高溫超導(dǎo)材料的特性與表征

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1、高溫超導(dǎo)材料的特性與表征學(xué)號(hào)：201011141961姓名：郭雪鵬指導(dǎo)老師：王老師日期：2012/10/31摘要：本實(shí)驗(yàn)通過液氮降溫法測(cè)量了超導(dǎo)樣品的電阻轉(zhuǎn)變曲線，確定起始轉(zhuǎn)變和零電阻溫度分別96.437K和86.791K。并以鉑電阻溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)，得到了硅二極管的正向電壓值與溫度的變化曲線；演示高溫超導(dǎo)體磁懸浮現(xiàn)象；定量測(cè)量了在零場(chǎng)冷和場(chǎng)冷條件下的磁懸浮力和超導(dǎo)體—磁體間距的，關(guān)系曲線。關(guān)鍵詞：高溫超導(dǎo)體零電阻現(xiàn)象MEISSNER效應(yīng)磁懸浮1引言從1991年荷蘭物理學(xué)家H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)低溫超導(dǎo)體，超導(dǎo)科技發(fā)展大體經(jīng)歷了三個(gè)階段：1911年到1

2、957年BCS超導(dǎo)微觀理論問世，核心是提出庫(kù)珀電子對(duì)；1958年到1985年是超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，成功研制強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)材料，發(fā)現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)；第三階段是1986年發(fā)現(xiàn)高于30K的超導(dǎo)材料，進(jìn)入超導(dǎo)技術(shù)開發(fā)時(shí)代。超導(dǎo)研究領(lǐng)域的系列最新進(jìn)展，為超導(dǎo)技術(shù)在更方面的應(yīng)用開辟了十分廣闊的前景。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^對(duì)氧化物高溫超導(dǎo)材料的測(cè)量與演示，加深理解超導(dǎo)體兩個(gè)基本特性；了解超導(dǎo)磁懸浮原理；了解金屬和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化以及溫差電效應(yīng)；掌握低溫物理實(shí)驗(yàn)的基本方法：低溫的獲得、控制和測(cè)量。2原理2.1超導(dǎo)現(xiàn)象、臨界參數(shù)及實(shí)用超導(dǎo)體1）零電阻現(xiàn)象圖1超導(dǎo)體的電

3、阻轉(zhuǎn)變曲線將物體冷卻到某一臨界溫度Tc以下時(shí)電阻突然降為零的現(xiàn)象，成為超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。不同的超導(dǎo)體的臨界溫度各不相同。用電阻法測(cè)量臨界溫度，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(zhuǎn)變溫度，臨界溫度定義為待測(cè)樣品電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一半對(duì)應(yīng)的溫度，也稱作超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)溫度。電阻變化10%到90%所對(duì)應(yīng)的溫度間隔定義為轉(zhuǎn)變寬度，電阻完全降到零時(shí)的溫度為零電阻溫度。2）MEISSNER效應(yīng)超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度等于0，與加磁場(chǎng)順序無關(guān)。圖2超導(dǎo)體磁性3）臨界磁場(chǎng)磁場(chǎng)加到超導(dǎo)體上面，部分磁場(chǎng)能量用來建立屏蔽電流的磁場(chǎng)抵消超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)。當(dāng)

4、磁場(chǎng)達(dá)到某一數(shù)值，樣品返回正常態(tài)，破壞超導(dǎo)電性，這個(gè)磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有兩類磁行為。對(duì)于一般導(dǎo)體，在Tc一下，Hc(T)與T遵循Hc(T)=Hc(0)[1-(T/T0)2]；第二類超導(dǎo)體，超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間存在一個(gè)過渡態(tài)，有兩個(gè)臨界參數(shù)Hc1和Hc2。HHc1，磁場(chǎng)進(jìn)入到超導(dǎo)體中，體系仍具有無阻能力，Hc1叫下臨界磁場(chǎng)。H>Hc1后，磁場(chǎng)進(jìn)入超導(dǎo)體中越來越多，磁化曲線隨著H增加磁矩緩慢減小到0，超導(dǎo)體恢復(fù)到正常態(tài)。Hc2叫上臨界磁場(chǎng)。4）臨界電流密度無阻超流態(tài)受到電流大小限制，使超

5、導(dǎo)體恢復(fù)到正常態(tài)的電流稱為臨界電流Ic，相應(yīng)的電流密度稱為臨界電流密度Jc。大多數(shù)金屬超導(dǎo)體正常態(tài)恢復(fù)是突變的，對(duì)超導(dǎo)和金、化合物及高溫超導(dǎo)體，隨I增加逐漸變到正常態(tài)。2.2電阻溫度特性1）純金屬材料的電阻溫度特性純金屬晶體電阻產(chǎn)生于晶體電子被晶格散射和晶格中缺陷熱振動(dòng)散射。金屬總電阻率表示為(1)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)系決定晶格振動(dòng)散射。表示雜質(zhì)和缺陷對(duì)電子散射引起的電阻率，一般不依賴溫度。2）半導(dǎo)體材料的電阻溫度特性本征半導(dǎo)體的電阻率為(2)為載流子濃度，為遷移率。電阻率隨溫度上升單調(diào)下降，。對(duì)于雜質(zhì)半

6、導(dǎo)體，載流子由雜質(zhì)電離及本征激發(fā)產(chǎn)生，載流子濃度隨溫度變化關(guān)系比較復(fù)雜，存在電離雜質(zhì)散射和聲子散射，遷移率變化比較復(fù)雜。3實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)裝置由以下部分組成：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；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；高溫超導(dǎo)體的磁懸浮演示裝置。3.1低溫恒溫器和不銹鋼杜瓦容器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，主要測(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)?？販貜母邷氐降蜏?，利用液氮液面以上空間存在的溫度梯度來獲得需要的溫度，通過改變低溫恒溫

7、器在杜瓦容器內(nèi)的位置來改變樣品溫度控制降溫速率。3.2電測(cè)量原理及測(cè)量設(shè)備電測(cè)量設(shè)備核心是BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試裝置電源盒和PZ158型直流數(shù)字電壓表。BW2型高溫超導(dǎo)材料特性測(cè)試裝置主要由鉑電阻、硅二極管和超導(dǎo)樣品等三個(gè)電阻測(cè)量電路構(gòu)成，每一電路包含恒流源、標(biāo)準(zhǔn)電阻、待測(cè)電阻、數(shù)字電壓表和轉(zhuǎn)換開關(guān)五個(gè)主要部件。電阻測(cè)量電路如圖3標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓為(3)(4)圖34數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到樣品的電阻隨溫度變化曲線和二極管正向電壓隨溫度變化關(guān)系如圖4圖4圖5場(chǎng)冷下壓力—位移曲線圖6零場(chǎng)冷下壓力—位移曲線由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定樣品的起始轉(zhuǎn)變溫度為9

8、6.437K，零電阻溫度為86.791K。二極管正向電壓與溫度之間是線性關(guān)系，溫度越高，二極管兩端的電壓越小，即，有，與理