高溫超導材料臨界轉(zhuǎn)變溫度

1、實驗3.11 預習說明1附錄不必看，因為示波器改用Kenwood CB4125A型，它的使用指南見實驗室說明資料。2測量B-H曲線，用示波器直接測出R1上的電壓值u1（3.11.1）式和電容上電壓值uC（3.11.6）式。3由于R1、R2和C值不確定，仍需要用教材方法標定B0、H0，但是（3.11.7）、（3.11.9）式中Lx、Ly分別用標定時的電壓ux、uy代替。ux、uy為電壓的峰峰值。選做實驗 高溫超導材料臨界轉(zhuǎn)變溫度的測定一引言Tr0r圖1 一般金屬的電阻率溫度關(guān)系1911年荷蘭物理學家卡默林×翁納斯(Kamerling Onnes)首次發(fā)現(xiàn)了超導電性。這以后，科學家們在超

2、導物理及材料探索兩方面進行了大量的工作。二十世紀五十年代BCS超導微觀理論的提出，解決了超導微觀機理的問題。二十世紀六十年代初，強磁場超導材料的研制成功和約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使超導電技術(shù)在強場、超導電子學以及某些物理量的精密測量等實際應(yīng)用中得到迅速發(fā)展。1986年瑞士物理學家繆勒(Karl Alex Muller)等人首先發(fā)現(xiàn)La-Ba-Cu-O系氧化物材料中存在的高溫超導電性，世界各界科學家在幾個月的時間內(nèi)相繼取得重大突破，研制出臨界溫度高于90K的Y-Ba-Cu-O（也稱YBCO）系氧化物超導體。1988年初又研制出不含稀土元素的Bi系和Tl系氧化物超導體，后者的超導完全轉(zhuǎn)變溫度達125K

3、。超導研究領(lǐng)域的一系列最新進展，特別是大面積高溫超導薄膜和臨界電流密度高于105A/cm2 Bi系超導帶材的成功制備，為超導技術(shù)在各方面的應(yīng)用開辟了十分廣闊的前景。測量超導體的基本性能是超導研究工作的重要環(huán)節(jié)，臨界轉(zhuǎn)變溫度TC的高低則是超導材料性能良好與否的重要判據(jù)，因此TC的測量是超導研究工作者的必備手段。圖2汞的零電阻現(xiàn)象0.1500.1250.1000.0750.0500.02504.04.14.24.34.410-5W電阻WT (K)二實驗目的1通過對氧化物超導材料的臨界溫度TC兩種方法的測定，加深理解超導體的兩個基本特性；2了解低溫技術(shù)在實驗中的應(yīng)用；3了解幾種低溫溫度計的性能及Si

4、二極管溫度計的校正方法；4了解一種確定液氮液面位置的方法。三實驗原理1超導現(xiàn)象及臨界參數(shù)1）零電阻現(xiàn)象我們知道，金屬的電阻是由晶格上原子的熱振動（聲子）以及雜質(zhì)原子對電子的散射造成的。在低溫時，一般金屬（非超導材料）總具有一定的電阻，如圖1所示，其電阻率 r 與溫度T的關(guān)系可表示為：（1）式中r0是T0K時的電阻率，稱剩余電阻率，它與金屬的純度和晶格的完整性有關(guān)，對于實際的金屬，其內(nèi)部總是存在雜質(zhì)和缺陷，因此，即使使溫度趨于絕對零度時，也總存在r0。1911年，翁納斯在極低溫下研究降溫過程中汞電阻的變化時，出乎意料地發(fā)現(xiàn)，溫度在4.2K附近，汞的電阻急劇下降好幾千倍（后來有人估計此電阻率的下限

