近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-高溫超導(dǎo)材料的特性與表征

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告高溫超導(dǎo)材料的特性與表征【摘要】本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)對(duì)YBaCuO高溫超導(dǎo)材料特性的測(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。本實(shí)驗(yàn)利用液氮將高溫超導(dǎo)材料YBaCuO降溫，用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度，用電壓表測(cè)得超導(dǎo)體電阻，得到超導(dǎo)體電阻溫度曲線，測(cè)得該樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為93.75K；再通過(guò)超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)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)體-磁體間距的關(guān)系曲線?！娟P(guān)鍵詞】高溫超導(dǎo)、液氮、鉑電阻、MEIS

2、SNER效應(yīng)、磁懸浮一、引言1911年，昂納斯首次發(fā)現(xiàn)在4.2K水銀的電阻突然消失的超導(dǎo)電現(xiàn)象。1933年，邁斯納發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)是保持不變，而且為零，這個(gè)現(xiàn)象叫邁斯納效應(yīng)。950，弗留里希首先給出了超導(dǎo)微觀機(jī)制的一個(gè)重要線索。他認(rèn)為電子-晶格振動(dòng)之間相互作用導(dǎo)致電子之間相互吸引時(shí)引起超導(dǎo)的原因。1957年，巴丁、庫(kù)柏和施里弗共同提出了超導(dǎo)電性的微觀理論，稱為BCS理論。1972年他們?nèi)斯餐@得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。自從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以來(lái)，人們就努力探索提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變臨界溫度的途徑。幾十年來(lái)，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)除了汞、錫和鉛以外，又發(fā)現(xiàn)銦、鉈和鎵也有超導(dǎo)特性，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了鈮、鈦、釷等金屬具有超導(dǎo)特性。

3、世界上還有許多物理學(xué)家研究其他類型的超導(dǎo)體，諸如有機(jī)超導(dǎo)體、低電子密度超導(dǎo)體、超晶體超導(dǎo)體、非晶態(tài)超導(dǎo)體等等，其中金屬氧化物超導(dǎo)體吸引了許多人的注意。隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電性的應(yīng)用也愈加廣泛。例如超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)重力儀、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)氧化物高溫超導(dǎo)材料特性的測(cè)量和演示，加深理解超導(dǎo)體的兩個(gè)基本特性。并了解金屬和半導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化以及溫差電效應(yīng)、掌握超導(dǎo)磁懸浮原理和液氮低溫技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理1、超導(dǎo)現(xiàn)象及臨界參數(shù)（1）零電阻現(xiàn)象1911年，卡麥林發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于液氮的正常沸點(diǎn)時(shí)，水銀線的電阻突然跌落到零，這就是零電阻現(xiàn)象。把這種具有超導(dǎo)電性的物理稱為超導(dǎo)體，超導(dǎo)體只

4、有在直流的情況下才能有零電阻現(xiàn)象。理論上，超導(dǎo)臨界溫度的定義為：當(dāng)電流、電場(chǎng)及其他外部條件保持威靈活不影響轉(zhuǎn)變溫度測(cè)量的足夠低值時(shí)，超導(dǎo)體呈現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)的最高溫度。實(shí)驗(yàn)上，用電阻法測(cè)臨界溫度時(shí)，通常把降溫過(guò)程中電阻溫度曲線開(kāi)始從直線偏離處的溫度稱為起始轉(zhuǎn)變溫度Tc,onset，把臨界溫度Tc定義為待測(cè)樣品電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，也稱作超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)溫度Tcm，把電阻變化10%-90%所對(duì)應(yīng)的溫度間隔定義為轉(zhuǎn)變寬度，電阻剛剛完全降到零時(shí)的溫度稱為完全轉(zhuǎn)變溫度即零電阻溫度Tc0，的大小反映了材料品質(zhì)的好壞，均勻單相的樣品較窄，反之較寬。超導(dǎo)體的電阻轉(zhuǎn)變曲線見(jiàn)圖1。圖1、超導(dǎo)體的電阻轉(zhuǎn)變

