4高臨界溫度超導體臨界溫度的電阻測量法

實驗4. 4高臨界溫度超導體臨界溫度的電阻測量法 一、引言 早在1911年荷蘭物理學家卡麥林?翁納斯( Kamerlingh qnnes)發(fā)現(xiàn)，將水銀冷卻到 稍低于4.2K時，其電阻急劇地下降到零。他認為，這種電阻突然消失的現(xiàn)象，是由于物質 轉變到了一種新的狀態(tài)，并將此以零電阻為特征的金屬態(tài)，命名為超導態(tài)。 1933年邁斯納 (Meissnner)和奧森菲爾德(Ochsenfeld)發(fā)現(xiàn)超導電性的另一特性：超導態(tài)時磁通密度為 零或叫完全抗磁性，即 Meissnner效應。電阻為零及完全抗磁性是超導電性的兩個最基本的 特性。超導體從具有一定電阻的正常態(tài)， 轉變?yōu)殡娮铻榱愕某瑢B(tài)時， 所處的溫度叫做臨界 溫度，常用Tc表示。直至1986年以前，人們經過7。多年的努力才獲得了最高臨界溫度為 23K的Nb3Ge超導材料。1986年4月，Bednorz和 M dler創(chuàng)造性地提出了在 Ba-La-Cu-O 系化合物中存在高 Tc超導的可能性。1987年初，中國科學院物理研究所趙忠賢等在這類氧 化物中發(fā)現(xiàn)了 Tc=48K的超導電性。同年 2月份，美籍華裔科學家朱經武在 Y-Ba-Cu-O系 中發(fā)現(xiàn)了 Tc=90K的超導電性。這些發(fā)現(xiàn)使人們夢寐以求的高溫超導體變成了現(xiàn)實的材料， 可以說這是科學史上又一次重大的突破。其后，在 1988年1月，日本科學家 Hirashi Maeda 報道研制出臨界溫度為 106K的Bi _Sr-Ca-Cu-O系新型高溫超導體。同年 2月，美國阿肯 薩斯大學的 Allen Hermann和乙乙Sheng等發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為 106K的Tl-Ba-Ca-Cu-O系 超導體。一個月后， 舊M的Almaden又將這種體系超導體的臨界溫度提高到了 125K。1989 年5月，中國科技大學的劉宏寶等通過用 Pb和Sb對Bi的部分取代，使 Bi -Sr-Ca-Cu-O 系超導材料的臨界溫度提高到了 130K。這是迄今所報道的最高的臨界溫度。氧化物超導材 料成材困難、韌性差、臨界電流密度低，臨界磁場不高等缺點局限了高溫超導材料的應用， 但已有包銀州銀鈣銅氧組成線材獲得越來越多的應用。 二、實驗目的 1 .分別利用動態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法測量高臨界溫度氧化物超導材料的電阻率隨溫度的變化關系。 2 .通過實驗掌握利用液氮容器內的低溫空間改變氧化物超導材料溫度、測溫及控溫的原 理和方法。 3 .學習利用四端子法測量超導材料電阻和熱電勢的消除等基本實驗方法以及實驗結果的分 析與處理。 三、實驗原理 1 .臨界溫度Tc的定義及其規(guī)定 超導體具有零電阻效應，通常把外部條件(磁場、電流、應力等)維持在足夠低值時電 阻突然變?yōu)榱愕臏囟确Q為超導臨界溫度。 實驗表明，超導材料發(fā)生正常 一超導轉變時，電阻 的變化是在一定的溫度間隔中發(fā)生， 而不是突然變?yōu)榱愕模?如圖1所示。起始溫度Ts(Onset Point)為RJ曲線開始偏離線性所對應的溫度；中點溫度 Tm (Mid Point)為電阻下降至起 始溫度電阻Rs的一半時的溫度；零電阻溫度T為電阻降至零時的溫度。 