杭州电子科技大学：《大学物理》课程实验指导（近代物理）实验01 高温超导体基本特性的测量.pdf

近代物理实验一一物理实验教学中心实验01高温超导体基本特性的测量引言人们在1877年液化了氧，获得一183℃的低温后就发展低温技术。随后，氮、氢等气体相继液化成功。1908年，荷兰莱顿Leiden)大学的卡麦林·翁纳斯(Kamerlingh Onnes)教授成功地使气液化，达到了4.2水的低温，三年后即在1911年翁纳斯发现，将水银冷却到 4.15K时，其电阻急剧地下降到零。他认为，这种电阻突然消失的现象，是由于物质转变到了一种新的状态，并将此以零电阻为特征的金属态，命名为超导态。1933年迈斯纳Meissner)) 和奥森菲尔德(Ochsenfeld)发现超导电性的另一特性：超导态时磁通密度为零或叫完全抗慰性，即Meissner效应。电阻为零及完全抗磁性是超导电性的两个最基本的特性。超导体从具有一定电阻的正常态，转变为电阻为零的超导态时，所处的温度叫做临界温度，常用T 表示。直1986年以前，人们经过70多年的努力才获得了最高临界温度为23K的NbG超导材料。1986年4月，贝德诺蕊Bednorz)和堡Auller)创造性地提出了在Ba-La-Cu-O系化合物中存在高T心超导的可能性。1987年初，中国科学院物理研究所赵忠贤等在这类氧化物中发现了Tc=48K的超导电性。同年2月份，美籍华裔科学家朱经武在YBaCuc0系中发现了T=9O水的超导电性。这些发现使人们梦寐以求的高温超导体变成了现实的材料，可以说这是科学史上又一次重大的突破。其后，在1988年1月，日本科学家Hirashi Maeda 报导研制出临界温度为106K的B1 SrCaCuO系新型高温超导体。同年2月，美国阿背萨斯大学的Allen HermAnn和Z.Z.Sheng等发现了临界温度为O6K的TBaCaCuO系超导体一个月后，IBM的Almaden又将这种体系超导体的临界温度提高到了125K。1989年5月，中国科技大学的刘宏宝等通过用Pb和Sb对Bi的部分取代，使Bi-Sr-Ca-Cu-O系超导材料的临界温度提高到了13K。这些T下飞高于液氮温度的氧化物超导体又称为高温超导体在物理工作及材料探索工作的同时，应用方面也做了大量的工作，如超导量子干涉仪 (SQUD、超导磁铁等低温超导材料已商品化，而高温超导的发现，为超导应用带来了新的希望，而我国利用熔融织构法制备的Bí系银包套高T©超导线材也已商品化。实验目的 1.利用动态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻随温度的变化关系 2.通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法 3.学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理 4.选用稳态法测量临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系并与动态进行比实验原理同时具有完全导电性和完全抗磁性的物质称为超导体。完全导电性和完全抗磁性是超导电性的两个最基本的性质

近代物理实验 —— 物理实验教学中心实验 01 高温超导体基本特性的测量引言人们在 1877 年液化了氧，获得－183℃的低温后就发展低温技术。随后，氮、氢等气体相继液化成功。1908 年，荷兰莱顿(Leiden)大学的卡麦林•翁纳斯(Kamerlingh Onnes)教授成功地使氦气液化，达到了 4.2K 的低温，三年后即在 1911 年翁纳斯发现，将水银冷却到 4.15K 时，其电阻急剧地下降到零。他认为，这种电阻突然消失的现象，是由于物质转变到了一种新的状态，并将此以零电阻为特征的金属态，命名为超导态。1933 年迈斯纳(Meissner) 和奥森菲尔德(Ochsenfeld)发现超导电性的另一特性：超导态时磁通密度为零或叫完全抗磁性，即 Meissner 效应。电阻为零及完全抗磁性是超导电性的两个最基本的特性。超导体从具有一定电阻的正常态，转变为电阻为零的超导态时，所处的温度叫做临界温度，常用 Tc 表示。直 1986 年以前，人们经过 70 多年的努力才获得了最高临界温度为 23K 的 Nb3Ge 超导材料。