低溫實(shí)驗(yàn)講義_超導(dǎo)測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)83超導(dǎo)材料的電阻溫度特性測(cè)量引言人們?cè)?877年液化了氧，獲得-183的低溫后就發(fā)展低溫技術(shù)。隨后，氮、氫等氣體相繼液化成功。1908年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡麥林翁納斯（Kamerlingh Onnes）成功地使氦氣液化，達(dá)到了4.2K的低溫，三年后即在1911年翁納斯發(fā)現(xiàn)，將水銀冷卻到4.15K時(shí)，其電阻急劇地下降到零。他認(rèn)為，這種電阻突然消失的現(xiàn)象，是由于物質(zhì)轉(zhuǎn)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(dǎo)態(tài)。1933年邁斯納（Meissner）和奧森菲爾德（Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性的另一特性：超導(dǎo)態(tài)時(shí)磁通密度為零或叫完全抗磁性，即Meissner效應(yīng)。電阻為零及

2、完全抗磁性是超導(dǎo)電性的兩個(gè)最基本的特性。超導(dǎo)體從具有一定電阻的正常態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮铻榱愕某瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，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(jīng)過(guò)70多年的努力才獲得了最高臨界溫度為23的Nb3Ge超導(dǎo)材料。1986年4月，貝德諾茲（Bednorz）和繆勒（Müller）創(chuàng)造性地提出了在La-Ba-Cu-O系化合物中存在高TC超導(dǎo)的可能性。1987年初，中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠賢等在這類(lèi)氧化物中發(fā)現(xiàn)了TC48K的超導(dǎo)電性。同年2月份，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武在Y-Ba-Cu-O系中發(fā)現(xiàn)了TC90K的超導(dǎo)電性。這些發(fā)現(xiàn)使人們夢(mèng)寐以求的高溫超導(dǎo)體變成了現(xiàn)實(shí)的材料，可以說(shuō)這是科

3、學(xué)史上又一次重大的突破。其后，在1988年1月，日本科學(xué)家Hirashi Maeda報(bào)導(dǎo)研制出臨界溫度為106K的Bi-Sr-Ca-Cu-O系新型高溫超導(dǎo)體。同年2月，美國(guó)阿肯薩斯大學(xué)的Allen Hermann和Z. Z. Sheng等發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為106K的Tl-Ba-Ca-Cu-O系超導(dǎo)體。一個(gè)月后，IBM的Almaden又將這種體系超導(dǎo)體的臨界溫度提高到了125K。1989年5月，中國(guó)科技大學(xué)的劉宏寶等通過(guò)用Pb和Sb對(duì)Bi的部分取代，使Bi-Sr-Ca-Cu-O系超導(dǎo)材料的臨界溫度提高到了130K。在物理工作及材料探索工作的同時(shí)，應(yīng)用方面也做了大量的工作，如超導(dǎo)量子干涉儀（SQUI

4、D）、超導(dǎo)磁鐵等低溫超導(dǎo)材料已商品化，而高溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，為超導(dǎo)應(yīng)用帶來(lái)了新的希望，而我國(guó)利用熔融織構(gòu)法制備的Bi系銀包套高TC超導(dǎo)線材也已商品化。參考資料1甘子釗、韓汝珊、張瑞明主編，氧化物超導(dǎo)材料物性專(zhuān)題報(bào)告文集，北京大學(xué)出版社，1988。2G. K. White, Experimental Technique in Low Temperature Physics, Clarendon Press, Oxford, 1979。3張禮主編，近代物理學(xué)進(jìn)展M,清華大學(xué)出版業(yè)，1997。實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦脛?dòng)態(tài)法測(cè)量高臨界溫度氧化物超導(dǎo)材料的電阻率隨溫度的變化關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握利用液氮容器內(nèi)的低溫空間改變

5、氧化物超導(dǎo)材料溫度、測(cè)溫及控溫的原理和方法。學(xué)習(xí)利用四端子法測(cè)量超導(dǎo)材料電阻和熱電勢(shì)的消除等基本實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與處理。4選用穩(wěn)態(tài)法測(cè)量高臨界溫度氧化物超導(dǎo)材料的電阻率隨溫度的變化關(guān)系并與動(dòng)態(tài)法進(jìn)行比較。 實(shí)驗(yàn)原理1臨界溫度TC的定義及其規(guī)定超導(dǎo)體具有零電阻效應(yīng)，通常把外部條件（磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力等）維持在足夠低值時(shí)電阻突然變?yōu)榱愕臏囟确Q(chēng)為超導(dǎo)臨界溫度。實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)材料發(fā)生正常超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)，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?，如圖一所示。起始溫度Ts（Onset Point）為R-T曲線（電阻隨溫度變化關(guān)系曲線）開(kāi)始偏離線性所對(duì)應(yīng)的溫度；中點(diǎn)溫度Tm（Mid Poi

