高 Tc 超导体制备及电阻－温度特性测量

1. 高Tc超导体制备及电阻－温度特性测量 电科091王明权 09461126

2. 1908年，荷兰物理学家H.K.Onnes使最后一个气体——氦气液化取得成功，这一成功使得超导体发现成为可能，超导研究才得以实现。这是超导体发展的第一个里程碑。1911年，H.K.Onnes在莱登大学测量纯汞的低温电阻特性时发现纯汞电阻在约4.2Ｋ时急剧下降到零，进入了一种新的状态，这种新的状态就被称为超导态。他的发现拉开了超导研究的序幕，从此开始了世界范围的超导电性的理论和应用研究。1908年，荷兰物理学家H.K.Onnes使最后一个气体——氦气液化取得成功，这一成功使得超导体发现成为可能，超导研究才得以实现。这是超导体发展的第一个里程碑。1911年，H.K.Onnes在莱登大学测量纯汞的低温电阻特性时发现纯汞电阻在约4.2Ｋ时急剧下降到零，进入了一种新的状态，这种新的状态就被称为超导态。他的发现拉开了超导研究的序幕，从此开始了世界范围的超导电性的理论和应用研究。

3. 1933年，Meissiner和Ochsenfeld发现：“处于超导态的金属决不允许磁通密度存在于它的体内”。即超导体具有完全抗磁性。后来被称为Meissiner效应。至此，确定了超导体的两大独立特征：零电阻现象和Meissiner效应。但由于金属间化合物在低温下性能不好，使人们一直无法把超导应用到实际当中去。至此，超导转变温度Tc的提高出现了停滞状态。1933年，Meissiner和Ochsenfeld发现：“处于超导态的金属决不允许磁通密度存在于它的体内”。即超导体具有完全抗磁性。后来被称为Meissiner效应。至此，确定了超导体的两大独立特征：零电阻现象和Meissiner效应。但由于金属间化合物在低温下性能不好，使人们一直无法把超导应用到实际当中去。至此，超导转变温度Tc的提高出现了停滞状态。

4. 但在此期间超导理论发展却极为迅猛，Meissiner效应、二流体模型、伦敦兄弟方程、同位素效应、和约瑟夫效应等都是在此阶段提出的。这些理论对低温超导进行了非常好的解释。由于超导转变温度没有新的突破，高温超导作为梦想虽早被提过，但一直无法实现。直到1986年发现了较高的LaBaCuO系氧化物超导材料。以此契机超导材料的Tc终于进入了液氮温区，人们终于实现了获得液氮温区超导体的多年梦想。但在此期间超导理论发展却极为迅猛，Meissiner效应、二流体模型、伦敦兄弟方程、同位素效应、和约瑟夫效应等都是在此阶段提出的。这些理论对低温超导进行了非常好的解释。由于超导转变温度没有新的突破，高温超导作为梦想虽早被提过，但一直无法实现。直到1986年发现了较高的LaBaCuO系氧化物超导材料。以此契机超导材料的Tc终于进入了液氮温区，人们终于实现了获得液氮温区超导体的多年梦想。

5. 超导材料的应用范围极其广泛。在强磁中的应用基于它的零电阻效应，可以在庞大的立体空间产生很高的强磁场，不消耗或只消耗极少的电力。而基于Josephson效应所制成的器件，对磁场或电磁辐射有极高的灵敏度，是超导技术的弱磁应用。在强电方面的应用主要有超导储能、超导抗磁体、超导电磁轨道、超导单极电机、超导加速器、高精度磁悬浮陀螺等等。高Tc超导材料在弱电方面的应用可能要优于强电，在弱电方面应用的基础是超导薄膜，超导结的约瑟夫效应及制备各种超导电子器件，超导材料的应用范围极其广泛。在强磁中的应用基于它的零电阻效应，可以在庞大的立体空间产生很高的强磁场，不消耗或只消耗极少的电力。而基于Josephson效应所制成的器件，对磁场或电磁辐射有极高的灵敏度，是超导技术的弱磁应用。在强电方面的应用主要有超导储能、超导抗磁体、超导电磁轨道、超导单极电机、超导加速器、高精度磁悬浮陀螺等等。高Tc超导材料在弱电方面的应用可能要优于强电，在弱电方面应用的基础是超导薄膜，超导结的约瑟夫效应及制备各种超导电子器件，