1986 年 4 月，贝德诺兹(Bednorz)和缪勒(Muller)创造性地提出了在 Ba-La-Cu-O 系化合物中存在高 Tc 超导的可能性。1987 年初，中国科学院物理研究所赵忠贤等在这类氧化物中发现了 Tc＝48K 的超导电性。同年 2 月份，美籍华裔科学家朱经武在 YBaCuO 系中发现了 Tc＝90K 的超导电性。这些发现使人们梦寐以求的高温超导体变成了现实的材料，可以说这是科学史上又一次重大的突破。其后，在 1988 年 1 月，日本科学家 Hirashi Maeda 报导研制出临界温度为 106K 的 BiSrCaCuO 系新型高温超导体。同年 2 月，美国阿肯萨斯大学的 Allen HermAnn 和 Z.Z.Sheng 等发现了临界温度为 106K 的 TlBaCaCuO 系超导体。一个月后，IBM 的 Almaden 又将这种体系超导体的临界温度提高到了 125K。1989 年 5 月，中国科技大学的刘宏宝等通过用 Pb 和 Sb 对 Bi 的部分取代，使 Bi-Sr-Ca-Cu-O 系超导材料的临界温度提高到了 130K。这些 Tc 高于液氮温度的氧化物超导体又称为高温超导体。在物理工作及材料探索工作的同时，应用方面也做了大量的工作，如超导量子干涉仪 (SQUID)、超导磁铁等低温超导材料已商品化，而高温超导的发现，为超导应用带来了新的希望，而我国利用熔融织构法制备的 Bi 系银包套高 Tc 超导线材也已商品化。实验目的 1. 利用动态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻随温度的变化关系 2. 通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法 3. 学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理 4. 选用稳态法测量临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系并与动态进行比较实验原理同时具有完全导电性和完全抗磁性的物质称为超导体。完全导电性和完全抗磁性是超导电性的两个最基本的性质

近代物理实验一一物理实验教学中心 1零电阻现象当物质的温度下降到某一确定值T©（临界温度）时，物质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心是一个由物质本身的内部性质确定的、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)急刚地转变为零电阻状态（超导态），如图1的曲线I。在样品不纯或不均匀等情况下，超导转变所跨越的温区会展宽，如图1的曲线Ⅱ，这时临界温度Tc有以下几种定义： R B 0.9R 12R 0.1R- To(R-0) 图1超导材料的电阻温度曲线 1)临界温度T。理论上，超导临界温度的定义：当电流、磁场及其它外部条件（如应力辐射等)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。实验上，可以根据测得的R(或P)一T曲线，将远离电阻发生急剧变化的高温端的数值拟合成直线A,将电阻急剧变化部分的数据拟合成直线B,直线A和直线B的交点所对应的电阻为R(称为正常态电阻)，取R=R/2所对应的温度就为Tc,见图1。 2)零电阻温度Tc。是指超导体保持直流电阻R=0(或电阻率p=0)时的最高温度。 3)转变宽度△T。超导体由正常态向超导态过渡的温度间隔。实验上常取0.1R,-0.9R 对应的温度区域宽度为转变宽度。△T的大小一般反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品△T较窄，反之较宽。 2迈斯钠效应 1937年，迈斯纳(W.Meissner)和奥森菲尔德(R.Ochsefeld, 恒流湖发现，具有上述完全导电性的物质还具有另外一个基本特性一一完全抗磁性：当物质由常导态进入超导态后其内部的磁感应强度总是为零，即不管超导体在常导态时的磁通状态如何，当样品进入超导态后，磁通一定不能穿透超导体。这一超导样品 2 图2四端子引线