6、nt）為電阻下降至起始溫度電阻Rs的一半時(shí)的溫度；零電阻溫度T為電阻降至零時(shí)的溫度。而轉(zhuǎn)變寬度T定義為Rs下降到90及10所對(duì)應(yīng)的溫度間隔。高TC材料發(fā)現(xiàn)之前，對(duì)于金屬、合金及化合物等超導(dǎo)體，長(zhǎng)期以來(lái)在測(cè)試工作中，一般將中點(diǎn)溫度定義為T(mén)C，即TCTm。對(duì)于高TC氧化物超導(dǎo)體，由于其轉(zhuǎn)變寬度T較寬，有些新試制的樣品T可達(dá)十幾K，再沿用傳統(tǒng)規(guī)定容易引起混亂。因此，為了說(shuō)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（R0）的數(shù)值，有時(shí)甚至同時(shí)給出上述的起始溫度、中點(diǎn)溫度及零電阻溫度。而所謂零電阻在測(cè)量中總是與測(cè)量?jī)x表的精度、樣品的幾何形狀及尺寸、電極間的距離以及流過(guò)樣品的電流大小等因素有關(guān)，

7、因而零電阻溫度也與上述諸因素有關(guān)、這是測(cè)量時(shí)應(yīng)予注意的。圖一 超導(dǎo)材料的電阻溫度曲線及特征溫度參數(shù)的定義圖二 四端子接線2樣品電極的制作目前所研制的高TC氧化物超導(dǎo)材料多為質(zhì)地松脆的陶瓷材料，即使是精心制作的電極，電極與材料間的接觸電阻也常達(dá)零點(diǎn)幾歐姆，這與零電阻的測(cè)量要求顯然是不符合的。為消除接觸電阻對(duì)測(cè)量的影響，常采用圖二所示的四端子法。兩根電流引線與直流恒流電源相連，兩根電壓引線連至數(shù)字電壓表或經(jīng)數(shù)據(jù)放大器放大后接至X-Y記錄儀，用來(lái)檢測(cè)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(cè)量無(wú)關(guān)。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

8、是由于電壓測(cè)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(cè)量帶來(lái)的影響。按此法測(cè)得電極2、3端的電壓除以流過(guò)樣品的電流，即為樣品電極2、3端間的電阻。本實(shí)驗(yàn)所用超導(dǎo)樣品為商品化的銀包套鉍鍶鈣銅氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）高TC超導(dǎo)樣品，四個(gè)電極直接用焊錫焊接。3溫度控制及測(cè)量臨界溫度TC的測(cè)量工作取決于合理的溫度控制及正確的溫度測(cè)量。目前高TC氧化物超導(dǎo)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(gè)大氣壓下的沸點(diǎn)為77.348，三相點(diǎn)為63.148，但在實(shí)際使用中由于液氮的不純，沸點(diǎn)稍高而三相點(diǎn)稍低（嚴(yán)格地說(shuō)，不純凈的液氮不存在三相點(diǎn)）。對(duì)三相點(diǎn)和沸點(diǎn)

9、之間的溫度，只要把樣品直接浸入液氮，并對(duì)密封的液氮容器抽氣降溫，一定的蒸汽壓就對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(duì)樣品進(jìn)行一種或多種物理量的測(cè)量。這里所稱(chēng)的普通恒溫器控溫法，指的是利用一般絕熱的恒溫器內(nèi)的錳銅線或鎳鉻線等繞制的電加熱器的加熱功率來(lái)平衡液池冷量，從而控制恒溫器的溫度穩(wěn)定在某個(gè)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(jì)都安置在恒溫器內(nèi)并保持良好的熱接觸，因而樣品的溫度可以嚴(yán)格控制并被測(cè)量

10、。這樣控溫方式的優(yōu)點(diǎn)是控溫精度較高，溫度的均勻性較好，溫度的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。用于電阻法測(cè)量時(shí)，可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)樣品。由于這種控溫法是點(diǎn)控制的，因此普通恒溫器控溫法應(yīng)用于測(cè)量時(shí)又稱(chēng)定點(diǎn)測(cè)量法。（2）溫度梯度法。這是指利用貯存液氮的杜瓦容器內(nèi)液面以上空間存在的溫度梯度來(lái)自然獲取中間溫度的一種簡(jiǎn)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(shè)計(jì)一個(gè)紫銅均溫塊，將溫度計(jì)和樣品與紫銅均溫塊進(jìn)行良好的熱接觸。紫銅塊連結(jié)至一根不銹鋼管，借助于不銹鋼管進(jìn)行提拉以改變溫度。本實(shí)驗(yàn)的恒溫器設(shè)計(jì)綜合上述兩種基本方法，既能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，也能進(jìn)行定點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)測(cè)量，以便進(jìn)行兩種測(cè)量方法和測(cè)量