5、曲線（2）MEISSNER效應(yīng)1933年，邁斯納等人對(duì)超導(dǎo)圓柱Pb和Sn在垂直其軸向外加磁場(chǎng)下，測(cè)量了超導(dǎo)圓柱外面磁通密度分布，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的現(xiàn)象：不管加磁場(chǎng)的次序如何，超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于0。超導(dǎo)體即使在外磁場(chǎng)中冷卻到超導(dǎo)態(tài)，也永遠(yuǎn)沒(méi)有內(nèi)部磁場(chǎng)。稱之為邁斯納效應(yīng)，如圖2。圖2超導(dǎo)體磁性示意圖（3）臨界磁場(chǎng)把一個(gè)磁場(chǎng)加到超導(dǎo)體之上之后，一定數(shù)量的磁場(chǎng)能量用來(lái)建立屏蔽電流的磁場(chǎng)以抵消超導(dǎo)體的內(nèi)部磁場(chǎng)。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到某一定值時(shí)，它在能量上更有利于使樣品返回正常態(tài)，允許磁場(chǎng)穿透，即破壞了超導(dǎo)電性。對(duì)于一般超導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，在以下，臨界磁場(chǎng)隨溫度下降而增加，有實(shí)驗(yàn)擬合給出與T的關(guān)系很好地遵循拋物線近似

6、關(guān)系（1）此類超導(dǎo)體被稱為第類超導(dǎo)體，如圖3。0TCTHCHc(0)超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)圖3第I類超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)隨溫度的變化關(guān)系Hc1混合態(tài)對(duì)于第超導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，存在兩個(gè)臨界磁場(chǎng)，即在超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)之間存在混合態(tài)，如圖4。實(shí)驗(yàn)用于觀察超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象的超導(dǎo)體即為第超導(dǎo)體。0TCHCHc2超導(dǎo)態(tài)正常態(tài)圖4第類超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)隨溫度的變化關(guān)系（4）臨界電流密度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)超導(dǎo)體通以電流時(shí)，無(wú)阻的超流態(tài)要受到電流大小的限制，當(dāng)電流達(dá)到某一臨界值IC后，超導(dǎo)體將恢復(fù)到正常態(tài)。對(duì)大多數(shù)超導(dǎo)金屬，正常態(tài)的恢復(fù)是突變的。我們稱這個(gè)電流值為臨界電流IC ，相應(yīng)的電流密度為臨界電流密度JC 。對(duì)超導(dǎo)合金、化合物及高溫超導(dǎo)體，電

7、阻的恢復(fù)不是突變，而是隨電流的增加漸變到正常電阻R0。2、電阻溫度特性（1）純金屬材料的電阻溫度特性純金屬晶體的電阻產(chǎn)生于晶體的電子被晶格本身和經(jīng)各種的缺陷的熱振動(dòng)所散射，實(shí)際材料中催在的雜質(zhì)和缺陷也將破壞周期性勢(shì)場(chǎng)，引起電子散射?？傠娮杪士梢员硎緸椋海?）其中表示晶格熱振動(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)系決定與晶格振動(dòng)散射。根據(jù)金屬能帶理論計(jì)算表明：在高溫區(qū)，當(dāng)時(shí)，與T成正比；在低溫區(qū)，當(dāng)時(shí)，與成正比，其中為德拜溫度。表示雜質(zhì)和缺陷對(duì)電子的散射所引起的電阻率與溫度無(wú)關(guān)，與雜質(zhì)和缺陷的密度成正比，稱為剩余電阻率。所以雜質(zhì)與缺陷只會(huì)改變金屬電阻率的數(shù)值，而不會(huì)改變電阻率的溫度