5、為3.6´10-23W×cm，而迄今正常金屬的最低電阻率僅為10-13W×cm，即在這個轉(zhuǎn)變溫度以下，電阻為零（現(xiàn)有電子儀表無法量測到如此低的電阻），這就是零電阻現(xiàn)象，如圖2所示。需要注意的是只有在直流情況下才有零電阻現(xiàn)象，而在交流情況下電阻不為零。目前已知包括金屬元素、合金和化合物約五千余種材料在一定溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谐瑢щ娦?。這種材料稱為超導材料。發(fā)生超導轉(zhuǎn)變的溫度稱為臨界溫度，以TC表示。圖3正常超導轉(zhuǎn)變rT90%r050%r010%r0起始轉(zhuǎn)變溫度TCDTC完全轉(zhuǎn)變溫度r0由于受材料化學成分不純及晶體結(jié)構(gòu)不完整等因素的影響，超導材料的正常一超導轉(zhuǎn)變一般是在一

6、定的溫度間隔中發(fā)生的。如圖3，用電阻法（即根據(jù)電阻率變化）測定臨界溫度時，我們通常把降溫過程中電阻率溫度曲線開始從直線偏離處的溫度稱為起始轉(zhuǎn)變溫度，把臨界溫度TC定義為待測樣品電阻率從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半時對應(yīng)的溫度（r = r0/2），也稱作超導轉(zhuǎn)變的中點溫度。把電阻率變化從10%到90%所對應(yīng)的溫度間隔定義為轉(zhuǎn)變寬度，記作DTC ，電阻率值剛剛完全降到零時的溫度稱為完全轉(zhuǎn)變溫度。DTC的大小一般反映了材料品質(zhì)的好壞，均勻單相的樣品DTC較窄，反之較寬。2）完全抗磁性當把超導體置于外加磁場中時，磁通不能穿透超導體，超導體內(nèi)的磁感應(yīng)強度始終保持為0，超導體的這個特性稱為邁斯納效應(yīng)。注意：完全抗

7、磁性不是說磁化強度M和外磁場B等于零，而僅僅是表示M = -B / 4p。超導體的零電阻現(xiàn)象與完全抗磁性的兩個特性既相互獨立又有緊密的聯(lián)系。完全抗磁性不能由零電阻特性派生出來，但是零電阻特性卻是邁斯納效應(yīng)的必要條件。超導體的完全抗磁性是由其表面屏蔽電流產(chǎn)生的磁通密度在導體內(nèi)部完全抵消了由外磁場引起的磁通密度，使其凈磁通密度為零，它的狀態(tài)是唯一確定的，從超導態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變是可逆的。利用邁斯納效應(yīng)，測量電感線圈中的一個樣品在降溫時內(nèi)部磁通被排出的情況，也可確定樣品的超導臨界溫度，稱電感法。用電阻法測TC較簡單，用得較多，但它要求樣品有一定形狀并能連接電引線，而且當樣品材料內(nèi)含有TC不同的超導相時

8、，只能測出其中能形成超導通路的臨界溫度最高的一個超導相的TC 。用電感法測TC則可以彌補電阻法的不足，即可以把不同的超導相同時測出。3）臨界磁場0TCTHCH0超導態(tài)正常態(tài)圖4第I類超導體臨界磁場隨溫度的變化關(guān)系把磁場加到超導體上之后，一定數(shù)量的磁場能量用來建立屏蔽電流以抵消超導體的內(nèi)部磁場。當磁場達到某一定值時，它在能量上更有利于使樣品返回正常態(tài)，允許磁場穿透，即破壞了超導電性。致使超導體由超導態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的磁場稱為超導體的臨界磁場，記為HC 。如果超導體內(nèi)存在雜質(zhì)和應(yīng)力等，則在超導體不同處有不同的HC ，因此轉(zhuǎn)變將在一個很寬的磁場范圍內(nèi)完成，和定義TC樣，通常我們把H = HC /2相應(yīng)