11、結(jié)果的比較。4熱電勢(shì)及熱電勢(shì)的消除用四端子法測(cè)量樣品在低溫下的電阻時(shí)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使沒(méi)有電流流過(guò)樣品，電壓端也常能測(cè)量到幾微伏至幾十微伏的電壓降。而對(duì)于高TC超導(dǎo)樣品，能檢測(cè)到的電阻常在10-510-1之間，測(cè)量電流通常取1至100mA左右，取更大的電流將對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。據(jù)此換算，由于電流流過(guò)樣品而在電壓引線端產(chǎn)生的電壓降只在10-2103V之間，因而熱電勢(shì)對(duì)測(cè)量的影響很大，若不采取有效的測(cè)量方法予以消除，有時(shí)會(huì)將良好的超導(dǎo)樣品誤作非超導(dǎo)材料，造成錯(cuò)誤的判斷。測(cè)量中出現(xiàn)的熱電勢(shì)主要來(lái)源于樣品上的溫度梯度。為什么放在恒溫器上的樣品會(huì)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

12、簡(jiǎn)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(shí)樣品本身有一定的熱阻也有一定的熱容。當(dāng)均溫塊溫度變化時(shí)，樣品溫度的弛豫時(shí)間與上述熱阻及熱容有關(guān)，熱阻及熱容的乘積越大，弛豫時(shí)間越長(zhǎng)。特別在動(dòng)態(tài)測(cè)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(nèi)形成一定的溫度梯度。樣品上的溫差T會(huì)引起載流子的擴(kuò)散，產(chǎn)生熱電勢(shì)E。 EST ， （1）其中，S是樣品的微分熱電勢(shì)，其單位是V·K-1。對(duì)高TC超導(dǎo)樣品熱電勢(shì)的討論比較復(fù)雜，它與載流子的性質(zhì)以及電導(dǎo)率在費(fèi)密面上的分

13、布有關(guān)，利用熱電勢(shì)的測(cè)量可以獲知載流子性質(zhì)的信息。對(duì)于同時(shí)存在兩種載流子的情況，它們對(duì)熱電勢(shì)的貢獻(xiàn)要乘一權(quán)重，滿足所謂NordheimGorter法則。 ， (2）式中SA、SB是A、B兩種載流子本身的熱電勢(shì)，A、B分別為A、B兩種載流子相應(yīng)的電導(dǎo)率。AB。材料處在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，S。為消除熱電勢(shì)對(duì)測(cè)量電阻率的影響，通常采取下列措施：（1）對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)量。應(yīng)將樣品制得薄而平坦。樣品的電極引線盡量采用直徑較細(xì)的導(dǎo)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(jīng)電極引線流向樣品。同時(shí)樣品與均溫塊之間用導(dǎo)熱良好的導(dǎo)電銀漿粘接，以減少熱弛豫帶來(lái)的誤差。另一方面，溫度計(jì)

14、的響應(yīng)時(shí)間要盡可能小，與均溫塊的熱接觸要良好，測(cè)量中溫度變化應(yīng)該相對(duì)地較緩慢。對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)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(dǎo)的結(jié)論，而應(yīng)該在液氮溫度附近，通過(guò)后面所述的電流換向法或通斷法檢查。（2）對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)量。當(dāng)恒溫器上的溫度計(jì)達(dá)到平衡值時(shí)，應(yīng)觀察樣品兩側(cè)電壓電極間的電壓降及疊加的熱電勢(shì)值是否趨向穩(wěn)定，穩(wěn)定后可以采用如下方法。電流換向法：將恒流電源的電流I反向，分別得到電壓測(cè)量值UA、UB，則超導(dǎo)材料測(cè)電壓電極間的電阻為 （3）電流通斷法：切斷恒流電源的電流，此時(shí)測(cè)電壓電極間量到的電壓即是樣品及引線的積分熱電勢(shì)，通電流后得到新的測(cè)量值，減去熱電勢(shì)即是真正的電壓降。若通斷電流時(shí)

15、測(cè)量值無(wú)變化，表明樣品已經(jīng)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。實(shí)驗(yàn)儀器低溫恒溫器實(shí)驗(yàn)用的恒溫器如圖三所示，均溫塊1是一塊經(jīng)過(guò)加工的紫銅塊，利用其良好的導(dǎo)熱性能來(lái)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(jì)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(dòng)。提拉桿3采用低熱導(dǎo)的不銹鋼管以減少對(duì)均溫塊的漏熱，經(jīng)過(guò)定標(biāo)的鉑電阻溫度計(jì)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(cè)試用的液氮杜瓦瓶宜采用漏熱小，損耗率低的產(chǎn)品，其溫度梯度場(chǎng)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(nèi)的上下移動(dòng)，附設(shè)相應(yīng)的提拉裝置。圖三 低溫恒溫器1. 紫銅塊，2. 銅套，3. 提拉桿，4

