高温超导材料特性测量.pdf

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1、实验十高温超导材料特性测量1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态．卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖．1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这时超导体内的磁感应强度为零，在对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导

2、体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”．为了寻找更适于应用的超导材料，几十年来，物理学家广泛搜查各种元素的低温特性．除了汞、锡和铅以外，又发现铟、铊和镓也有超导特性，这些材料都是金属，而且具有柔软易熔的共同性质，后来迈斯纳把试验扩展到坚硬难熔的金属元素，又发现了钽、铌、钛和钍等金属具有超导特性．当磁冷却法应用于低温后，在极低温区（1K以下）又找到了许多金属元素和合金有超导迹象．如今甚至已经知道上千种物质的超导特性，可是，它们的转变温度都在液氦温度附近或在1K以下．高临界温度超导电性的探索是凝聚态物理学的一个重要课

3、题．自从发现超导电性以来，人们逐渐认识到超导技术有广泛应用的潜在价值，世界各国花了很大力气开展这方面的工作．但是超导转变温度太低，离不开昂贵的液氦设备．所以，从卡末林-昂内斯的时代起，人们就努力探索提高超导转变临界温度Tc的途径．1986年夏，当时在瑞士工作的物理学家瑞士物理学家缪勒和德国物理学柏诺兹发现，一类特殊的铜氧化物超导转变温度高达近40K．1987年初，在美国工作的华裔科学家吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达90K的超导体，几天后，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独立地发现了超导转

4、变温度为100K以上的超导体．超导体不能在液氮温区（78K）工作的禁区终于被打破了．氮的液化是一种广泛应用的技术．1987年诺贝尔物理奖授予柏诺兹和缪勒，以表彰他们在发现陶瓷材料中的超导电性所作的重大突破．低温物理已成为物理学科的一个重要分支．低温技术在其它领域也获得了重要的应用，如空间技术使用低温技术来获得火箭燃料液氢、液氧，用低温技术模拟宇宙空间的真空和低温环境，以便进行太空模拟试验．用低温技术可较长时间保存人体或生物的活组织，为医学、生物等领域的研究开辟了新的途径．本实验的温度范围从液氮温度（77K）变化到室温．【

5、实验目的】1．了解高临界温度超导材料的基本电特性和测量方法；2．了解低温下半导体PN结的伏安特性与温度的关系；3．了解低温实验的测量方法．-45-【实验原理】1.高温超导材料电性1911年，卡末林-昂内斯发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失．后来他又发1现许多金属和合金都具有与上2述汞相类似的低温下失去电阻的特性，通常把具有这种特性的材料称为超导体．超导现象是超导材料的主要性质之一．把超导体电阻突然变为零时温度称为超导转变温度．图1超导材料的电阻转变曲线转变温度并不是只由温度决定，只有保持在外磁场、流经

6、电流和应力等值足够低时，超导样品的转变温度被称为超导临界转变温度Tc．由于一般上述条件不能完全满足（比如地磁场），而且超导转变往往有onset0m一个区域，因此引入起始转变温度Tc，零电阻温度Tc，和中点转变温度Tc来表示，m一般所说的转变温度Tc指的是Tc．高温超导体样品超导特性的测量采用如图2所示的四端接法，外两根导线为电流端，内两根导线为电压端，这样可以避免引线电阻和接触电阻带来的测量误差．2．PN结伏安特性与温度的关系在半导体理论中可导出PN结的电压V和电流密度J关系图2四端接线法rq(VV)3+é-gùJ=AT

7、2expêú（1）kTëBû其中常数r≈1，A是比例因子，qVg=Eg，Eg是禁带宽度，Vg称能隙电压．J-V关系曲线如图3所示．对上式两边取对数，整理后得到kBìJrüV=íln-(3+)lnTýT+Vg（2）qîA2þ在正常情况下，V

8、的电压就是Vg．由图可知，二极管PN结能在很宽的范围内测量温度，但由于制造工艺关系，其一致性不是很好，斜率不能唯一确定．图4PN结电压与温度的关系图5PN结测量原理图3．热电偶1821年塞贝克发现由两种不同金属组成的封闭回路，当两个接点的温度不同时，电路中会出现电动势，这个现象称为塞贝克效应．其产生的电动势称为热电势