)，即总的电阻包括金属的基本电阻和溶
质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关），用下式表示： R=R(T)+R' (2-1) 式中R(T)为与温度有关的金属基本电阻，即溶剂金属（纯金属）的电阻：R'为决定于化学缺陷 和物理缺陷而与温度无关的残余电阻。， 在液氮温度以上，R(T)>R',因此有R≈R(T)。例如，铂的德拜温度⊙。为225K,在63K 到室温的范围内，它的电阻R≈R(T)近似地正比于温度T。然而，稍许精确的测量就会发 现它们偏离线形关系，如图2-2所示。 在液氮正常沸点到室温温度范围内，铂电阻温度计具有良好的线形电阻温度关系，可表 示为 R(T)=AT+B 或 T(R)=aR+b 其中A、B和a、b是不随温度变化的常量。因此，根据我们给出的铂电阻温度计在液氮正常 沸点和冰点的电阻值，可以确定所用的铂电阻温度计的A、B和、b的值，并由此可得到用 铂电阻温度计测温时任一电阻所相应的温度值。另外，A、B和a、b还与铂的型号有关，不 同型号的铂，对应的A、B和a、b的值不同。 在合金中，电阻主要是由杂质散射引起的，因此电子的平均自由程度对温度的变化很不 敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验中所用的标准电阻和电阻加热器就是用锰铜 线绕制而成的。 10 /3 日 器 40 30 R 铂 R(0°C)=50?10 102030405060708090 T/K 图2-2铂电阻的温度关系 图2-3半导体锗的电阻温度关系 3、半导体电阻以及P结的正向电压随温度的变化 半导体具有与金属很不相同的电阻温度关系。一般而言，在较大的温度范围内，半导体 具有负的温度系数。半导体导电的机制比较复杂，电子和空穴是致使半导体导电的粒子，则 除了本征激发外，还有所谓的杂质激发也能产生载流子，因此具有比较复杂的电阻温度关系。 如图2-3所示，锗电阻温度计的电阻温度关系可以分为四个区。在I区中，半导体本征激发 占优势，它所激发的载流子的数目随着温度的升高而增多，使其电阻随着温度的升高而指数 39
39 质(杂质)浓度引起的电阻(与温度无关)，用下式表示： R=R(T)+ R (2-1) 式中 R(T)为与温度有关的金属基本电阻，即溶剂金属(纯金属)的电阻；R为决定于化学缺陷 和物理缺陷而与温度无关的残余电阻。r 在液氮温度以上，Ｒ(T)>> R，因此有Ｒ≈Ｒ(T)。例如，铂的德拜温度ΘD为 225Ｋ，在 63K 到室温的范围内，它的电阻Ｒ≈Ｒ(T)近似地正比于温度 T。然而，稍许精确的测量就会发 现它们偏离线形关系，如图 2-2 所示。 在液氮正常沸点到室温温度范围内，铂电阻温度计具有良好的线形电阻温度关系，可表 示为 R（T）＝AT＋B 或 T（R）＝aR＋b 其中 A、B 和 a、b 是不随温度变化的常量。因此，根据我们给出的铂电阻温度计在液氮正常 沸点和冰点的电阻值，可以确定所用的铂电阻温度计的 A、B 和 a、b 的值，并由此可得到用 铂电阻温度计测温时任一电阻所相应的温度值。另外，A、B 和 a、b 还与铂的型号有关，不 同型号的铂，对应的 A、B 和 a、b 的值不同。 在合金中，电阻主要是由杂质散射引起的，因此电子的平均自由程度对温度的变化很不 敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验中所用的标准电阻和电阻加热器就是用锰铜 线绕制而成的。 图 2-2 铂电阻的温度关系 图 2-3 半导体锗的电阻温度关系 3、半导体电阻以及 PN 结的正向电压随温度的变化 半导体具有与金属很不相同的电阻温度关系。一般而言，在较大的温度范围内，半导体 具有负的温度系数。半导体导电的机制比较复杂，电子和空穴是致使半导体导电的粒子，则 除了本征激发外，还有所谓的杂质激发也能产生载流子，因此具有比较复杂的电阻温度关系。 如图 2-3 所示，锗电阻温度计的电阻温度关系可以分为四个区。在Ⅰ区中，半导体本征激发 占优势，它所激发的载流子的数目随着温度的升高而增多，使其电阻随着温度的升高而指数