而轉變寬度 AT定義 為Rs下降到90%及10%所對應的溫度間隔。高 Tc材料發(fā)現(xiàn)之前，對于金屬、合金及化合物 等超導體，長期以來在測試工作中，一般將中點溫度定義為 Tc,即Tc=Tm。對于高 L氧化 物超導體，由于其轉變寬度 AT較寬，有些新試制的樣品 AT可達十幾K,再沿用傳統(tǒng)規(guī)定 容易引起混亂。因此，為了說明樣品的性能，目前發(fā)表的文章中一般均給出零電阻溫度 T(R=0) 的數值，有時甚至同時給出上述的起始溫度、 中點溫度及零電阻溫度。而所謂零電阻在測量 中總是與測量儀表的精度、樣品的幾何形狀及尺寸、電極間的距離以及流過樣品的電流大小 2 .樣品電極的制作 即使是精心制作的電極, 恒流電源 目前所研制的高Tc氧化物超導材料多為質地松脆的陶瓷材料, 電極與材料間的接觸電阻也常達零點幾歐姆，這與零電阻 的測量要求顯然是不符合的。為消除接觸電阻對測量的影 響，常采用圖2所示的四端子法。兩根電流引線與直流恒 超導樣品 接電位差計或直流微伏計 流電源相連，兩根電壓引線連至數字電壓表或經數據放大器放大后接至 X-Y記錄儀，用來 檢測樣品的電壓。按此接法，電流引線電阻及電極 1, 4與樣品的接觸電阻與 2, 3端的電壓 測量無關。2, 3兩電極與樣品間存在接觸電阻，通向電壓表的引線也存在電阻，但是由于 電壓測量回路的高輸入阻抗特性， 吸收電流極小，因此能避免引線和接觸電阻給測量帶來的 影響。按此法測得電極2, 3端的電壓除以流過樣品的電流， 即為樣品電極2, 3端間的電阻。 3 .溫度控制及測量 臨界溫度Tc的測量工作取決于合理的溫度控制及正確的溫度測量。目前高 Tc氧化物超 導材料的臨界溫度大多在 60K以上，因而冷源多用液氮。純凈液氮在一個大氣壓下的沸點 為7 7 . 3 4 8 K,三相點為6 3 . 1 4 8 K ,但在實際使用中由于液氮的不純，沸點稍高 而三相點稍低(嚴格地說，不純凈的液氮不存在三相點)。對三相點和沸點之間的溫度，只 要把樣品直接浸入液氮，并對密封的液氮容器抽氣降溫，一定的蒸氣壓就對應于一定的溫度。 在77K以上直至300K,常采用如下兩種基本方法。 (1)普通恒溫器控溫法。低溫恒溫器通常是指這樣的實驗裝置。它利用低溫流體或其 他方法，使樣品處在恒定的或按所需方式變化的低溫溫度下， 并能對樣品進行一種或多種物 理量的測量。這里所稱的普通恒溫器控溫法， 指的是利用一般絕熱的恒溫器內的鎰銅線或饃 銘線等繞制的電加熱器的加熱功率來平衡液池冷量， 從而控制恒溫器的溫度穩(wěn)定在某個所需 的中間溫度上。改變加熱功率，可使平衡溫度升高或降低。由于樣品及溫度計都安置在恒溫 器內并保持良好的熱接觸，因而樣品的溫度可以嚴格控制并被測量。 這樣控溫方式的優(yōu)點是 控溫精度較高，溫度的均勻性較好， 溫度的穩(wěn)定時間長。 用于電阻法測量時，可以同時測量 多個樣品。由于這種控溫法是點控制的， 因此普通恒溫器控溫法應用于測量時又稱定點測量 法。 由于恒溫器與低溫液體直接接觸， 有較多的冷量需較大的功率來平衡， 同時各點的溫度 難于平衡，為了解決這個問題，只要減小冷量就可以了， 一個簡便的方法是在恒溫器外包一 層保溫材料來制成絕熱恒溫器就可簡單地控溫。 (2)溫度梯度法。這是指利用貯存液氮的杜瓦容器內液面以上空間存在的溫度梯度來 自然獲取中間溫度的一種簡便易行的控溫方法。 