近 代 物 理 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 -高溫超導(dǎo)

1、近 代 物 理 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 實(shí)驗(yàn)題目：高溫超導(dǎo)材料的特性與表征作者：李健 時(shí)間：2015-09-17高溫超導(dǎo)材料的特性與表征【摘要】本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)高溫超導(dǎo)材料Y-Ba-Cu-O特性的測(cè)量，理解超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性，即完全導(dǎo)電性和完全抗磁性，了解超導(dǎo)磁懸浮的原理。本實(shí)驗(yàn)利用液氮將高溫超導(dǎo)材料Y-Ba-Cu-O降溫，用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度，通過(guò)測(cè)量鉑電阻的大小及查詢鉑電阻-溫度對(duì)照表得出相應(yīng)的溫度，再電壓表測(cè)得超導(dǎo)體電阻，即能得到超導(dǎo)體電阻溫度曲線，測(cè)得該樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為93K；再通過(guò)超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)材料的磁特性，得到分別在零場(chǎng)冷卻，有場(chǎng)冷卻下的超導(dǎo)體的磁懸浮力與超導(dǎo)磁體間

2、距的關(guān)系曲線?！娟P(guān)鍵詞】高溫超導(dǎo) 零電阻現(xiàn)象 MEISSNER效應(yīng) 低溫恒溫器 四引線法 磁懸浮【引言】 從1991年荷蘭物理學(xué)家卡默林·翁納斯（H.K.Onnes）發(fā)現(xiàn)低溫超導(dǎo)體，超導(dǎo)科技發(fā)展大體經(jīng)歷了三個(gè)階段：1911年到1957年BCS超導(dǎo)微觀理論問(wèn)世，是人類(lèi)對(duì)超導(dǎo)電性的基本探索和認(rèn)識(shí)階段，核心是提出庫(kù)珀電子對(duì)；第二階段是從1958年到1985年是超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，成功研制強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)材料，發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)；第三階段是1986年發(fā)現(xiàn)高于30K的超導(dǎo)材料，進(jìn)入超導(dǎo)技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)代。超導(dǎo)研究領(lǐng)域的系列最新進(jìn)展，為超導(dǎo)技術(shù)在更方面的應(yīng)用開(kāi)辟了十分廣闊的前景。超導(dǎo)電性的應(yīng)用十分廣泛，例

3、如超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)、超導(dǎo)重力儀、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)微波器件等，超導(dǎo)電性還可以用于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，在991年1月1日開(kāi)始生效的伏特和歐姆的新實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)中，電壓基準(zhǔn)就是以超導(dǎo)電性為基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)對(duì)氧化物高溫超導(dǎo)材料的測(cè)量與演示、加深理解超導(dǎo)體兩個(gè)基本特性；了解超導(dǎo)磁懸浮原理；了解金屬和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化以及溫差電效應(yīng)；掌握低溫物理實(shí)驗(yàn)的基本方法：低溫的獲得、控制和測(cè)量?！菊摹恳弧?實(shí)驗(yàn)原理1.超導(dǎo)現(xiàn)象、臨界參數(shù)及實(shí)用超導(dǎo)體（1） 零電阻現(xiàn)象將物體冷卻到某一臨界溫度Tc以下時(shí)電阻突然降為零的現(xiàn)象，稱(chēng)為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。不同的超導(dǎo)體的臨界溫度各不相同。如下圖，用電阻法測(cè)量臨界溫度，把降溫過(guò)程中電阻

4、溫度曲線開(kāi)始從直線偏離處的溫度稱(chēng)為起始轉(zhuǎn)變溫度Tc,onset，臨界溫度Tc定義為待測(cè)樣品電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半對(duì)應(yīng)的溫度，也稱(chēng)作超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)溫度Tcm。電阻變化10%到90%所對(duì)應(yīng)的溫度間隔定義為轉(zhuǎn)變寬度Tc，電阻全降到零時(shí)的溫度為零電阻溫度Tc。通常說(shuō)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc指Tcm。（2） MEISSNER效應(yīng)1937年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納和奧克森·菲爾德發(fā)現(xiàn)，當(dāng)T<Tc時(shí)，不論道題是否處于外加磁場(chǎng)中，在超導(dǎo)體內(nèi)部總有磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0。（3） 超導(dǎo)臨界參數(shù)臨界電流Ic：破壞樣品的超導(dǎo)電性所需要的最小電流值。臨界磁場(chǎng)Hc：破壞樣品的超導(dǎo)電性所需要的最小磁場(chǎng)值（相應(yīng)的電流密度稱(chēng)

