近代物理實驗報告-高溫超導材料的特性與表征

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)近代物理實驗報告高溫超導材料的特性與表征【摘要】本實驗主要通過對YBaCuO高溫超導材料特性的測量，理解超導體的兩個基本特性，即完全導電性和完全抗磁性。本實驗利用液氮將高溫超導材料YBaCuO降溫，用鉑電阻溫度計測量溫度，用電壓表測得超導體電阻，得到超導體電阻溫度曲線，測得該樣品的超導轉變溫度為93.75K；再通過超導磁懸浮實驗了高溫超導材料的磁特性，得到分別在零場冷卻，有場冷卻下的超導體的磁懸浮力與超導體-磁體間距的關系曲線。【關鍵詞】高溫超導、液氮、鉑電阻、MEIS

2、SNER效應、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電現(xiàn)象。1933年，邁斯納發(fā)現(xiàn)超導體內(nèi)部的磁場是保持不變，而且為零，這個現(xiàn)象叫邁斯納效應。950，弗留里希首先給出了超導微觀機制的一個重要線索。他認為電子-晶格振動之間相互作用導致電子之間相互吸引時引起超導的原因。1957年，巴丁、庫柏和施里弗共同提出了超導電性的微觀理論，稱為BCS理論。1972年他們?nèi)斯餐@得了諾貝爾物理學獎。自從發(fā)現(xiàn)超導電性以來，人們就努力探索提高超導轉變臨界溫度的途徑。幾十年來，物理學家發(fā)現(xiàn)除了汞、錫和鉛以外，又發(fā)現(xiàn)銦、鉈和鎵也有超導特性，后來又發(fā)現(xiàn)了鈮、鈦、釷等金屬具有超導特性。

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

4、有在直流的情況下才能有零電阻現(xiàn)象。理論上，超導臨界溫度的定義為：當電流、電場及其他外部條件保持威靈活不影響轉變溫度測量的足夠低值時，超導體呈現(xiàn)超導態(tài)的最高溫度。實驗上，用電阻法測臨界溫度時，通常把降溫過程中電阻溫度曲線開始從直線偏離處的溫度稱為起始轉變溫度Tc,onset，把臨界溫度Tc定義為待測樣品電阻從起始轉變處下降到一半時對應的溫度，也稱作超導轉變的中點溫度Tcm，把電阻變化10%-90%所對應的溫度間隔定義為轉變寬度，電阻剛剛完全降到零時的溫度稱為完全轉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。超導體的電阻轉變曲線見圖1。圖1、超導體的電阻轉變

5、曲線（2）MEISSNER效應1933年，邁斯納等人對超導圓柱Pb和Sn在垂直其軸向外加磁場下，測量了超導圓柱外面磁通密度分布，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的現(xiàn)象：不管加磁場的次序如何，超導體內(nèi)部磁感應強度總是等于0。超導體即使在外磁場中冷卻到超導態(tài)，也永遠沒有內(nèi)部磁場。稱之為邁斯納效應，如圖2。圖2超導體磁性示意圖（3）臨界磁場把一個磁場加到超導體之上之后，一定數(shù)量的磁場能量用來建立屏蔽電流的磁場以抵消超導體的內(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。對于一般超導體來說，在以下，臨界磁場隨溫度下降而增加，有實驗擬合給出與T的關系很好地遵循拋物線近似

6、關系（1）此類超導體被稱為第類超導體，如圖3。0TCTHCHc(0)超導態(tài)正常態(tài)圖3第I類超導體臨界磁場隨溫度的變化關系Hc1混合態(tài)對于第超導體來說，存在兩個臨界磁場，即在超導態(tài)與正常態(tài)之間存在混合態(tài)，如圖4。實驗用于觀察超導磁懸浮現(xiàn)象的超導體即為第超導體。0TCHCHc2超導態(tài)正常態(tài)圖4第類超導體臨界磁場隨溫度的變化關系（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。我們稱這個電流值為臨界電流IC ，相應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

7、阻的恢復不是突變，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所散射，實際材料中催在的雜質(zhì)和缺陷也將破壞周期性勢場，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對電子散射引起的電阻率，與溫度有關，電阻與溫度的關系決定與晶格振動散射。根據(jù)金屬能帶理論計算表明：在高溫區(qū)，當時，與T成正比；在低溫區(qū)，當時，與成正比，其中為德拜溫度。表示雜質(zhì)和缺陷對電子的散射所引起的電阻率與溫度無關，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)與缺陷只會改變金屬電阻率的數(shù)值，而不會改變電阻率的溫度

8、系數(shù)。正因為金屬電阻率中有一項十分依賴于溫度的存在，所以金屬可以用來作為溫度計的測溫元件。鉑電阻溫度關系如圖5所示，在液氮正常沸點到室溫溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度具有良好的線性關系。圖5 鉑電阻溫度關系（2）半導體材料的電阻溫度特性對于半導體材料，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系比較復雜。本征半導體的電阻率為（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，所以本征半導體的電阻率隨溫度上升而單調(diào)下降，有負的溫度系數(shù)。對雜質(zhì)半導體，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制，故其溫度關系較復

9、雜，總體上可以理解為：極低溫度下，幾乎沒有自由載流子，電導為“雜質(zhì)能級電導”，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；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。半導體鍺電阻溫度關系如圖6所示。圖6 半導體鍺電阻溫度關系由于半導體在一定溫度范圍內(nèi)具有負的電阻溫度系數(shù)，根據(jù)半導體低溫區(qū)電阻溫度關系，可以用半導體制作溫度計的測溫元件。半導體在一定溫度范圍內(nèi)具有負