16、. 溫度計(jì)，5. 加熱器測(cè)量?jī)x器如圖四所示，它由安裝了樣品的低溫恒溫器，測(cè)溫、控溫儀器，數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理系統(tǒng)以及電腦組成，既可進(jìn)行動(dòng)態(tài)法實(shí)時(shí)測(cè)量，也可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)法測(cè)量。動(dòng)態(tài)法測(cè)量時(shí)可分別進(jìn)行不同電流方向的升溫和降溫測(cè)量，以觀察和檢測(cè)因樣品和溫度計(jì)之間的動(dòng)態(tài)溫差造成的測(cè)量誤差以及樣品及測(cè)量回路熱電勢(shì)給測(cè)量帶來(lái)的影響。動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)測(cè)量?jī)x器處理后直接進(jìn)入電腦X-Y記錄儀顯示、處理或打印輸出。穩(wěn)態(tài)法測(cè)量結(jié)果經(jīng)由鍵盤(pán)輸入計(jì)算機(jī)（如Excel軟件）作出R-T特性供分析處理或打印輸出。   實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用動(dòng)態(tài)法在電腦X-Y記錄儀上分別畫(huà)出樣品在升溫和降溫過(guò)程中的電阻溫度曲線。利用穩(wěn)態(tài)法

17、，在樣品的零電阻溫度與之間測(cè)出樣品的R-T分布。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。   操作步驟：（一）、動(dòng)態(tài)測(cè)量1 打開(kāi)儀器和超導(dǎo)測(cè)量軟件。2 儀器面板上測(cè)量方式選擇“動(dòng)態(tài)”，樣品電流換向方式選擇“自動(dòng)”，分別測(cè)出正溫度設(shè)定逆時(shí)針旋到底。3 在計(jì)算機(jī)界面啟動(dòng)“數(shù)據(jù)采集”。4 調(diào)節(jié)“樣品電流”至80mA。5 將恒溫器放入裝有液氮的杜瓦瓶?jī)?nèi)，降溫速率由恒溫器的位置決定。直至泡在液氮中。6 儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，畫(huà)出正反向電流所測(cè)電壓隨溫度的變化曲線，最低溫度到77K（視實(shí)際情況有時(shí)可能不能到達(dá)77K）。7 點(diǎn)擊“停止采集”，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”，給出文件名保存，

18、降溫方式測(cè)量結(jié)束。8 重新點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”將樣品桿拿出杜瓦瓶，作升溫測(cè)量，測(cè)出升溫曲線。9 根據(jù)軟件界面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。（二）、穩(wěn)態(tài)測(cè)量（選做）1將樣品桿放入裝有液氮的杜瓦瓶中，當(dāng)溫度降為77.4K時(shí)，儀器面板上測(cè)量方式選擇“穩(wěn)態(tài)”，樣品電流換向方式選擇“手動(dòng)”，分別測(cè)出正反向電流時(shí)的電壓值。2調(diào)節(jié)“溫度設(shè)定”旋鈕，設(shè)定溫度為80K，加熱器對(duì)樣品加熱，溫度控制器工作，加熱指示燈亮，直到指示燈閃亮?xí)r，溫度穩(wěn)定在一數(shù)值，（此值與設(shè)定溫度值不一定相等）記下實(shí)際溫度值，測(cè)量正反向電流對(duì)應(yīng)的電壓值。3將樣品桿往上提一些，重復(fù)步驟2，設(shè)定溫度為82K進(jìn)行測(cè)量。4在110K以下每23K測(cè)一點(diǎn)，在110K以上每510K測(cè)一點(diǎn)，直至室溫。5算出不同溫度對(duì)應(yīng)的電阻值，畫(huà)出電阻隨溫度的變化曲線。注意事項(xiàng)動(dòng)態(tài)法測(cè)量時(shí)，熱弛豫對(duì)測(cè)量的影響很大。它對(duì)熱電勢(shì)的影響隨升降溫速度變化以及相變點(diǎn)的出現(xiàn)可能產(chǎn)生不同程度的變化。應(yīng)善于利用實(shí)驗(yàn)條件、觀察熱電勢(shì)的影響。動(dòng)態(tài)法測(cè)量中樣品溫度與溫度計(jì)溫度難以一致，應(yīng)觀察不同的升降溫速度對(duì)這種不