9、的磁場叫臨界磁場。臨界磁場是每一個超導體的重要特性，實驗還發(fā)現(xiàn)，存在著兩類可區(qū)分的磁行為。在大多數(shù)情況下，對于一般的超導體來說，在TC以下，臨界磁場HC隨溫度下降而增加，由實驗擬合給出HC與T的關(guān)系很好地遵循拋物線近似的關(guān)系：（2）式中，HC(0)是T0K時的臨界磁場。此類超導體被稱為第I類超導體，在遠低于TC的溫區(qū)，它們的臨界磁場HC(T)的典型數(shù)值為100Gs，因此又被稱為軟導體。對于第II類超導體來說，在超導態(tài)和正常態(tài)之間存在過渡的中間態(tài)，因此第II類超導體存在兩個臨界磁場HC1和HC2 ，當H<HC1時它具有和第I類超導體相同的邁斯納效應(yīng)；當H>HC1時，磁場開始進入到超導

10、體中，但這時體系仍具有零電阻的特性，我們把這個開始進入超導體的磁場HC1叫下臨界磁場。隨著H的進一步提高，磁場進入到超導體中愈來愈多，同時伴隨著超導態(tài)的比例愈來愈少，隨著H增加到HC2，超導體完全恢復到正常態(tài)。我們把這個HC2叫上臨界磁場，磁場H處于HC1<H<HC2的狀態(tài)為混合態(tài)。第II類超導體的上臨界磁場可高達105Gs，被稱為硬超導體。但對高溫超導體來說，HC(T)-T關(guān)系并不符合（2）式關(guān)系式。4）臨界電流密度實驗發(fā)現(xiàn)當對超導體通以電流時，無阻的超流態(tài)要受到電流大小的限制，當電流達到某一臨界值IC后，超導體將恢復到正常態(tài)。對大多數(shù)超導金屬，正常態(tài)的恢復是突變的。我們稱這個電

11、流值為臨界電流IC ，相應(yīng)的電流密度為臨界電流密度JC 。對超導合金、化合物及高溫超導體，電阻的恢復不是突變，而是隨電流的增加漸變到正常電阻R0。HHC2HC1正常態(tài)混合態(tài)超導態(tài)0TCT圖5第II類超導體臨界磁場隨溫度的變化關(guān)系臨界電流IC與臨界磁場強度HC是相關(guān)的，外加磁場越強，臨界電流就越小。臨界磁場強度HC也依賴于溫度，它隨溫度升高而減小，并在轉(zhuǎn)變溫度TC時降為零，臨界電流密度以類似方式和溫度有關(guān)，即它在較高溫度下減小。臨界溫度TC ，臨界電流密度JC和臨界磁場HC是超導體的三個臨界參數(shù)，這三個參數(shù)與物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。在實驗中要使超導體處于超導態(tài)，必須將其置于這三個臨界值以下，只要其

12、中任何一個條件被破壞，超導態(tài)都會被破壞。2溫度的測量：溫度的測量是低溫物理中首要和基本的測量，也是超導性能測量中不可缺少的手段，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，測量方法不斷增加，準確程度也逐漸提高。在低溫物理實驗中，溫度的測量通常有以下幾種溫度計：氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、電阻溫度計、熱電偶溫度計、半導體溫度計和磁溫度計。各種溫度計的體積大小、適用溫區(qū)、靈敏度、冷熱循環(huán)的復現(xiàn)性、價格、線性及磁場的影響等各不相同?？筛鶕?jù)溫區(qū)、穩(wěn)定性及復現(xiàn)性等主要因素來選擇適當?shù)臏囟扔嫛Ｔ谘趸锍瑢w臨界溫度的測量中，由于溫度范圍從300K77K，我們采用鉑電阻溫度計作為測量元件。為了使同學們對溫度計使用有更多的了解，我們還

13、采用熱電偶溫度計和半導體溫度計作為測溫的輔助手段?，F(xiàn)將它們的測溫原理簡介如下：1）鉑電阻溫度計鉑電阻溫度計是利用鉑的電阻隨溫度的變化來測量溫度的，鉑具有正的電阻溫度系數(shù)，若鉑電阻在0時電阻為100W，其電阻R與溫度T的關(guān)系如表1所示。表1鉑電阻溫度計RT表°C-0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-2502.51-2404.264.033.813.603.403.213.042.882.742.61-2306.996.686.386.085.805.525.254.994.744.49-22010.4910.119.749.379.018.658.337.967.637.31-21

