高溫超導材料的特性與表征

1、高溫超導材料的特性與表征學號： 姓名：郭雪鵬指導老師：王老師 日期：2012/10/31摘要： 本實驗通過液氮降溫法測量了超導樣品的電阻轉變曲線，確定起始轉變和零電阻溫度分別96.437K和86.791K。并以鉑電阻溫度計為標準，得到了硅二極管的正向電壓值與溫度的變化曲線；演示高溫超導體磁懸浮現象；定量測量了在零場冷和場冷條件下的磁懸浮力和超導體磁體間距的，關系曲線。 關鍵詞：高溫超導體 零電阻現象 MEISSNER效應 磁懸浮1引言 從1991年荷蘭物理學家H.K.Onnes發(fā)現低溫超導體，超導科技發(fā)展大體經歷了三個階段：1911年到1957年BCS超導微觀理論問世，核心是提出庫珀電子對；1

2、958年到1985年是超導技術應用的準備階段，成功研制強磁場超導材料，發(fā)現約瑟夫森效應；第三階段是1986年發(fā)現高于30K的超導材料，進入超導技術開發(fā)時代。超導研究領域的系列最新進展，為超導技術在更方面的應用開辟了十分廣闊的前景。本實驗目的是通過對氧化物高溫超導材料的測量與演示，加深理解超導體兩個基本特性；了解超導磁懸浮原理；了解金屬和半導體的電阻隨溫度變化以及溫差電效應；掌握低溫物理實驗的基本方法：低溫的獲得、控制和測量。2 原理2.1超導現象、臨界參數及實用超導體1）零電阻現象圖 1 超導體的電阻轉變曲線將物體冷卻到某一臨界溫度Tc以下時電阻突然降為零的現象， 成為超導體的零電阻現象。 不

3、同的超導體的臨界溫度各不相同。用電阻法測量臨界溫度，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變溫度，臨界溫度定義為待測樣品電阻從起始轉變處下降到一半對應的溫度，也稱作超導轉變的中點溫度。電阻變化10%到90%所對應的溫度間隔定義為轉變寬度，電阻完全降到零時的溫度為零電阻溫度。2）MEISSNER效應超導體內磁感應強度等于0，與加磁場順序無關。 圖2 超導體磁性 3）臨界磁場磁場加到超導體上面，部分磁場能量用來建立屏蔽電流的磁場抵消超導體內部磁場。當磁場達到某一數值，樣品返回正常態(tài)，破壞超導電性，這個磁場稱為臨界磁場。實驗發(fā)現，有兩類磁行為。對于一般導體，在Tc一下，Hc(T)與

4、T遵循Hc(T)=Hc(0)1-(T/T0)2；第二類超導體，超導態(tài)和正常態(tài)之間存在一個過渡態(tài)，有兩個臨界參數Hc1和Hc2。H<Hc1，具有和第I類超導體相同的MESSNER磁矩；H>Hc1，磁場進入到超導體中，體系仍具有無阻能力，Hc1叫下臨界磁場。H>Hc1后，磁場進入超導體中越來越多，磁化曲線隨著H增加磁矩緩慢減小到0，超導體恢復到正常態(tài)。Hc2叫上臨界磁場。4）臨界電流密度無阻超流態(tài)受到電流大小限制，使超導體恢復到正常態(tài)的電流稱為臨界電流Ic，相應的電流密度稱為臨界電流密度Jc。大多數金屬超導體正常態(tài)恢復是突變的，對超導和金、化合物及高溫超導體，隨I增加逐漸變到正常

5、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生于晶體電子被晶格散射和晶格中缺陷熱振動散射。金屬總電阻率表示為 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晶格振動散射。表示雜質和缺陷對電子散射引起的電阻率，一般不依賴溫度。2）半導體材料的電阻溫度特性本征半導體的電阻率為 為載流子濃度，為遷移率。電阻率隨溫度上升單調下降，。對于雜質半導體，載流子由雜質電離及本征激發(fā)產生，載流子濃度隨溫度變化關系比較復雜，存在電離雜質散射和聲子散射，遷移率變化比較復雜。3 實驗本實驗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；電測量部

6、分主要包括BW2型高溫超導材料特性測試裝置和PZ158型直流數字電壓表；高溫超導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77.4K到室溫范圍內的任意溫度，主要測量超導轉變曲線，并在液氮正常沸點附近的溫度范圍內標定溫度計?？販貜母邷氐降蜏兀靡旱好嬉陨峡臻g存在的溫度梯度來獲得需要的溫度，通過改變低溫恒溫器在杜瓦容器內的位置來改變樣品溫度控制降溫速率。3.2電測量原理及測量設備電測量設備核心是BW2型高溫超導材料特性測試裝置電源盒和PZ158型直流數字電壓表。BW2型高溫超導材料特性測試裝置主要由鉑電阻、硅二極管和超導樣品等三個電阻測量電路構成，每一電路包含恒流

7、源、標準電阻、待測電阻、數字電壓表和轉換開關五個主要部件。電阻測量電路如圖3標準電阻電壓為 (3) (4)圖 3 4 數據處理與結果分析 根據實驗數據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系如圖4 圖4 圖5 場冷下壓力位移曲線圖6 零場冷下壓力位移曲線由實驗數據確定樣品的起始轉變溫度為96.437K，零電阻溫度為86.791K。二極管正向電壓與溫度之間是線性關系，溫度越高，二極管兩端的電壓越小，即，有，與理論分析結果一致。鉑電阻與溫度之間是線性關系，溫度越高，電阻越大，。樣品電阻隨溫度變化關系曲線測量誤差可能較大，原因可能是在樣品從正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)，測得的數據較小，得到的曲線準確度小。5結論與建議實驗主