下降。当温度降低到Ⅱ和Ⅲ区时，半导体杂质激发占优势，在Ⅲ区中温度开始升高时，它所 激发的载流子的数目也是随着温度的升高而增多的，从而使其电阻随温度的升高而指数下 降：但当温度升高而进入Ⅱ区中时，杂质激发已全部完成，因此当温度继续升高时，由于晶 格对载流子散射作用的增强以及载流子热运动的加剧，所以电阻随温度的升高而增大。最后， 在Ⅳ区中温度已经降低到本征激发和杂质激发几乎都不能进行，这时靠载流子在杂质原子之 间的跳动而在电场下形成微弱的电流，因此温度越高电阻越低。适当调整掺杂元素和掺杂量， 可以改变Ⅲ和Ⅳ这两个区所覆盖的温度范围以及交接处曲线的光滑程度，从而做成所需的低 温锗电阻温度计。此外，硅电阻温度计、碳电阻温度计、渗碳玻璃电阻温度计和热敏电阻温 度计也都是常用的低温半导体温度计。显然，在大部分温区中，半导体具有负的电阻温度系 数，这与金属完全不同的。 在恒定的电流下，硅和砷化镓二极管PN结的正向电阻随着温度的降低而升高，如图2-4 所示。由图可见，用一支二极管温度计就能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高。由于二极 管温度计的发热量较大，常把它作为控温元件。 砷化第 100200300400 图2-4 T/K 二极管的正向电压温度关系 4、温差电偶温度计 当两种金属所做成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度时，该闭合回 路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个接触点固定在一个已知的温度，例如液氯的 正常沸点77.4K,则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一个接触点的温度。 应该注意到.硅二极管PN结的正向电压U和温差电动势E随温度T变化都不是线性的。 三.实验装置 (1)低温恒温器（俗称探头，其核心部件是安装有高临界温度超导体、铂电阻温度计、硅二 极管温度计、铜-康铜温差电偶及25Ω锰铜加热器线圈的紫铜恒温块)： (2)不锈钢杜瓦容器和支架： (3)PZ158型直流数字电压表(51/2位，1μV): (4)BW2型高温超导材料特性测试装置（俗称电源盒），以及一根两头带有19芯插头的装置 0
40 下降。当温度降低到Ⅱ和Ⅲ区时，半导体杂质激发占优势，在Ⅲ区中温度开始升高时，它所 激发的载流子的数目也是随着温度的升高而增多的，从而使其电阻随温度的升高而指数下 降；但当温度升高而进入Ⅱ区中时，杂质激发已全部完成，因此当温度继续升高时，由于晶 格对载流子散射作用的增强以及载流子热运动的加剧，所以电阻随温度的升高而增大。最后， 在Ⅳ区中温度已经降低到本征激发和杂质激发几乎都不能进行，这时靠载流子在杂质原子之 间的跳动而在电场下形成微弱的电流，因此温度越高电阻越低。适当调整掺杂元素和掺杂量， 可以改变Ⅲ和Ⅳ这两个区所覆盖的温度范围以及交接处曲线的光滑程度，从而做成所需的低 温锗电阻温度计。此外，硅电阻温度计、碳电阻温度计、渗碳玻璃电阻温度计和热敏电阻温 度计也都是常用的低温半导体温度计。