14、014.4514.0513.6513.2512.8512.4512.0511.6611.2710.88-20018.4918.0717.6517.2416.8416.4416.0415.6115.2414.84-19022.8022.3721.9421.2521.0820.6520.2219.7919.3618.93-18027.0826.6526.2325.8025.3724.9424.5224.0923.6623.23-17031.3230.9030.4730.0529.6329.2028.7828.3527.9327.50-16035.5335.1134.6934.2733.8533.4

15、333.0132.5932.1631.74-15039.7139.3038.8838.4938.0437.6337.2136.7936.3735.95-14043.8743.4543.0442.6342.2141.7941.3840.9640.5540.13-13048.0047.5947.1846.7646.3545.9445.5245.1144.7044.28-12052.1151.7051.2950.8850.4750.0649.6449.2348.8248.41-11056.1955.7855.3854.9754.5654.1553.7453.3352.9252.52-10060.25

16、59.8559.4459.0458.6358.2257.8257.4157.0056.60-90643063.9063.4963.0962.6862.2861.8761.4761.0660.66-8068.3367.9267.5267.1266.7266.3165.9165.5165.1164.70-7072.3371.9371.5371.1370.7370.3369.9369.5369.1368.73-6076.3375.9375.5375.1374.7374.3373.9373.5373.1372.73-5080.3179.9179.5179.1178.7278.3277.9277.527

17、7.1376.73-4084.2783.8883.4883.0882.6982.2981.8981.5081.1080.70-3088.2287.8387.4387.0486.6486.2585.8585.4685.0684.67-2092.1691.7791.3790.9890.5590.1989.8089.4089.0188.62-1096.0995.6995.3094.9194.5294.1293.7393.3492.9592.550100.0099.6199.2298.8398.4498.0497.6597.2696.8796.48說明： 若0時鉑電阻值不是100W，而是R0，則表中該

18、數(shù)就應(yīng)乘以一個因子：R0/100。 若待測溫度范圍為0850，可按下式計算：Rt =100 ·（1 + 3.90802×10-3 · t - 0.580195×10-6 · t2）。 0273.15K。由于金屬鉑具有很好的化學穩(wěn)定性，體積小而且易于安裝和檢測，國際上已用它作為測溫標準元件。2）溫差電偶溫度計由電磁學知，當兩種不同的金屬(A、B)接觸時，由于其逸出功不同，在接觸點處會產(chǎn)生接觸電勢差，如果把此兩不同金屬的導線聯(lián)成閉合回路時，且兩個接觸點處在不同的溫度（T1，T2），則在回路中就有電動勢E存在，這種電動勢稱為溫差電動勢，而回路稱為溫差

19、電偶，E的大小與A、B兩種材料及接觸處的溫度T1，T2有關(guān)。正向電壓（V）砷化鎵硅T（K）010020030040012圖6Si二極管溫度計的正向電壓與溫度的關(guān)系我們實驗中采用鎳鉻康銅作為溫差材料，它們的溫差電動勢E與溫度的關(guān)系，可查閱實驗室的數(shù)據(jù)表。3）半導體Si二極管溫度計它是利用半導體二級管PN結(jié)的正向電壓隨溫度下降而升高的特性來測量溫度的，不同半導體的PN結(jié)，其正向電壓與溫度的關(guān)系是不一樣的，實驗中希望采用具有線性變化關(guān)系和電壓溫度靈敏度較大的PN結(jié)作為測溫元件，國內(nèi)外科學工作者在20世紀六、七十年代對此進行了大量的實驗研究，發(fā)現(xiàn)在77K到300K的溫度范圍內(nèi)半導體硅(Si)二極管可滿