6. 由于它的高速度、低损耗、宽频带、低噪声、甚小功耗、长寿命等突出特点，是半导体器件望尘莫及的。因此，在军事、导航通迅、地质、生物医学以及基础研究等方面有着极为诱人和重要的应用前景。由于它的高速度、低损耗、宽频带、低噪声、甚小功耗、长寿命等突出特点，是半导体器件望尘莫及的。因此，在军事、导航通迅、地质、生物医学以及基础研究等方面有着极为诱人和重要的应用前景。

7. 一、实验目的 (1)掌握高Tc超导体电阻－温度特性的测量方法。 （2）学会用动态法和稳态法进行测量、控温，数据采集、传输和处理。

8. 二、实验原理 同时具有完全导电性和完全抗磁性的物质称为超导体．完全导电性和完全抗磁性是超导电性的两个最基本的性质． 1．零电阻现象　　当物质的温度下降到某一确定值Tc（临界温度）时，物质的电阻率由有限值变为零的现象称为零电阻现象，也称为物质的完全导电性．临界温度Tc 是一个由物质本身的内部性质确定的、局城的参量．若样品很纯且结构完整，

9. 超导体在一定温度下，由正常的有阻状态(常导态急剧地转为零电阻状态(超导态）超导体在一定温度下，由正常的有阻状态(常导态急剧地转为零电阻状态(超导态） 在样品不纯或不均匀等情况下，超导转变所跨越的温区会展宽，这时临界温度Tc有以下几种定义：

10. (1) 临界温度Tc  理论上，超导临界温度的定义为：当电流、磁场及其它外部条件(如应力、辐照等)保持为零或不影响转变温度测量的足够低时，超导体呈现超导态的最高温度．实验上，可以根据测得R (或 )－t曲线，将远离电阻发生急剧变化高温端的数值拟合直线A，将电阻急剧变化部分的数据拟合成直线B，直线A与直线B的交点所对应的电阻为Rn（称为正常态电阻），取Ｒc＝(1/2)Rn 所对应的温度就为Tc (2) 零电阻温度Tc0  是指超导体保持直流电阻R＝0 (或电阻率 = 0）时的最高温度

11. (3) 转变宽度ΔTc   超导体由正常态向超导态过渡的温度间隔．实验上常取10％～90％Rn 对应的温度区域宽度为转变宽度．ΔTc 的大小一般反映了材料品质的好坏，均匀单相的样品ΔTc  较窄，反之较宽． 2.迈斯纳效应 1937年，迈斯纳（W．Meissner）和奥森菲尔德（R．Ochsefeld）发现，具有上述完全导电性的物质还具有另外一个基本特性──完全抗磁性: 当物质由常导态进入超导态后其内部的磁感应强度总是为零，即不管超导体在常导态时的磁通状态如何，当样品进入超导态后，磁通一定不能穿透超导体．这一现象也称为迈斯纳效应．

12. 零电阻和迈斯纳效应是超导电性的两个基本特性．这两个基本特性既相互独立又相互联系，因为单纯的零电阻现象不能保证迈斯纳效应的存在，但它又是迈斯纳效应存在的必要条件．零电阻和迈斯纳效应是超导电性的两个基本特性．这两个基本特性既相互独立又相互联系，因为单纯的零电阻现象不能保证迈斯纳效应的存在，但它又是迈斯纳效应存在的必要条件． 3．超导临界参数　　约束超导现象出现的因素不仅仅是温度．实验表明，即使在临界温度下，如果改变流过超导体的直流电流，如果电流强度超过某一临界值时，超导体的超导态将受到破坏而回复到常导态．如果对超导体施加磁场，如果磁场强度达到某一值时，样品的超导态也会受到破坏．破坏样品的超导电性所需要的最小极限电流值和磁场值，分别称为临界电流Ic（常用临界电流密度Jc ）和临界磁场Ｈc ．