显然，在大部分温区中，半导体具有负的电阻温度系 数，这与金属完全不同的。 在恒定的电流下，硅和砷化镓二极管 PN 结的正向电阻随着温度的降低而升高，如图 2-4 所示。由图可见，用一支二极管温度计就能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高。由于二极 管温度计的发热量较大，常把它作为控温元件。 图 2-4 二极管的正向电压温度关系 4、温差电偶温度计 当两种金属所做成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度时，该闭合回 路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个接触点固定在一个已知的温度，例如液氮的 正常沸点 77.4K,则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一个接触点的温度。 应该注意到.硅二极管 PN 结的正向电压 U 和温差电动势 E 随温度 T 变化都不是线性的。 三.实验装置 ( 1 ) 低温恒温器(俗称探头，其核心部件是安装有高临界温度超导体、铂电阻温度计、硅二 极管温度计、铜-康铜温差电偶及 25 锰铜加热器线圈的紫铜恒温块)； ( 2 ) 不锈钢杜瓦容器和支架； ( 3 ) PZ158 型直流数字电压表(5 1/2 位,1 V)； ( 4 ) BW2 型高温超导材料特性测试装置(俗称电源盒)，以及一根两头带有 19 芯插头的装置
连接电缆和若干根两头带有香蕉插头的面板连接导线， 四.实验装置介绍 1.低温物理实验的特点 (1)使用低温液体（如液氮、液氨等）作为冷源时，必须了解其基本性质，并注意安全。 (2)进行低温物理实验时，离不开温度的测量。对于各个温区和各种不同的实验条件，要求 使用不同类型和不同规格的温度计。在13.8K到630.7K的温度范围内，常使用铂电阻温度计。 然而，用作国际温标内插仪器的标准铂电阻温度计，与实验室用的小型铂电阻温度计和工业 用的铂电阻温度计相比，不仅体积要大的多，而且结构也复杂得多。锗和硅等半导体电阻温 度计具有负的电阻温度系数，在30K以下的低温具有很高的灵敏度：利用正向电压随温度变 化的PN制成的半导体二极管温度计，在很宽的温度范围内有很高的灵敏度，常用作控温仪 的温度传感器：温差电偶温度计测量接点小，制作简单，常用来测量小样品的温度变化：渗 碳玻璃电阻温度计的磁效应很弱，可用于测量在强磁场条件下工作的部件的温度等。因此， 我们必须了解各类温度传感器的特性和使用范围，学会定标温度计的基本方法。 (3)在液氮正常沸点到室温的温度范围，一般材料的热导较差，比热较大，使低温装置的各个 部件具有明显的热惰性，温度计与样品之间的温度一致性较差。 (4)样品的电测量引线有细有长，引线电阻的大小往往可与样品电阻相比.对于超导样品，引 线电阻可比样品电阻大的多，四引线测量法具有特殊的重要性。 (⑤)在直流低电势的测量中，克服乱真电动势的影响十分重要。特别是，为了判定超导样品 是否达到了零电阻的超导态，必须使用反向开关。 实际上，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 温差电动势的存在，通常称为乱真电动势或寄生电动势。例如，有的实验用的双刀双掷开关 就有几个微伏的乱真电动势。如果我们把一段漆包线两端接在数字电压表测量端上，然后用 蘸有干冰或液氦的棉花在漆包铜线上捋过，则可测量出该段漆包铜线上的乱真电动势，这正 是检验漆包铜线均匀性的一种简便方法。在低温物理实验中，待测样品和传感器往往处在低 温下，而测量仪器却处在室温。