近代物理实验 —— 物理实验教学中心 1 零电阻现象当物质的温度下降到某一确定值 Tc(临界温度)时，物质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 是一个由物质本身的内部性质确定的、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)急剧地转变为零电阻状态(超导态)，如图 1 的曲线Ⅰ。在样品不纯或不均匀等情况下，超导转变所跨越的温区会展宽，如图 1 的曲线Ⅱ，这时临界温度 Tc 有以下几种定义： 0 Ⅰ Ⅱ T R RS 1/2RS 0.1RS 0.9RS ΔT Tc T0 (R=0) 图 1 超导材料的电阻温度曲线 B A 1) 临界温度Tc。理论上，超导临界温度的定义：当电流、磁场及其它外部条件(如应力、辐射等)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。实验上，可以根据测得的 R (或  )—T 曲线，将远离电阻发生急剧变化的高温端的数值拟合成直线 A，将电阻急剧变化部分的数据拟合成直线 B ，直线 A和直线 B 的交点所对应的电阻为 Rs(称为正常态电阻)，取 R R 2 c s  所对应的温度就为Tc，见图 1。 2) 零电阻温度Tc。是指超导体保持直流电阻 R  0 (或电阻率   0 )时的最高温度。 3) 转变宽度 T 。超导体由正常态向超导态过渡的温度间隔。实验上常取对应的温度区域宽度为转变宽度。 T 0.1 0.9 R R s s   的大小一般反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品 T 较窄，反之较宽。 2 迈斯纳效应恒流源 1937 年，迈斯纳(W.Meissner)和奥森菲尔德(R.Ochsefeld) 发现，具有上述完全导电性的物质还具有另外一个基本特性 ——完全抗磁性：当物质由常导态进入超导态后其内部的磁感应强度总是为零，即不管超导体在常导态时的磁通状态如何，当样品进入超导态后，磁通一定不能穿透超导体。这一超导样品 1 4 2 3 U 图 2 四端子引线

近代物理实验一一物理实验教学中心现象也称为迈斯纳效应。 3样品电极的制作目前所研制的高T氧化物超导材料多为质地松脆的陶瓷材料，即使是精心制作的电极，电极与材料间的接触电阻也常达零点几欧姆，这与零电阻的测量要求显然是不符合的。为消除接触电阻对测量的影响，常采用图2所示的四端子法。两根电流引线与直流恒流电源相连，两根电压引线连至数字电压表或经数据放大器放大后接至XY记录仪，用来检测样品的电压。按此接法，电流引线电阻及电极1、4与样品的接触电阻与2、3瑞的电压测量无关。2、 3两电极与样品间存在接触电阻，通向电压表的引线也存在电阻，但是由于电压测量回路的高输入阻抗特性，吸收电流极小，因此能避免引线和接触电阻给测量带来的影响。按此法测得电极2、3端的电压除以流过样品的电流，即为样品电极2、3端间的电阻。本实验所用超导样品为商品化的银包套铋锶钙铜氧高T超导样品，四个电极直接用焊锡焊接。 4温度控制及测量临界温度T。的测量工作取决于合理的温度控制及正确的温度测量。目前高T。氧化物超导材料的临界温度大多在60水以上，因而冷源多用液氮。纯净液氮在一个大气压下的沸点为77348K,三相点为63.148K,但在实际使用中由于液氮的不纯，沸点稍高而三相点稍低（严格地说，不纯净的液氯不存在三相点)。对三相点和沸点之间的温度，只要把样品直接浸入液氮，并对密封的液氨容器抽气降温一定的蒸汽压就对应于一定的温度。在77水以上直至300K,常采用如下两种基本方法。 1)普通恒温器控温法。低温恒温器通常是指这样的实验装置。它利用低温流体或其他方法，使样品处在恒定的或按所需方式变化的低温温度下，并能对样品进行一种或多种物理量的测量。这里所称的普通恒温器控温法，指的是利用一般绝热的恒温器内的锰铜线或镍铬线等绕制的电加热器的加热功率来平衡液池冷量，从而控制恒温器的温废稳定在某个所需的中间温度上。改变加热功率，可使平衡温度升高或降低。由于样品及温度计都安置在恒温器内并保持良好的热接触，因而样品的温度可以严格控制并被测量。这样控温方式的优点是控温精度较高，温度的均匀性较好，温度的稳定时间长。用于电阻法测量时，可以同时测量多个样品。由于这种控温法是点控制的，因此普通恒温器控温法应用于测量时又称定点测量法 2)温度梯度法。这是指利用贮存液氮的杜瓦容器内液面以上空间存在的温度梯度来自然获取中间温度的一种简便易行的控温方法。样品在液面以上不同位置获得不同温度。为正确反映样品的温度，通常要设计一个紫铜均温块，将温度计和样品与紫铜均温块进行良好的热接触。紫铜块连结至一根不锈钢管，借助于不锈钢管进行提拉以改变温度本实验的恒温器设计综合上述两种基本方法，既能进行动态测量，也能进行定点的稳态测量，以便进行两种测量方法和测量结果的比较。 4热电势及热电势的消除用四端子法测量样品在低温下的电阻时常会发现，即使没有电流流过样品，电压端也常