13. 临界温度Tc 、临电流密度Jc 和临界磁场Hc  是超导体的三个临界参数，这三个参数与物质的内部微观结构有关．在实验中要注意，要使超导体处于超导态，必须将其置于这三个临界值以下；只要其中任何一个条件被破坏，超导态都会被破坏．

14. 工作原理示意图 1. 超导样品 2. 半导体温度传感器 3. 加热器 4. 标准电阻 5.6. 恒流源 7.8.9. 高增益高精密测量放大器 10.比较器 11.温度设定器 12.PID控制器 13.加热功率控制器 14.微处理器

15. 实验设备 HT288型高Tc超导体电阻---温度测量仪

16. 三、实验步骤 1、准备工作 将液氮注入液氮杜瓦瓶,再将装有测量样品的低温恒温器浸入液氮,固定于支架上,并用电缆连接至HT288测量仪“恒温器输入”端,再用通讯电缆将测量仪与计算机串行口l联接。 2、开启仪器 开启测量仪器电源和电脑电源，待系统启动完成后，用鼠标点击电脑屏幕上的 “HT288F”图标，进入工作程序，电脑屏幕显示如图2（a）所示。

17. 3、开始采集点击“数据采集”按钮，然后点击“确定”后按下仪器的“复位”按钮，当看到“运行”指示灯不停闪烁时，即表示系统进入测量状态。3、开始采集点击“数据采集”按钮，然后点击“确定”后按下仪器的“复位”按钮，当看到“运行”指示灯不停闪烁时，即表示系统进入测量状态。 （a） (b)

18. （1）自动测量 提升装有样品的低温恒温器，使其脱离液氮液面，温度将逐渐升高。在电脑显示器左上部“状态参数” 区表示“样品电流方向”的“正向/反向”指示灯交替闪烁，表示系统已开始采集数据。此时在计算机屏幕上逐点描出两条电压一温度特性曲线，红色的一条表示正向电压降，蓝色的一条表示反向电压降，“状态参数”区域同时显示相应的工作参数值。其含义如下： 计数：表示数据采集开始后所有采集到的有效数据的计数值 ； 样品电压值 ：表示沿当前流过样品的电流方向所测得的样品两端的电压降数值，单位为(μV) ；

19. 样品当前温度 ：表示低温恒温器温度传感器所测到的恒温器当前温度值，单位为（K）。若温度变化缓慢，温度传感器与样品之间的温度误差可以被忽略，因此该温度值可表征为样品温度值； 样品电流值：表示正向和反向流过样品的电流的平均值，单位为(mA) ； 光标指示值：当鼠标在坐标区域内移动时，可见一个“十”字形光标随之移动，同时在屏幕底部状态栏显示交点处的温度和电压值。温度单位为(K),电压值单位为(μV)。 改变恒温器与液面的距离，可以获得不同变化速率的升/降温特性曲线。

20. （2）手动电流换向测量 当系统需要调整或测试时，使用手动转换样品电流的方式工作。 四、停止采集 任意时刻点击“停止采集”按钮，都会停止采集数据，按提示输入文件名(建议使用缺省名)，确认后自动保存文件，然后退出采集。 五、数据处理 点击“打开”按钮，选择所需的文件打开。点击工具栏不同颜色的图标，将会显示/擦除该颜色的曲线，用户可根据需要选择查看不同的曲线。双击鼠标左键，会出现一个三角形标志，同时在标志旁显示该点的坐标值。

21. 四、实验结果 R-T曲线 从图中可知当温度达到115K时，出现超导现象。即Tc=115K

22. 五、实验感悟 通过这个实验，测得了高Tc超导体电阻温度特性，通过曲线可以直观的看出随着温度的降低，电阻不断减小，并最终会出现O电阻状态即超导态。现在高温超导体的临界温度已达到130K左右，使超导体已走出了液氦的阴影，为人类挖掘超导电性所隐藏的宝藏开辟了广阔的前景．我国西南交通大学于1994年成功地研制了高温超导悬浮实验车．让列车悬浮起来，与轨道脱离接触，这样列车在运行时的阻力降低很多，沿轨道“飞行”的速度可达500km/h．

23. 谢谢欣赏！