5、為臨界電流密度Jc）。外加磁場(chǎng)越強(qiáng)，臨界電流越小，臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度的升高而減小，并在轉(zhuǎn)變溫度Tc處降為零。臨界電流密度在較高溫度下減小。要使導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)，必須將其置于Tc、Ic、Hc以下，只要其中一個(gè)條件被破壞，超導(dǎo)態(tài)都會(huì)被破壞。（4）兩類(lèi)超導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有兩類(lèi)磁行為。第一類(lèi)，對(duì)于一般導(dǎo)體，Tc一下，Hc(T)與T遵循Hc(T)=Hc(0)1-(T/T0)2 ，如圖2，這類(lèi)導(dǎo)體稱(chēng)為第I類(lèi)導(dǎo)體；第二類(lèi)超導(dǎo)體，超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間存在一個(gè)過(guò)渡態(tài)，如圖3，有兩個(gè)臨界參數(shù)Hc1和Hc2。H<Hc1，具有和第I類(lèi)超導(dǎo)體相同的MESSNER磁矩；H>Hc1，磁場(chǎng)進(jìn)入到超導(dǎo)體中，體系仍具有無(wú)阻

6、能力，Hc1叫下臨界磁場(chǎng)。H>Hc1后，磁場(chǎng)進(jìn)入超導(dǎo)體中越來(lái)越多，磁化曲線隨著H增加磁矩緩慢減小到0，超導(dǎo)體恢復(fù)到正常態(tài)。Hc2叫上臨界磁場(chǎng)。高溫超導(dǎo)體成為第II類(lèi)超導(dǎo)體。（5）實(shí)用超導(dǎo)體非理想性的第II類(lèi)超導(dǎo)體只有體內(nèi)組分分布均勻，不存在各種晶體缺陷，其磁化行為才呈現(xiàn)完全可逆，稱(chēng)為理想型第II類(lèi)超導(dǎo)體，反之，則稱(chēng)為非理想性第II類(lèi)超導(dǎo)體或硬超導(dǎo)體。 圖2 圖32電阻溫度特性（1）純金屬材料的電阻溫度特性 純金屬晶體電阻產(chǎn)生于晶體電子被晶格散射和晶格中缺陷熱振動(dòng)散射。金屬總電阻率表示為（T）表示晶格熱振動(dòng)對(duì)電子散射引起的電阻率，與溫度有關(guān)，電阻與溫度的關(guān)系決定晶格振動(dòng)散射。在高溫區(qū)，當(dāng)T

7、>112.5K時(shí)，（T）與T成正比。在低溫區(qū)，當(dāng)T<112.5K時(shí)，（T）與T5成正比。r表示雜質(zhì)和缺陷對(duì)電子散射引起的電阻率，一般不依賴溫度。（2）半導(dǎo)體材料的電阻溫度特性 本征半導(dǎo)體的電阻率為 ni為載流子濃度，為遷移率。電阻率隨溫度上升單調(diào)下降，對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，載流子由雜質(zhì)電離及本征激發(fā)產(chǎn)生，載流子濃度隨溫度變化關(guān)系比較復(fù)雜，存在電離雜質(zhì)散射和聲子散射，遷移率變化比較復(fù)雜。二、實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置由以下部分組成：低溫溫度的獲得和控制主要包括低溫恒溫器和不銹鋼杜瓦容器；電測(cè)量部分主要包括BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試裝置和PZ158型直流數(shù)字電壓表；高溫超導(dǎo)體的磁懸浮演示裝置。

8、1.低溫恒溫器和不銹鋼杜瓦容器該轉(zhuǎn)紙的目的得到從液氮的正常沸點(diǎn)77.4K到室溫范圍內(nèi)的任意溫度，主要測(cè)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線，并在液氮正常沸點(diǎn)附近的溫度范圍內(nèi)（77-140K）標(biāo)定溫度計(jì)。控溫從高溫到低溫，利用液氮液面以上空間存在的溫度梯度來(lái)獲得需要的溫度，通過(guò)改變低溫恒溫器在杜瓦容器內(nèi)的位置來(lái)改變樣品溫度控制降溫速率。2電測(cè)量原理及測(cè)量設(shè)備 電測(cè)量設(shè)備核心是BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試裝置電源盒和PZ158型直流數(shù)字電壓表。BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試裝置主要由鉑電阻、硅二極管和超導(dǎo)樣品等三個(gè)電阻測(cè)量電路構(gòu)成，每一電路包含恒流源、標(biāo)準(zhǔn)電阻、待測(cè)電阻、數(shù)字電壓表和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)五個(gè)主要部件。（1）四引線測(cè)量

