高温超导材料的特性与表征

1、高温超导材料的特性与表征学号： 姓名：郭雪鹏指导老师：王老师 日期：2012/10/31摘要： 本实验通过液氮降温法测量了超导样品的电阻转变曲线，确定起始转变和零电阻温度分别96.437K和86.791K。并以铂电阻温度计为标准，得到了硅二极管的正向电压值与温度的变化曲线；演示高温超导体磁悬浮现象；定量测量了在零场冷和场冷条件下的磁悬浮力和超导体磁体间距的，关系曲线。 关键词：高温超导体 零电阻现象 MEISSNER效应 磁悬浮1引言 从1991年荷兰物理学家H.K.Onnes发现低温超导体，超导科技发展大体经历了三个阶段：1911年到1957年BCS超导微观理论问世，核心是提出库珀电子对；1

2、958年到1985年是超导技术应用的准备阶段，成功研制强磁场超导材料，发现约瑟夫森效应；第三阶段是1986年发现高于30K的超导材料，进入超导技术开发时代。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在更方面的应用开辟了十分广阔的前景。本实验目的是通过对氧化物高温超导材料的测量与演示，加深理解超导体两个基本特性；了解超导磁悬浮原理；了解金属和半导体的电阻随温度变化以及温差电效应；掌握低温物理实验的基本方法：低温的获得、控制和测量。2 原理2.1超导现象、临界参数及实用超导体1）零电阻现象图 1 超导体的电阻转变曲线将物体冷却到某一临界温度Tc以下时电阻突然降为零的现象， 成为超导体的零电阻现象。 不

3、同的超导体的临界温度各不相同。用电阻法测量临界温度，把降温过程中电阻温度曲线开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度，临界温度定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半对应的温度，也称作超导转变的中点温度。电阻变化10%到90%所对应的温度间隔定义为转变宽度，电阻完全降到零时的温度为零电阻温度。2）MEISSNER效应超导体内磁感应强度等于0，与加磁场顺序无关。 图2 超导体磁性 3）临界磁场磁场加到超导体上面，部分磁场能量用来建立屏蔽电流的磁场抵消超导体内部磁场。当磁场达到某一数值，样品返回正常态，破坏超导电性，这个磁场称为临界磁场。实验发现，有两类磁行为。对于一般导体，在Tc一下，Hc(T)与

4、T遵循Hc(T)=Hc(0)1-(T/T0)2；第二类超导体，超导态和正常态之间存在一个过渡态，有两个临界参数Hc1和Hc2。H<Hc1，具有和第I类超导体相同的MESSNER磁矩；H>Hc1，磁场进入到超导体中，体系仍具有无阻能力，Hc1叫下临界磁场。H>Hc1后，磁场进入超导体中越来越多，磁化曲线随着H增加磁矩缓慢减小到0，超导体恢复到正常态。Hc2叫上临界磁场。4）临界电流密度无阻超流态受到电流大小限制，使超导体恢复到正常态的电流称为临界电流Ic，相应的电流密度称为临界电流密度Jc。大多数金属超导体正常态恢复是突变的，对超导和金、化合物及高温超导体，随I增加逐渐变到正常

5、态。2.2电阻温度特性1）纯金属材料的电阻温度特性纯金属晶体电阻产生于晶体电子被晶格散射和晶格中缺陷热振动散射。金属总电阻率表示为 表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关，电阻与温度的关系决定晶格振动散射。表示杂质和缺陷对电子散射引起的电阻率，一般不依赖温度。2）半导体材料的电阻温度特性本征半导体的电阻率为 为载流子浓度，为迁移率。电阻率随温度上升单调下降，。对于杂质半导体，载流子由杂质电离及本征激发产生，载流子浓度随温度变化关系比较复杂，存在电离杂质散射和声子散射，迁移率变化比较复杂。3 实验本实验装置由以下部分组成：低温温度的获得和控制主要包括低温恒温器和不锈钢杜瓦容器；电测量部

6、分主要包括BW2型高温超导材料特性测试装置和PZ158型直流数字电压表；高温超导体的磁悬浮演示装置。3.1低温恒温器和不锈钢杜瓦容器得到从液氮的正常沸点77.4K到室温范围内的任意温度，主要测量超导转变曲线，并在液氮正常沸点附近的温度范围内标定温度计。控温从高温到低温，利用液氮液面以上空间存在的温度梯度来获得需要的温度，通过改变低温恒温器在杜瓦容器内的位置来改变样品温度控制降温速率。3.2电测量原理及测量设备电测量设备核心是BW2型高温超导材料特性测试装置电源盒和PZ158型直流数字电压表。BW2型高温超导材料特性测试装置主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等三个电阻测量电路构成，每一电路包含恒流

7、源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关五个主要部件。电阻测量电路如图3标准电阻电压为 (3) (4)图 3 4 数据处理与结果分析 根据实验数据得到样品的电阻随温度变化曲线和二极管正向电压随温度变化关系如图4 图4 图5 场冷下压力位移曲线图6 零场冷下压力位移曲线由实验数据确定样品的起始转变温度为96.437K，零电阻温度为86.791K。二极管正向电压与温度之间是线性关系，温度越高，二极管两端的电压越小，即，有，与理论分析结果一致。铂电阻与温度之间是线性关系，温度越高，电阻越大，。样品电阻随温度变化关系曲线测量误差可能较大，原因可能是在样品从正常态转变为超导态，测得的数据较小，得到的曲线准确度小。5结论与建议实验主