8、系數(shù)。正因?yàn)榻饘匐娮杪手杏幸豁?xiàng)十分依賴于溫度的存在，所以金屬可以用來(lái)作為溫度計(jì)的測(cè)溫元件。鉑電阻溫度關(guān)系如圖5所示，在液氮正常沸點(diǎn)到室溫溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度具有良好的線性關(guān)系。圖5 鉑電阻溫度關(guān)系（2）半導(dǎo)體材料的電阻溫度特性對(duì)于半導(dǎo)體材料，載流子由雜質(zhì)電離及本征激發(fā)產(chǎn)生，故載流子濃度隨溫度變化關(guān)系比較復(fù)雜。本征半導(dǎo)體的電阻率為（3）電阻率由載流子濃度及遷移率決定。但由于載流子濃度隨溫度升高而指數(shù)上升，遷移率隨溫度升高而下降較慢，所以本征半導(dǎo)體的電阻率隨溫度上升而單調(diào)下降，有負(fù)的溫度系數(shù)。對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體，其載流子有雜志電離與本征激發(fā)產(chǎn)生，且存在電離雜質(zhì)散射和聲子散射兩種機(jī)制，故其溫度關(guān)系較復(fù)

9、雜，總體上可以理解為：極低溫度下，幾乎沒(méi)有自由載流子，電導(dǎo)為“雜質(zhì)能級(jí)電導(dǎo)”，電阻隨溫度的上升而迅速下降；低溫下，本征激發(fā)可以忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離產(chǎn)生，濃度隨溫度上升而上升，遷移率隨溫度升高而增加，溫度系數(shù)為負(fù)；溫度再高的飽和區(qū)，本征激發(fā)還不明顯，雜質(zhì)已全部電離，載流子濃度也不再變化，由聲子散射，溫度系數(shù)為正；其后的本征區(qū)，載流子主要由本征激發(fā)提供，濃度隨溫度升高而迅速增加，其溫度系數(shù)又為負(fù)。半導(dǎo)體鍺電阻溫度關(guān)系如圖6所示。圖6 半導(dǎo)體鍺電阻溫度關(guān)系由于半導(dǎo)體在一定溫度范圍內(nèi)具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，根據(jù)半導(dǎo)體低溫區(qū)電阻溫度關(guān)系，可以用半導(dǎo)體制作溫度計(jì)的測(cè)溫元件。半導(dǎo)體在一定溫度范圍內(nèi)具有負(fù)

10、的電阻溫度系數(shù)，根據(jù)半導(dǎo)體低溫區(qū)電阻溫度關(guān)系，用半導(dǎo)體材料做成的溫度計(jì)，可彌補(bǔ)金屬溫度計(jì)在低溫區(qū)電阻值和靈敏度降低的缺陷。如圖7，硅和砷化鎵二極管PN結(jié)的正向電壓隨溫度的降低而升高，在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)有較好的線性關(guān)系和較高的靈敏度。圖7 二極管PN結(jié)的正向電壓溫度關(guān)系三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)裝置（1）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；（2）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；（3）高溫超導(dǎo)體的磁懸浮演示裝置2、實(shí)驗(yàn)步驟：（1）低溫恒溫器和杜瓦容器的結(jié)構(gòu)如圖8所示，其目的是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。低溫恒

11、溫器的核心部件是安裝有超導(dǎo)樣品和鉑電阻溫度計(jì)、硅二極管溫度計(jì)、康銅溫差電偶及25錳銅加熱器線圈的紫銅恒溫快。液氮盛在具有真空夾層的不銹鋼杜瓦容器中。本實(shí)驗(yàn)的主要工作是測(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)標(biāo)定溫度計(jì)?？販爻绦蚴菑母邷氐降蜏?，液氮的溫度為77.4K，裝在杜瓦瓶?jī)?nèi)，簡(jiǎn)便易行的方法是利用液面以上空間存在的溫度梯度來(lái)獲得所需溫度。樣品溫度及降溫速率的控制是靠在測(cè)量過(guò)程中改變低溫恒溫器在杜瓦容器內(nèi)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，只要降溫速率足夠慢，就可認(rèn)為在每一時(shí)刻都達(dá)到了溫度的動(dòng)態(tài)平衡。為了在需要的范圍內(nèi)降溫隨率足夠慢，我們安裝了可調(diào)式定點(diǎn)液面指示計(jì)，可用它來(lái)精確的使液氮面維持在紫銅圓筒底和