9、法：每個(gè)電阻元件都采用四根引線，其中兩根為電流引線，兩根為電壓引線。恒流源通過(guò)兩根電流引線將測(cè)量電流I提供給帶測(cè)樣品，而數(shù)字電壓表則是通過(guò)兩根引線來(lái)測(cè)量電路I 在樣品上所形成的電勢(shì)差U。四引線法減小甚至排除了引線和接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響。電阻測(cè)量電路如下圖 測(cè)量得出待測(cè)樣品上的電壓Ux，則待測(cè)樣品的電阻Rx為： （2）鉑電阻和硅二極管測(cè)量電路 如圖（a）（b）所示 （a） （b）（c） （d）3超導(dǎo)樣品測(cè)量電路：如圖（d）4溫差電偶及定點(diǎn)液面計(jì)的測(cè)量電路:如圖（d）5電加熱器電路：如圖（c）三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程1、按照指示步驟，校準(zhǔn)儀器并測(cè)量室溫下各個(gè)樣品的電壓，打開(kāi)電路。2、檢測(cè)室溫。3、液氮的灌注：

10、用管子將液氮從儲(chǔ)藏瓶中灌注到暖瓶中。4、將液氮倒入杜瓦瓶中，液氮的液面距離杜瓦瓶瓶口30cm左右比較合適。5、將樣品伸入杜瓦瓶中，若將樣品伸入液氮當(dāng)中，需要取出烘干方可繼續(xù)試驗(yàn)。6、在降溫過(guò)程中測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線。7、做高溫超導(dǎo)的磁懸浮演示實(shí)驗(yàn)。8、利用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量高溫超導(dǎo)體的磁懸浮力與距離之間的關(guān)系，分別得到得到場(chǎng)冷和零場(chǎng)冷條件下磁懸浮力與距離之間的變化曲線。四、數(shù)據(jù)記錄1超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)量（見(jiàn)附錄1）2超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象的演示 磁懸浮現(xiàn)象是由于超導(dǎo)體的完全抗磁性而產(chǎn)生的釘扎力造成的，會(huì)將磁鐵完全束縛到一個(gè)特定的位置。與通常所說(shuō)的利用磁極同性之間的排斥作用并不相同。而最終磁鐵的具體位

11、置是和初始位置相關(guān)的。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)液氮冷卻樣品，最終觀察到了磁懸浮現(xiàn)象。3高溫超導(dǎo)體磁懸浮力測(cè)量（1） 場(chǎng)冷條件：在有磁場(chǎng)條件下，用液氮將超導(dǎo)體冷卻到超導(dǎo)態(tài)，高溫超導(dǎo)盤(pán)片與磁塊間距離由零開(kāi)始均勻增加，通過(guò)裝置得到相應(yīng)的磁懸浮力與超導(dǎo)體-磁體間距的關(guān)系曲線（見(jiàn)附錄2）（2） 零場(chǎng)冷條件：用液氮將超導(dǎo)體冷卻到超導(dǎo)態(tài)，高溫超導(dǎo)盤(pán)片與磁塊間距離由70mm以上開(kāi)始遞減，通過(guò)裝置得到相應(yīng)的磁懸浮力與超導(dǎo)體-磁體間距的關(guān)系曲線（見(jiàn)附錄3）五、實(shí)驗(yàn)誤差與分析本實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)操作方面等的影響可能會(huì)帶來(lái)一定的誤差。具體如下：測(cè)量過(guò)程中，1 由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液氮不夠，中途添加了液氮，是的溫差產(chǎn)生了變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成了一定的影響，使得溫差電偶隨時(shí)間的變化并非呈現(xiàn)嚴(yán)格的線性關(guān)系。2樣品所放位置不夠合適導(dǎo)致降溫速度很快。雖然可以觀察到超導(dǎo)現(xiàn)象，但是在超導(dǎo)臨界溫度附近記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)并不是很多。造成了一定的誤差和影響。3本實(shí)驗(yàn)并未考慮由亂真電動(dòng)勢(shì)的影響而造成的誤差，因此并未在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行一個(gè)修正，這是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)缺陷之處。3 本實(shí)驗(yàn)溫度的獲得是測(cè)量樣品的電阻與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較而得到的。由于表中給出的參考點(diǎn)有限。因此在比對(duì)的過(guò)程中得到的溫度不是很準(zhǔn)確，會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。4 在測(cè)量各個(gè)數(shù)值的時(shí)候，由于降溫一直在進(jìn)行，數(shù)值一直在變化，因此會(huì)造成各個(gè)讀數(shù)