樣品在液面以上不同位置獲得不同溫度。 為 正確反映樣品的溫度，通常要設計一個紫銅均溫塊，將溫度計和樣品與紫銅均溫塊進行良好 的熱接觸。紫銅塊連結至一根不銹鋼管，借助于不銹鋼管進行提拉以改變溫度。 本實驗的恒溫器設計綜合上述兩種基本方法, 測量，以便進行兩種測量方法和測量結果的比較。 既能進行動態(tài)測量，也能進行定點的穩(wěn)態(tài) 4 .熱電勢及熱電勢的消除 用四端子法測量樣品在低溫下的電阻時常會發(fā)現(xiàn)， 即使沒有電流流過樣品， 電壓端也常 能測量到幾微伏至幾十微伏的電壓降。而對于高 Tc超導樣品，能檢測到的電阻常在 10，~10,◎之間，測量電流通常取 100 g至100mA左右。據此換算，由于電流流過樣品而 在電壓引線端產生的電壓降只在 10/心~10」心之間，因而熱電勢對測量的影響很大， 若不 采取有效的測量方法予以消除， 有時會將良好的超導樣品誤作非超導材料， 造成錯誤的判斷。 測量中出現(xiàn)的熱電勢主要來源于樣品上的溫度梯度。 為什么放在恒溫器上的樣品會出現(xiàn) 溫度的不均勻分布呢？這取決于樣品與均溫塊熱接觸的狀況。若樣品簡單地壓在均溫塊上， 樣品與均溫塊之間的接觸熱阻較大。 同時樣品本身有一定的熱阻也有一定的熱容。 當均溫塊 溫度變化時，樣品溫度的弛豫時間與上述熱阻及熱容有關， 熱阻及熱容的乘積越大， 弛豫時 間越長。特別在動態(tài)測量情形，樣品各處的溫度弛豫造成的溫度分布不均勻不能忽略。 即使 在穩(wěn)態(tài)的情形，若樣品與均溫塊之間只是局部熱接觸 (如不平坦的樣品面與平坦的均溫塊接 觸)，由引線的漏熱等因素將造成樣品內形成一定的溫度梯度。 樣品上的溫差A T會引起載 流子的擴散，產生熱電勢 E。 E=S AT S是樣品的微分熱電勢，其單位是 W R,。 對高Tc超導樣品熱電勢的討論比較復雜，它與載流子的性質以及電導率在費密面上的 分布有關，利用熱電勢的測量可以獲知載流子性質的信息。 對于同時存在兩種載流子的情況, 它們對熱電勢的貢獻要乘一權重，滿足所謂 Nordheim-Gorter法則: S=7SA Sb 式中Sa, Sb是A, B兩種載流子本身的熱電勢， 貝，電分別為A, B兩種載流子相應的 電導率。節(jié)%+田。材料處在超導態(tài)時， S=0。 為消除熱電勢對測量電阻率的影響，通常采取下列措施: (1)對于動態(tài)測量。應將樣品制得薄而平坦。樣品的電極引線盡量采用直徑較細的導 線，例如直徑小于 0.1mm的銅線。電極引線與均溫塊之間要建立較好的熱接觸，以避免外 界熱量經電極引線流向樣品。 同時樣品與均溫塊之間用導熱良好的導電銀漿粘接， 以減少熱 弛豫帶來的誤差。另一方面，溫度計的響應時間要盡可能小， 與均溫塊的熱接觸要良好，測 量中溫度變化應該相對緩慢。 對于動態(tài)測量中電阻不能下降到零的樣品， 不能輕易得出該樣 品不超導的結論，而應該在液氮溫度附近，通過后面所述的電流換向法或通斷法檢查。 (2)對于穩(wěn)態(tài)測量。當恒溫器上的溫度計達到平衡值時，應觀察樣品兩側電壓電極間 的電壓降及疊加的熱電勢值是否趨向穩(wěn)定，穩(wěn)定后可以采用如下方法。 ①電流換向法：將恒流電源的電流 I反向，分別得到電壓測量值 Ua, Ub,則超導材料 兩側電壓電極間的電阻為 U a -U b 2I ②電流通斷法：切斷恒流電源的電流, 此時電壓電極間測量到的電壓即是樣品及引線的 積分熱電勢，通電流后得到新的測量值, 減去熱電勢即是真正的電壓降。 