12、下?lián)醢逯g距離的1/2處。為了使溫度計(jì)和超導(dǎo)樣品具有較好的溫度一致性，將鉑電阻溫度計(jì)、硅二極管和溫差電偶的測(cè)溫端塞入紫銅恒溫塊的小孔內(nèi)，此外，溫差電偶的參考端從低溫恒溫器底部的小孔伸出，使其在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中都浸沒(méi)在液氮內(nèi)。圖8 低溫恒溫器和杜瓦容器結(jié)構(gòu)（2）四引線測(cè)量法電阻測(cè)量的原理電路如圖9所示。測(cè)量電流由恒流源提供，其大小可有標(biāo)準(zhǔn)電阻Rn上的電壓Un的測(cè)量值得出，如果測(cè)量得出了待測(cè)樣品上的電壓Ux，則待測(cè)樣品的電阻Rx為Rx=UxUnRn圖9 四引線發(fā)測(cè)量電阻低溫物理實(shí)驗(yàn)裝置的原則之一是必須盡可能減小室溫漏熱，因此測(cè)量引線又細(xì)又長(zhǎng)，其阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)如超導(dǎo)樣品阻值。為了減小引線和接觸電阻對(duì)測(cè)量的影

13、響，通常采用四引線測(cè)量法，基本原理是：恒流源通過(guò)兩根電流引線將測(cè)量電流I 提供給待測(cè)樣品，數(shù)字電壓表通過(guò)兩根電壓引線測(cè)量電流I 在樣品上形成的電勢(shì)差U. 由于兩根電壓引線與樣品接點(diǎn)處在兩根電流引線接點(diǎn)之間，排除了電流引線與樣品之間接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響，又?jǐn)?shù)字電壓表輸入阻抗很高，電壓引線電阻以及它們與樣品間的接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響可以忽略不計(jì)。另外，在低溫物理實(shí)驗(yàn)中，即使電路中沒(méi)有來(lái)自外電源的電動(dòng)勢(shì)，只要存在材料的不均勻性和溫差，就有溫差電動(dòng)勢(shì)存在，稱為亂真電動(dòng)勢(shì)或寄生電動(dòng)勢(shì)，所以增設(shè)了電流反向開(kāi)關(guān)，用以進(jìn)一步確定超導(dǎo)電阻確已為零。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理1、樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)量樣品恒流源大小為

14、I=9.9966mA，樣品電壓是50.012mV,標(biāo)準(zhǔn)電阻R=10；在室溫情況下，鉑電阻溫度計(jì)電壓是100.00mV，它的電阻為100。樣品電壓反映了樣品在室溫狀態(tài)下的電阻值。如表1所示為在降溫過(guò)程中鉑溫度計(jì)的數(shù)據(jù)。儀器使用說(shuō)明給出鉑電壓U與溫度T的關(guān)系為T(mén)=au + b 其中a=2.3643，b=29.315。表1超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線的測(cè)量鉑電壓U(mV)溫度T（K）樣品電壓U(mV)樣品電阻R（）鉑電壓U(mV)溫度T（K）樣品電壓U(mV)樣品電阻R（）106.69281.560.0303.0045.00135.710.0161.60106.34280.730.0292.9042.50129.8