近代物理实验 —— 物理实验教学中心现象也称为迈斯纳效应。 3 样品电极的制作目前所研制的高T 氧化物超导材料多为质地松脆的陶瓷材料，即使是精心制作的电极，电极与材料间的接触电阻也常达零点几欧姆，这与零电阻的测量要求显然是不符合的。为消除接触电阻对测量的影响，常采用图 2 所示的四端子法。两根电流引线与直流恒流电源相连，两根电压引线连至数字电压表或经数据放大器放大后接至Ｘ-Ｙ记录仪，用来检测样品的电压。按此接法，电流引线电阻及电极 1、4 与样品的接触电阻与 2、3 端的电压测量无关。2、 3 两电极与样品间存在接触电阻，通向电压表的引线也存在电阻，但是由于电压测量回路的高输入阻抗特性，吸收电流极小，因此能避免引线和接触电阻给测量带来的影响。按此法测得电极 2、3 端的电压除以流过样品的电流，即为样品电极 2、3 端间的电阻。本实验所用超导样品为商品化的银包套铋锶钙铜氧高T 超导样品，四个电极直接用焊锡焊接。 c c 4 温度控制及测量临界温度T 的测量工作取决于合理的温度控制及正确的温度测量。目前高T 氧化物超导材料的临界温度大多在 60K 以上，因而冷源多用液氮。纯净液氮在一个大气压下的沸点为 77.348K，三相点为 63.148K，但在实际使用中由于液氮的不纯，沸点稍高而三相点稍低(严格地说，不纯净的液氮不存在三相点)。对三相点和沸点之间的温度，只要把样品直接浸入液氮，并对密封的液氮容器抽气降温，一定的蒸汽压就对应于一定的温度。在 77K 以上直至 300K，常采用如下两种基本方法。 c c 1) 普通恒温器控温法。低温恒温器通常是指这样的实验装置。它利用低温流体或其他方法，使样品处在恒定的或按所需方式变化的低温温度下，并能对样品进行一种或多种物理量的测量。这里所称的普通恒温器控温法，指的是利用一般绝热的恒温器内的锰铜线或镍铬线等绕制的电加热器的加热功率来平衡液池冷量，从而控制恒温器的温度稳定在某个所需的中间温度上。改变加热功率，可使平衡温度升高或降低。由于样品及温度计都安置在恒温器内并保持良好的热接触，因而样品的温度可以严格控制并被测量。这样控温方式的优点是控温精度较高，温度的均匀性较好，温度的稳定时间长。用于电阻法测量时，可以同时测量多个样品。由于这种控温法是点控制的，因此普通恒温器控温法应用于测量时又称定点测量法。 2) 温度梯度法。这是指利用贮存液氮的杜瓦容器内液面以上空间存在的温度梯度来自然获取中间温度的一种简便易行的控温方法。样品在液面以上不同位置获得不同温度。为正确反映样品的温度，通常要设计一个紫铜均温块，将温度计和样品与紫铜均温块进行良好的热接触。紫铜块连结至一根不锈钢管，借助于不锈钢管进行提拉以改变温度。本实验的恒温器设计综合上述两种基本方法，既能进行动态测量，也能进行定点的稳态测量，以便进行两种测量方法和测量结果的比较。 4 热电势及热电势的消除用四端子法测量样品在低温下的电阻时常会发现，即使没有电流流过样品，电压端也常

近代物理实验一一物理实验教学中心能测量到几微伏至几十微伏的电压降。而对于高Tc超导样品，能检测到的电阻常在105 10~Q之间，测量电流通常取1至100mA左右，取更大的电流将对测量结果有影响。据此换算，由于电流流过样品而在电压引线端产生的电压降只在102一10μV之间，因而热电势对测量的影响很大，若不采取有效的测量方法予以消除，有时会将良好的超导样品误作非超导材料，造成错误的判断。测量中出现的热电势主要来源于样品上的温度梯度。为什么放在恒温器上的样品会出现温度的不均匀分布呢？这取决于样品与均温块热接触的状况。若样品简单地压在均温块上，样品与均温块之间的接触热阻较大。同时样品本身有一定的热阻也有一定的热容。当均温块温度变化时，样品温度的弛豫时间与上述热阻及热容有关，热阻及热容的乘积越大，弛豫时间越长。特别在动态测量情形，样品各处的温度弛豫造成的温度分布不均匀不能忽略。