10、的電阻溫度系數(shù)，根據(jù)半導體低溫區(qū)電阻溫度關系，用半導體材料做成的溫度計，可彌補金屬溫度計在低溫區(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結的正向電壓隨溫度的降低而升高，在相當寬的溫度范圍內(nèi)有較好的線性關系和較高的靈敏度。圖7 二極管PN結的正向電壓溫度關系三、實驗內(nèi)容1、實驗裝置（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）電測量部分主要包括BW2型高溫超導材料特性測試裝置和PZ158型直流數(shù)字電壓表；（3）高溫超導體的磁懸浮演示裝置2、實驗步驟：（1）低溫恒溫器和杜瓦容器的結構如圖8所示，其目的是得到從液氮的正常沸點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樣品和鉑電阻溫度計、硅二極管溫度計、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。本實驗的主要工作是測量超導轉變曲線，并在液氮正常沸點附近的溫度范圍內(nèi)標定溫度計?？販爻绦蚴菑母邷氐降蜏?，液氮的溫度為77.4K，裝在杜瓦瓶內(nèi)，簡便易行的方法是利用液面以上空間存在的溫度梯度來獲得所需溫度。樣品溫度及降溫速率的控制是靠在測量過程中改變低溫恒溫器在杜瓦容器內(nèi)的位置來實現(xiàn)，只要降溫速率足夠慢，就可認為在每一時刻都達到了溫度的動態(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)式定點液面指示計，可用它來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。為了使溫度計和超導樣品具有較好的溫度一致性，將鉑電阻溫度計、硅二極管和溫差電偶的測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，使其在整個實驗中都浸沒在液氮內(nèi)。圖8 低溫恒溫器和杜瓦容器結構（2）四引線測量法電阻測量的原理電路如圖9所示。測量電流由恒流源提供，其大小可有標準電阻Rn上的電壓Un的測量值得出，如果測量得出了待測樣品上的電壓Ux，則待測樣品的電阻Rx為Rx=UxUnRn圖9 四引線發(fā)測量電阻低溫物理實驗裝置的原則之一是必須盡可能減小室溫漏熱，因此測量引線又細又長，其阻值遠遠超過如超導樣品阻值。為了減小引線和接觸電阻對測量的影

13、響，通常采用四引線測量法，基本原理是：恒流源通過兩根電流引線將測量電流I 提供給待測樣品，數(shù)字電壓表通過兩根電壓引線測量電流I 在樣品上形成的電勢差U. 由于兩根電壓引線與樣品接點處在兩根電流引線接點之間，排除了電流引線與樣品之間接觸電阻對測量的影響，又數(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測量的影響可以忽略不計。另外，在低溫物理實驗中，即使電路中沒有來自外電源的電動勢，只要存在材料的不均勻性和溫差，就有溫差電動勢存在，稱為亂真電動勢或寄生電動勢，所以增設了電流反向開關，用以進一步確定超導電阻確已為零。四、實驗結果及數(shù)據(jù)處理1、樣品的超導轉變曲線的測量樣品恒流源大小為

14、I=9.9966mA，樣品電壓是50.012mV,標準電阻R=10；在室溫情況下，鉑電阻溫度計電壓是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所示為在降溫過程中鉑溫度計的數(shù)據(jù)。儀器使用說明給出鉑電壓U與溫度T的關系為T=au + b 其中a=2.3643，b=29.315。表1超導轉變曲線的測量鉑電壓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)實驗數(shù)據(jù)作圖得到超導轉變曲線如下圖所示：從圖10中以及表格1中可以看出，電阻從96.70K溫度處開始急劇下降，而當溫度降到90.79K時，其電阻也就變?yōu)榱懔?。即超導的起始轉變溫度為=96.70K，零電阻溫度=90.79K。超導轉變的中點溫度為=93.75K，說明該樣品的超導轉變溫度為93.75K。2、高溫超導體的磁懸浮演示（1）混合態(tài)效應先把磁塊放到高溫超導盤片上，然后慢慢注入液氮冷卻它（場冷）。當高溫超導盤片達到超導狀態(tài)后，將塑料薄片抽走后，會發(fā)現(xiàn)磁塊會被懸浮起來，并且超導體與磁塊之間達到一種自穩(wěn)定狀態(tài)，

19、很穩(wěn)定的懸浮在超導樣品上空，并且很難被移動。這是因為在磁場下冷卻到超導臨界溫度以下后，高溫超導體進入了混合態(tài)，部分磁力線被排斥，部分磁力線被釘扎。（2）完全抗磁性（零場冷）先把超導盤片冷卻到超導臨界溫度以下，再把磁塊慢慢放到超導盤片上。這時，會發(fā)現(xiàn)磁塊與超導盤片之間有斥力的作用，磁塊也懸浮在超導樣品上空，但是并不穩(wěn)定。這是因為磁力線完全被排斥在超導體外，超導體具有完全抗磁性。3、高溫超導體的磁懸浮力測量在測量超導體的磁懸浮力的實驗上，我們分別在無磁場的情況下與有磁場的情況下讓超導體發(fā)生相變，測量其磁懸浮力。（1）零場冷在無磁場時，我們令磁體從遠距離逐漸接近超導體，在幾乎接觸時再逐漸遠離，測量這一過程中的受力。儀器上，顯示力為正值時表示的是排斥力，負值時為吸引力。實驗測得無磁場下的超導體的磁懸浮力如圖11所示圖11、零