因此它们之间的连接导线处在温差很大的环境中。而且，沿 导线的温度分布还会随着低温液体面的降低、低温恒温器的移动以及内部情况的其它变化而 随时间改变。所以，在涉及低电势测量的低温物理实验中，特别是在超导样品的测量中，判 定和消除乱真电动势的影响是十分重要的。当然，如果有条件，采用锁相放大器来测量低频 交流电阻，是一种比较好的办法。 2.低温恒温器和不锈钢杜瓦容器 低温实验通常是在低温恒温器里进行的。低温恒温器就是在低温下一定的温度范围内， 能满足特定实验条件的恒温装置。他通常由盛装低温液体的杜瓦瓶、感温元件与温度调节机 构组成。 在实验中常用的低温液体有液氮和液氦等。由于低温液体的沸点比室温低，保存在低温 1
41 连接电缆和若干根两头带有香蕉插头的面板连接导线． 四. 实验装置介绍 1. 低温物理实验的特点 (1)使用低温液体（如液氮、液氦等）作为冷源时，必须了解其基本性质，并注意安全。 (2)进行低温物理实验时，离不开温度的测量。对于各个温区和各种不同的实验条件，要求 使用不同类型和不同规格的温度计。在13.8K到630.7K的温度范围内,常使用铂电阻温度计。 然而，用作国际温标内插仪器的标准铂电阻温度计，与实验室用的小型铂电阻温度计和工业 用的铂电阻温度计相比，不仅体积要大的多，而且结构也复杂得多。锗和硅等半导体电阻温 度计具有负的电阻温度系数，在 30K 以下的低温具有很高的灵敏度；利用正向电压随温度变 化的 PN 制成的半导体二极管温度计，在很宽的温度范围内有很高的灵敏度，常用作控温仪 的温度传感器；温差电偶温度计测量接点小，制作简单，常用来测量小样品的温度变化；渗 碳玻璃电阻温度计的磁效应很弱，可用于测量在强磁场条件下工作的部件的温度等。因此， 我们必须了解各类温度传感器的特性和使用范围，学会定标温度计的基本方法。 (3)在液氮正常沸点到室温的温度范围，一般材料的热导较差, 比热较大,使低温装置的各个 部件具有明显的热惰性,温度计与样品之间的温度一致性较差。 (4)样品的电测量引线有细有长，引线电阻的大小往往可与样品电阻相比.对于超导样品，引 线电阻可比样品电阻大的多,四引线测量法具有特殊的重要性。 (5)在直流低电势的测量中，克服乱真电动势的影响十分重要。特别是，为了判定超导样品 是否达到了零电阻的超导态，必须使用反向开关。 实际上，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 温差电动势的存在，通常称为乱真电动势或寄生电动势。例如，有的实验用的双刀双掷开关 就有几个微伏的乱真电动势。如果我们把一段漆包线两端接在数字电压表测量端上，然后用 蘸有干冰或液氦的棉花在漆包铜线上捋过，则可测量出该段漆包铜线上的乱真电动势，这正 是检验漆包铜线均匀性的一种简便方法。在低温物理实验中，待测样品和传感器往往处在低 温下，而测量仪器却处在室温。因此它们之间的连接导线处在温差很大的环境中。而且，沿 导线的温度分布还会随着低温液体面的降低、低温恒温器的移动以及内部情况的其它变化而 随时间改变。所以，在涉及低电势测量的低温物理实验中，特别是在超导样品的测量中，判 定和消除乱真电动势的影响是十分重要的。当然，如果有条件，采用锁相放大器来测量低频 交流电阻，是一种比较好的办法。 2.低温恒温器和不锈钢杜瓦容器 低温实验通常是在低温恒温器里进行的。低温恒温器就是在低温下一定的温度范围内， 能满足特定实验条件的恒温装置。他通常由盛装低温液体的杜瓦瓶、感温元件与温度调节机 构组成。 在实验中常用的低温液体有液氮和液氦等。由于低温液体的沸点比室温低，保存在低温