即使在稳态的情形，若样品与均温块之间只是局部热接触（如不平坦的样品面与平坦的均温块接触)，由引线的漏热等因素将造成样品内形成一定的温度梯度。样品上的温差△T会引起载流子的扩散，产生热电势E。 E=S.AT 0) S是样品的微分热电势，其单位是，K。对高T超导样品热电势的讨论比较复杂，它与载流子的性质以及电导率在费密面上的分布有关，利用热电势的测量可以获知载流子性质的信总。对于同时存在两种载流子的情况，它们对热电势的贡献要乘一权重，满足所谓Nordheim-Gorter法则。 S-GASA+ (2) 式中SA、SB是A、B两种载流子本身的热电势，OA、OB分别为A、B两种载流子相应的电导率。O=0A+OB。材料处在超导态时，S=0。为消除热电势对测量电阻率的影响，通常采取下列措施： 1)对于动态测量。应将样品制得薄而平坦。样品的电极引线尽量采用直径较细的导线，例如直径小于0.1mm的铜线。电极引线与均温块之间要建立较好的热接触，以避免外界热量经电极引线流向样品。同时样品与均温块之间用导热良好的导电银浆粘接，以减少热弛豫带来的误差。另一方面，温度计的响应时间要尽可能小，与均温块的热接触要良好，测量中温度变化应该相对地较缓慢。对于动态测量中电阻不能下降到零的样品，不能轻易得出该样品不超导的结论，而应该在液氨温度附近，通过后面所述的电流换向法或通断法检查。 2)对于稳态测量。当恒温器上的温度计达到平衡值时，应观察样品两侧电压电极间的电压降及叠加的热电势值是否趋向稳定，稳定后可以采用如下方法。 A电流换向法：将恒流电源的电流I反向，分别得到电压测量值U、UB,则超导材料测电压电极间的电阻为

近代物理实验 —— 物理实验教学中心能测量到几微伏至几十微伏的电压降。而对于高T 超导样品，能检测到的电阻常在 10－5 ～ 10－1 Ω之间，测量电流通常取 1 至 100mA 左右，取更大的电流将对测量结果有影响。据此换算，由于电流流过样品而在电压引线端产生的电压降只在 10-2～103 μＶ之间，因而热电势对测量的影响很大，若不采取有效的测量方法予以消除，有时会将良好的超导样品误作非超导材料，造成错误的判断。 c 测量中出现的热电势主要来源于样品上的温度梯度。为什么放在恒温器上的样品会出现温度的不均匀分布呢?这取决于样品与均温块热接触的状况。若样品简单地压在均温块上，样品与均温块之间的接触热阻较大。同时样品本身有一定的热阻也有一定的热容。当均温块温度变化时，样品温度的弛豫时间与上述热阻及热容有关，热阻及热容的乘积越大，弛豫时间越长。特别在动态测量情形，样品各处的温度弛豫造成的温度分布不均匀不能忽略。即使在稳态的情形，若样品与均温块之间只是局部热接触(如不平坦的样品面与平坦的均温块接触)，由引线的漏热等因素将造成样品内形成一定的温度梯度。样品上的温差会引起载流子的扩散，产生热电势。 T E EST   (1) S 是样品的微分热电势，其单位是。1  KV 对高T 超导样品热电势的讨论比较复杂，它与载流子的性质以及电导率在费密面上的分布有关，利用热电势的测量可以获知载流子性质的信息。对于同时存在两种载流子的情况，它们对热电势的贡献要乘一权重，满足所谓 Nordheim-Gorter 法则。 c B B A A SSS       (2) 式中 SA、是 SB A、两种载流子本身的热电势， B A 、 B 分别为 A、两种载流子相应的电导率。 B   A  B。材料处在超导态时， S  0 。为消除热电势对测量电阻率的影响，通常采取下列措施： 1) 对于动态测量。应将样品制得薄而平坦。样品的电极引线尽量采用直径较细的导线，例如直径小于 0.1mm 的铜线。电极引线与均温块之间要建立较好的热接触，以避免外界热量经电极引线流向样品。同时样品与均温块之间用导热良好的导电银浆粘接，以减少热弛豫带来的误差。另一方面，温度计的响应时间要尽可能小，与均温块的热接触要良好，测量中温度变化应该相对地较缓慢。对于动态测量中电阻不能下降到零的样品，不能轻易得出该样品不超导的结论，而应该在液氮温度附近，通过后面所述的电流换向法或通断法检查。 2) 对于稳态测量。当恒温器上的温度计达到平衡值时，应观察样品两侧电压电极间的电压降及叠加的热电势值是否趋向稳定，稳定后可以采用如下方法。 A. 电流换向法：将恒流电源的电流 I 反向，分别得到电压测量值UA、U ，则超导材料测电压电极间的电阻为 B