20、足上述要求，因此從1972年開始硅二極管溫度計用于低溫實驗中。硅二極管溫度計屬于二次溫度計，它需要經(jīng)過標定后才能使用。標定用的溫度計稱為一次溫度計。根據(jù)國際計量大會的規(guī)定，采用氣體溫度計作為一次溫度計，而鉑電阻溫度計作為用于13.8K903.89K溫度范圍的測溫標準元件。在我們實驗中采用鉑電阻溫度計來標定Si二極管溫度計。標定時，Si二極管通以幾十微安的恒定電流，測量PN結(jié)兩端正向電壓U隨溫度T的變化曲線（如圖6所示）。而溫度T的大小由鉑電阻溫度計讀出。3溫度的控制溫量超導材料的臨界參數(shù)（如TC）需要一定的低溫環(huán)境，對于液氮溫區(qū)的超導體來說，低溫的獲得由液氮提供，而溫度的控制一般有兩種方式：恒

21、溫器控溫法和溫度梯度法。1）恒溫器控溫法：它是利用一般絕熱的恒溫器內(nèi)的電阻絲加熱來平衡液池冷量的。從而控制恒溫器的溫度（即樣品溫度）穩(wěn)定在某個所需的溫度下。通過恒溫器位置升降及加熱功率可使平衡溫度升高或降低。這種控溫方法的優(yōu)點是控溫精度較高，溫度穩(wěn)定時間長。但是，其測量裝置比較復雜，并需要相應(yīng)的溫度控制系統(tǒng)。由于這種控溫法是定點控制的，又稱定點測量法。2）溫度梯度法：它是利用杜瓦容器內(nèi)，液面以上空間存在的溫度梯度來取得所需溫度的一種簡便易行的控溫方法，我們實驗中采用此法。溫度梯度法要求測試探頭有較大的熱容量及溫度均勻性，并通過外加銅套使樣品與外部環(huán)境隔離，減少樣品溫度波動。樣品溫度的控制則是靠

22、在測量過程中改變探頭在液氮容器內(nèi)的位置來達到溫度的動態(tài)平衡，故又稱為連續(xù)測量法（即樣品溫度是連續(xù)下降或上升的），其優(yōu)點是測量裝置比較簡單，不足之處是控溫精度及溫度均勻性不如定點測量法好。4液面位置的確定：如上所述，樣品溫度的控制是靠調(diào)節(jié)測試探頭在液氮中的位置來實現(xiàn)的。測試探頭離液氮面的高低，決定了樣品溫度變化的快慢。對于金屬液氮容器（又稱金屬杜瓦）來說，探頭在容器中的位置是很難用肉眼觀察的。而且實驗過程中，液氮因揮發(fā)而使液面位置不斷變化。因此為實現(xiàn)樣品的溫度控制，需要有能指示液氮位置的傳感部件，或稱“液面計”。由工作原理的不同，可有靜液壓液面計、熱聲振蕩法液面計、電容法液面計和電阻法液面計等。

23、而我們是采用溫差電偶的測溫差原理來判斷液面位置的。用兩支性能相同的溫差電偶溫度計，一支插入液氮中，而另一支固定在測試探頭上，這兩支電偶溫度計有一個公共端。當探頭與液面位置不在一起時，由于兩者溫度不同，測溫差電動勢時，數(shù)字電壓表顯示不為0；當探頭與液面接觸時，數(shù)字電壓表顯示接近為零。因此從數(shù)字電壓表的顯示數(shù)據(jù)可定性判斷探頭離液面的高低，或LN2液面與探頭的相對位置。IIV圖7四引線法四實驗任務(wù)1測量Bi系超導帶材的臨界轉(zhuǎn)變溫度TC 。2利用鉑電阻溫度計標定Si二極管溫度計。五實驗方法1TC的測定超導體既是完善導體，又是完全抗磁體，因此當超導體材料發(fā)生正常態(tài)到超導態(tài)轉(zhuǎn)變時，電阻消失并且磁通從體內(nèi)排

