高臨界溫度超導體臨界溫度的電阻測量

1、高臨界溫度的超導體臨界溫度的電阻測量引言引言早在１９１１年荷蘭物理學家卡麥林翁納斯（ＫａｍｅｒｌｉｎｇｈＯｎｎｅｓ）發(fā)現(xiàn)，將水銀冷卻到稍低于４２Ｋ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（Ｍｅｉｓｓｎｅｒ）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Ｍｅｉｓｓｎｅｒ效應。電

2、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７０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Ｍｌｌｅｒ創(chuàng)造性地提出了在ＢａＬａＣｕＯ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

3、籍華裔科學家朱經武在ＹＢａＣｕＯ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ＨｉｒａｓｈｉＭａｅｄａ報導研制出臨界溫度為１０６Ｋ的ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系新型高溫超導體。同年２月，美國阿肯薩斯大學的ＡｌｌｅｎＨｅｒｍａｎｎ和ＺＺＳｈｅｎｇ等發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為１０６Ｋ的ＴｌＢａＣａＣｕＯ系超導體。一個月后，ＩＢＭ的Ａｌｍａｄｅｎ又將這

4、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ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系超導材料的臨界溫度提高到了１３０Ｋ。這是迄今所報導的最高的臨界溫度。實驗目的實驗目的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

5、方法以及實驗結果的分析與處理。實驗原理實驗原理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?！瑢мD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?，如圖441所示。起始溫度Ｔｓ（ＯｎｓｅｔＰｏｉｎｔ）為Ｒ—Ｔ曲線開始偏離線性所對應的溫度；中點溫度Ｔm（mｉｄＰｏｉｎｔ）為電阻下降至起始溫度電阻Ｒｓ的一半時

6、的溫度；零電阻溫度Ｔ為電阻降至零時的溫度。而轉變寬度ΔＴ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Ｔc氧化物超導體，由于其轉變寬度ΔＴ較寬，有些新試制的樣品ΔＴ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、

7、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等因素有關，因而零電阻溫度也與上述諸因素有關、這是測量時應予注意的。態(tài)測量，以便進行兩種測量方法和測量結果的比較。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1０－5～1０－1Ω之間，測量電流

8、通常取1００μA至1０mA左右，取更大的電流將對測量結果有影響。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1０－2～1０3μＶ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

9、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ΔＴ會引起載流子的擴散，產生熱電勢Ｅ。Ｅ＝ＳΔＴ（441）Ｓ是樣品的微分熱電勢

10、，其單位是μＶＫ－1。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ＮｏｒｄｈｅｉmＧｏｒｔｅｒ法則。Ｓ=(442）式中ＳA、ＳB是A、B兩種載流子本身的熱電勢，σA、σB分別為A、B兩種載流子相應的電導率。σ＝σA＋σB。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

11、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０1mm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地較緩慢。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

12、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，則超導材料測電壓電極間的電阻為R=(443）②電流通斷法：切斷恒流電源的電流，此時測電壓電極間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

13、斷電流時測量值無變化，表明樣品已經進入超導態(tài)。實驗儀器實驗儀器１低溫恒溫器實驗用的恒溫器如圖４４３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，經過定標的銅電阻溫度計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。超導樣品６的安裝是很重要的