15、00.0151.50104.63276.690.0292.9041.50127.430.0151.50102.51271.680.0282.8040.50125.070.0151.50100.00265.750.0282.8039.50122.700.0151.5097.50259.830.0272.7038.50120.340.0151.5095.01253.950.0262.6037.50117.980.0141.4092.50248.010.0262.6036.50115.610.0141.4090.01242.130.0262.6035.50113.250.0141.4087.5023

16、6.190.0252.5034.50110.880.0141.4085.00230.280.0252.5033.50108.520.0131.3082.50224.370.0242.4032.50106.150.0131.3080.00218.460.0242.4031.50103.790.0131.3077.50212.550.0232.3030.50101.430.0121.2075.00206.640.0222.2029.5099.060.0111.1072.50200.730.0222.2028.5096.700.0101.0070.00194.820.0222.2027.5094.3

17、30.0101.0067.50188.910.0212.1027.0093.150.0090.9065.00182.990.0212.1026.0090.790.0010.1062.50177.080.0202.0025.0088.420.0000.0060.00171.170.0202.0024.0086.060.0000.0057.50165.260.0191.9023.0083.690.0000.0055.00159.350.0191.9022.0081.330.0000.0052.50153.440.0181.8021.0078.970.0000.0050.00147.530.0181

18、.8020.0076.600.0000.0047.50141.620.0161.60根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖得到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線如下圖所示：從圖10中以及表格1中可以看出，電阻從96.70K溫度處開(kāi)始急劇下降，而當(dāng)溫度降到90.79K時(shí)，其電阻也就變?yōu)榱懔恕＜闯瑢?dǎo)的起始轉(zhuǎn)變溫度為=96.70K，零電阻溫度=90.79K。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)溫度為=93.75K，說(shuō)明該樣品的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為93.75K。2、高溫超導(dǎo)體的磁懸浮演示（1）混合態(tài)效應(yīng)先把磁塊放到高溫超導(dǎo)盤(pán)片上，然后慢慢注入液氮冷卻它（場(chǎng)冷）。當(dāng)高溫超導(dǎo)盤(pán)片達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)后，將塑料薄片抽走后，會(huì)發(fā)現(xiàn)磁塊會(huì)被懸浮起來(lái)，并且超導(dǎo)體與磁塊之間達(dá)到一種自穩(wěn)定狀態(tài)，

19、很穩(wěn)定的懸浮在超導(dǎo)樣品上空，并且很難被移動(dòng)。這是因?yàn)樵诖艌?chǎng)下冷卻到超導(dǎo)臨界溫度以下后，高溫超導(dǎo)體進(jìn)入了混合態(tài)，部分磁力線被排斥，部分磁力線被釘扎。（2）完全抗磁性（零場(chǎng)冷）先把超導(dǎo)盤(pán)片冷卻到超導(dǎo)臨界溫度以下，再把磁塊慢慢放到超導(dǎo)盤(pán)片上。這時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)磁塊與超導(dǎo)盤(pán)片之間有斥力的作用，磁塊也懸浮在超導(dǎo)樣品上空，但是并不穩(wěn)定。這是因?yàn)榇帕€完全被排斥在超導(dǎo)體外，超導(dǎo)體具有完全抗磁性。3、高溫超導(dǎo)體的磁懸浮力測(cè)量在測(cè)量超導(dǎo)體的磁懸浮力的實(shí)驗(yàn)上，我們分別在無(wú)磁場(chǎng)的情況下與有磁場(chǎng)的情況下讓超導(dǎo)體發(fā)生相變，測(cè)量其磁懸浮力。（1）零場(chǎng)冷在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，我們令磁體從遠(yuǎn)距離逐漸接近超導(dǎo)體，在幾乎接觸時(shí)再逐漸遠(yuǎn)離，測(cè)量這一過(guò)程中的受力。儀器上，顯示力為正值時(shí)表示的是排斥力，負(fù)值時(shí)為吸引力。實(shí)驗(yàn)測(cè)得無(wú)磁場(chǎng)下的超導(dǎo)體的磁懸浮力如圖11所示圖11、零