24、出，這種電磁性質(zhì)的顯著變化是檢測臨界溫度TC的基本依據(jù)。測量方法一般是使樣品溫度緩慢改變并監(jiān)測樣品電性或磁性的變化，利用此溫度與電磁性的轉(zhuǎn)變曲線而確定TC 。通常分為電測量法四引線法和磁測法電磁感應(yīng)法。1） 四引線法：由于氧化物超導樣品的室溫電阻通常只有10-110-2W左右，而被測樣品的電引線很細（為了減少漏熱）、很長，而且測量的樣品室的溫度變化很大（從300K77K），這樣引線電阻較大而且不穩(wěn)定。另外，引線與樣品的連接也不可避免出現(xiàn)接觸電阻。為了避免引線電阻和接觸電阻的影響，實驗中采用四線法（如圖7所示），兩根電源引線與恒流源相連，兩根電壓引線連至數(shù)字電壓表，用來檢測樣品的電壓。根據(jù)歐姆定

25、律，即可得樣品電阻，由樣品尺寸可算出電阻率。從測得的R-T曲線可定出臨界溫度TC 。2） 電磁感應(yīng)法根據(jù)物理學的電磁感應(yīng)原理，若有兩個相鄰的螺旋線圈，在一個線圈（稱初級線圈）內(nèi)通以頻率為 w 的交流信號，則可在另一線圈（稱次級線圈）內(nèi)激勵出同頻率信號，此感應(yīng)信號的強弱既與頻率 w 有關(guān)，又與兩線圈的互感M有關(guān)，對于一定結(jié)構(gòu)的兩線圈，其互感M由線圈的本身參數(shù)（如幾何形狀、大小、匝數(shù)）及線圈間的充填物的磁導率 m 有關(guān)。若在線圈間均勻充滿磁導率為 m 的磁介質(zhì)，則其互感會增大 m 倍。即M = m M0（3）式中M0為無磁介質(zhì)時的互感系數(shù)。按照法拉第定律，若初級線圈中通以電流強度I0為1時，頻率為

26、 w 的正弦電流，次級線圈中感應(yīng)信號Uout的大小與M及 w 成正比，即：（4）由（4）式可知，若工作頻率 w 一定，則Uout與M成正比，根據(jù)（3）式可得出次級線圈中感應(yīng)信號的變化與充填材料磁化率變化有關(guān)，即DUout µ Dm（5）高溫超導材料在發(fā)生超導轉(zhuǎn)變前可認為是順磁物質(zhì)m =1，當轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w后，則為完全抗磁體（即m =0。如果在兩線圈之間放入超導材料樣品（見圖8），當樣品處于臨界溫度TC時，樣品的磁導率 m 則在1和0之間變化，從而使Uout發(fā)生突變。因此測量不同溫度T時的次級線圈信號Uout變化（即UoutT曲線）可測定超導材料的臨界溫度TC 。inUout樣品初級線圈

27、次級線圈T > TCinUout樣品初級線圈次級線圈T TC圖8 電磁感應(yīng)法測試原理（圖中虛線為磁力線）為了測量次級線圈的輸出信號，對信號進行整流、檢波后接至直流數(shù)字電壓表。2Si二極管溫度計的標定將Si二極管固定于鉑電阻溫度計附近，為保證溫度的一致性，Si二極管盡量與鉑電阻溫度計處在相同溫度區(qū)域。對Si二極管同樣采用“四引線”法：二根作為Si二極管的恒電流引線，二根作為測量正向電壓的引線。六測量裝置測量系統(tǒng)方塊如圖9所示，它由測試探頭、恒流源、信號源、溫度元件及數(shù)字電壓表等組成。測試探頭中包括樣品、初次級線圈、鉑電阻溫度計、Si二極管及引線板，這些元件都安裝在均溫塊上（見圖10）。待測樣品放在兩線圈之間，并在樣品上引出四根引線供電阻測量用。各種信號引入與取出均通過引線板經(jīng)由不銹鋼管接至外接儀器。為測量次級線圈感應(yīng)信號的大小，對信