高温超导材料特性测量

实验十六 高温超导材料特性测量 1911 年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98 °C 时，汞的 电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的 特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态卡茂林由于他的这一发现获 得了 1913 年诺贝尔奖 1933 年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当 金属处在超导状态时，这时超导体内的磁感应强度为零，在对单晶锡球进行实验发现：锡 球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之 外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应” 为了寻找更适于应用的超导材料，几十年来，物理学家广泛搜查各种元素的低温特 性除了汞、锡和铅以外，又发现铟、铊和镓也有超导特性，这些材料都是金属，而且具 有柔软易熔的共同性质，后来迈斯纳把试验扩展到坚硬难熔的金属元素，又发现了钽、铌、 钛和钍等金属具有超导特性当磁冷却法应用于低温后，在极低温区（1 K 以下）又找到 了许多金属元素和合金有超导迹象如今甚至已经知道上千种物质的超导特性，可是，它 们的转变温度都在液氦温度附近或在 1 K 以下 高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重要课题 自从发现超导电性以来， 人们逐渐认识到超导技术有广泛应用的潜在价值，世界各国花了很大力气开展这方面的工 作但是超导转变温度太低，离不开昂贵的液氦设备所以，从卡末林-昂内斯的时代起， 人们就努力探索提高超导转变临界温度Tc的途径 1986 年夏，当时在瑞士工作的物理学家瑞士物理学家缪勒和德国物理学柏诺兹发现， 一类特殊的铜氧化物超导转变温度高达近 40 K 1987 年初，在美国工作的华裔科学家吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达 90 K 的超导体，几天后，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独 立地发现了超导转变温度为 100 K 以上的超导体超导体不能在液氮温区（78 K）工作的 禁区终于被打破了氮的液化是一种广泛应用的技术 1987 年诺贝尔物理奖授予柏诺兹和缪勒，以表彰他们在发现陶瓷材料中的超导电性所 作的重大突破 低温物理已成为物理学科的一个重要分支 低温技术在其它领域也获得了重要的应用， 如空间技术使用低温技术来获得火箭燃料液氢、液氧，用低温技术模拟宇宙空间的真空和 低温环境，以便进行太空模拟试验用低温技术可较长时间保存人体或生物的活组织，为 医学、生物等领域的研究开辟了新的途径 本实验的温度范围从液氮温度（77 K）变化到室温 【实验目的】 】 1了解高临界温度超导材料的基本电特性和测量方法； 2了解低温下半导体 PN 结的伏安特性与温度的关系； 3了解低温实验的测量方法 - 85 - 【实验原理】 1 2图 1 超导材料的电阻转变曲线 1.高温超导材料电性 1911 年，卡末林-昂内斯发 现，将汞冷却到-268.98 °C 时， 汞的电阻突然消失 后来他又发 现许多金属和合金都具有与上 述汞相类似的低温下失去电阻 的特性， 通常把具有这种特性的 材料称为超导体 超导现象是超 导材料的主要性质之一 把超导 体电阻突然变为零时温度称为 超导转变温度 转变温度并不是只由温度 决定，只有保持在外磁场、流经电流和应力等值足够低时，超导样品的转变温度被称为超 导临界转变温度Tc由于一般上述条件不能完全满足（比如地磁场） ，而且超导转变往往有 一个区域，因此引入起始转变温度Tconset，零电阻温度Tc0，和中点转变温度T cm来表示，一般所说的转变温度Tc指的是Tcm 高温超导体样品超导特性的测量采用如图 2 所 示的四端接法，外两根导线为电流端，内两根导线 为电压端，这样可以避免引线电阻和接触电阻带来 的测量误差 图 2 四端接线法 2PN 结伏安特性与温度的关系 在半导体理论中可导出 PN 结的电压 V 和电流 密度 J 关系 =+TkVVqATJBgr) ( exp23（1） 其中常数r 1， A是比例因子，ggEqV =， Eg是禁带宽度，Vg 称能隙电压J-V关系曲线如图 3 所示 对上式两边取对数，整理后得到 gBVTTr AJ qkV+ +=ln)23(ln （2） 在正常情况下，V 0.5 时，金属的电阻正比于温度 T，其中 是德拜温度 Bkhmax= （4） - 87 - 式中h是普朗克常数，kB 是玻尔兹曼常数，vmax 是晶格极大频率 上述结论是对纯金属而言，而实际上金属存在杂质、缺陷、位错等，它们会对金属造 成附加电阻，这部分电阻近似地与温度无关在金属的纯度很高时，金属的总电阻率可表 示为 ( )0+=Ti（5） 在液氮温度以上时， i（T）>> 0，因此有 i（T） 在液氮温度到室温的范围内， 其电阻近似与绝对温度T成正比 铂的性能稳定，电阻的温度系数较高，不易氧化，线性好，复现性好，常被用作温度 的精密测量，其测量范围的低温端可达 13.81 K 【实验仪器】 实验系统包括漏热式恒温器，杜瓦瓶，恒流电源，控温器，和微伏电压表等 【实验内容】 1测量高温超导体的转变温度TC 2测量PN结与温度的关系，做V-T的关系曲线对每一温度点，恒流电流分别取 1 A 和 50 A，可做出两条斜率不同的曲线，其反向延长交于T= 0 K位置，即可求出能隙电压Vg 【注意事项】 1所有盛放低温液体的容器不能盖严，必须留有供蒸汽逸出的孔道 2灌入低温液体时，开始要慢，实验装置不要壁 3注意避免低温液体触及人体，以免冻伤 4注意保护杜瓦容器 【思考题】 1在测量时，如何判断铜块已处在恒温状态？ 2降温和升温时测试的曲线可能不重合，是什么原因？ 【参考文献】 1 阎守胜，陆果低温物理实验的原理与方法 2 田诏静一低温 3 低温技术南京大学低温物理教研室 4 赵忠贤1999 科学发展报告科学出版社 5 蔡明忠低温测温和量热技术机械工业出版社 - 88 -