若通斷電流時測量 值無變化，表明樣品已經進入超導態(tài)。 四、實驗儀器 1 .低溫恒溫器 實驗用的恒溫器如圖 3所示，均溫塊1是一塊經過加工 的紫銅塊，利用其良好的導熱性能來取得較好的溫度均勻區(qū)， 使固定在均溫塊上的樣品和溫度計的溫度趨于一致。銅套 2 的作用是使樣品與外部環(huán)境隔離，減小樣品溫度波動。提拉 桿3采用低熱導的不銹鋼管以減少對均溫塊的漏熱，經過定 標的鉗電阻溫度計 4及加熱器5與均溫塊之間既保持良好的 熱接觸又保持可靠的電絕緣。測試用的液氮杜瓦瓶宜采用漏 熱小，損耗率低的產品，其溫度梯度場的穩(wěn)定性較好，有利 于樣品溫度的穩(wěn)定。為便于樣品在液氮容器內的上下移動， 附設相應的提拉裝置。 2 .測量儀器 測量儀由安裝了樣品的低溫恒溫器， 測溫、控溫儀器，數據采集、 傳輸和處理系統(tǒng)以及 電腦組成，既可進行動態(tài)法實時測量， 也可進行穩(wěn)態(tài)法測量。 動態(tài)法測量時可分別進行不同 電流方向的升溫和降溫測量， 以觀察和檢測因樣品和溫度計之間的動態(tài)溫差造成的測量誤差 以及樣品及測量回路熱電勢給測量帶來的影響。 動態(tài)測量數據經測量儀器處理后直接進入電 腦X，記錄儀顯示、處理或打印輸出，穩(wěn)態(tài)法測量結果經由鍵盤輸入計算機作出 R-T特性 供分析處理或打印輸出。 五、實驗內容 1 .利用動態(tài)法在電腦 X-Y記錄儀上分別畫出樣品在升溫和降溫過程中的電阻一溫度曲線。 2 .樣品加裝保溫套后，重新進行升溫和降溫過程動態(tài)測量。 3 .利用穩(wěn)態(tài)法，在液氮溫度與室溫之間測出樣品的 R4分布。 4 .對實驗數據進行處理、分析。 5 .對實驗結果進行討論。 圖4高Tc超導體電阻一溫度特性測量儀工作原理示意圖 1.超導樣品；2.鉗電阻溫度傳感器；3.加熱器；4.參考電阻；5.恒流源；6.恒流源；7.微 伏放大器；8.微伏放大器；9.放大器；10.功率放大器；11. PID; 12.溫度設定；13.比較 器；14.數據采集、處理、傳輸系統(tǒng) 六、注意事項 1 .動態(tài)法測量時，熱弛豫對測量的影響很大。它對熱電勢的影響隨升降溫速度變化以及相 變點的出現(xiàn)可能產生不同程度的變化。應善于利用實驗條件、觀察熱電勢的影響。 2 .動態(tài)法測量中樣品溫度與溫度計溫度難以一致，應觀察不同的升降溫速度對這種不一致 的影響。 3 .進行穩(wěn)態(tài)法測量時可以選擇樣品在液面以上的合適高度作為溫度的粗調，而以電腦給定 值作為溫度的細調。 七、數據記錄與處理 八、思考題 1 .超導樣品的電極為什么一定要制作成如圖 2所示的四端子接法？假定每根引線的電阻為 0.1 Q,電極與樣品間的接觸電阻為 0.2Q,數字電壓表內阻為 10M 試用等效電路分析當 樣品進入超導態(tài)時，直接用萬用表測量與采用圖 2接法測量有何不同？ 答： 2 .設想一下，本實驗適宜先做動態(tài)法測量還是穩(wěn)態(tài)法測量？為什么？ 答： 3 .本實驗的動態(tài)法升降溫過程獲得的 R-T曲線有哪些具體差異？為什么會出現(xiàn)這些差異？ 答： 4 .給出實驗所用樣品的超導起始溫度、中間溫度和零電阻溫度，分析實驗的精度。 答： 5 .實驗中如何保證溫度計測量的溫度與樣品溫度是相同的？ 答：