容器里在常压下大都处于沸腾状态，温度恒定于沸点温度。一般情形下不采用升高压力提高 沸点，而是利用抽气机降低液体的蒸汽压来获得所需温度。在常压下液氮和液氦的沸点温度 分别是77.3K和4.2K。 在低温物理实验中，盛装低温液体的杜瓦瓶是1892年由杜瓦(J.Dewar)发明的，它是 带有高真空夹层的密封容器，由于夹层的高真空状态，使得容器的传导和对流大大减少，提 高了容器的绝热性能，如在夹层内壁再镀一层反光膜，还可以减少辐射传热，使容器内绝热 性能进一步提高。低温液氢实验中常用两种杜瓦瓶，一种是为储存与运输用的，一种是为实 验用的。玻璃杜瓦瓶的防热辐射镀银层要留一条观察液面用的观察缝。液氦实验装置要复杂 些，常在盛装液氢的杜瓦瓶外套盛装液氮的杜瓦瓶，以减少热量传递。近年来多层绝热技术 的发展很快，在此基础上制造的液氦杜瓦瓶可以提供稳定可靠的低温实验条件。必须注意， 通常用来贮放液氮和液氦的金属杜瓦瓶在真空的夹层内衬有活性炭或渗炭纸，遇氧易引起爆 炸，因此这种金属杜瓦瓶不允许盛装液氧。 最简单的温度调节是将实验样品直接浸泡在低温液体内，改变液体的蒸汽压也就相应地 改变了样品的温度。另一种是将样品置于密封的容器内，容器浸于低温液体中，利用加热丝 给样品输送热量。当单位时间输送给样品的热量与漏走的热量相平衡时，就获得一稳定的温 度。改变加热丝的功率或调整样品与周围低温液体间的漏热，可以获得不同的稳定温度。在 此基础上己有各种型号、规格的电子控温仪可供使用。 引线插座 引线拉杆 拉杆固定螺母 拉杆固定螺栓 有机玻璃盖 252锰铜 加热器线圈 不锈钢杜瓦容器 上档板 紫铜圆筒上盖 锰铜加热器线圈 紫铜圆筒 高温 紫铜恒温块 超导样品 超导样品 可调式定点液面计 硅二极管 下档板 温度计 铜一康铜 温差电偶和液面计 温差电偶 一（参考点） (测量端) 一液氮 铂电阻温度计 图2-5低温恒温器和杜瓦瓶容器的结构 图2-6紫铜恒温块（探头）的结构 为了得到从液氦的正常沸点77.4K到室温范围内的任意温度，我们采用如图5所示的低 为
42 容器里在常压下大都处于沸腾状态，温度恒定于沸点温度。一般情形下不采用升高压力提高 沸点，而是利用抽气机降低液体的蒸汽压来获得所需温度。在常压下液氮和液氦的沸点温度 分别是 77.3K 和 4.2K 。 在低温物理实验中，盛装低温液体的杜瓦瓶是 1892 年由杜瓦（J.Dewar）发明的，它是 带有高真空夹层的密封容器，由于夹层的高真空状态，使得容器的传导和对流大大减少，提 高了容器的绝热性能，如在夹层内壁再镀一层反光膜，还可以减少辐射传热，使容器内绝热 性能进一步提高。低温液氦实验中常用两种杜瓦瓶，一种是为储存与运输用的，一种是为实 验用的。玻璃杜瓦瓶的防热辐射镀银层要留一条观察液面用的观察缝。液氦实验装置要复杂 些，常在盛装液氦的杜瓦瓶外套盛装液氮的杜瓦瓶，以减少热量传递。近年来多层绝热技术 的发展很快，在此基础上制造的液氦杜瓦瓶可以提供稳定可靠的低温实验条件。必须注意， 通常用来贮放液氮和液氦的金属杜瓦瓶在真空的夹层内衬有活性炭或渗炭纸，遇氧易引起爆 炸，因此这种金属杜瓦瓶不允许盛装液氧。 最简单的温度调节是将实验样品直接浸泡在低温液体内，改变液体的蒸汽压也就相应地 改变了样品的温度。另一种是将样品置于密封的容器内，容器浸于低温液体中，利用加热丝 给样品输送热量。当单位时间输送给样品的热量与漏走的热量相平衡时，就获得一稳定的温 度。改变加热丝的功率或调整样品与周围低温液体间的漏热，可以获得不同的稳定温度。在 此基础上已有各种型号、规格的电子控温仪可供使用。 图 2-5 低温恒温器和杜瓦瓶容器的结构 图 2-6 紫铜恒温块（探头）的结构 为了得到从液氦的正常沸点 77.4K 到室温范围内的任意温度,我们采用如图 5 所示的低