高臨界溫度超導(dǎo)體臨界溫度的電阻測(cè)量

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

2、阻為零及完全抗磁性是超導(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７０多年的努力才獲得了最高臨界溫度為２３Ｋ的Ｎｂ３Ｇｅ超導(dǎo)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(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氧化物中發(fā)現(xiàn)了Ｔｃ＝４８Ｋ的超導(dǎo)電性。同年２月份，美

3、籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武在ＹＢａＣｕＯ系中發(fā)現(xiàn)了Ｔｃ＝９０Ｋ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，可以說這是科學(xué)史上又一次重大的突破。其后，在１９８８年１月，日本科學(xué)家ＨｉｒａｓｈｉＭａｅｄａ報(bào)導(dǎo)研制出臨界溫度為１０６Ｋ的ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系新型高溫超導(dǎo)體。同年２月，美國(guó)阿肯薩斯大學(xué)的ＡｌｌｅｎＨｅｒｍａｎｎ和ＺＺＳｈｅｎｇ等發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為１０６Ｋ的ＴｌＢａＣａＣｕＯ系超導(dǎo)體。一個(gè)月后，ＩＢＭ的Ａｌｍａｄｅｎ又將這

4、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)的劉宏寶等通過用Ｐｂ和Ｓｂ對(duì)Ｂｉ的部分取代，使ＢｉＳｒＣａＣｕＯ系超導(dǎo)材料的臨界溫度提高到了１３０Ｋ。這是迄今所報(bào)導(dǎo)的最高的臨界溫度。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康模狈謩e利用動(dòng)態(tài)法和穩(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。２通過實(shí)驗(yàn)掌握利用液氮容器內(nèi)的低溫空間改變氧化物超導(dǎo)材料溫度、測(cè)溫及控溫的原理和方法。３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)

5、方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與處理。實(shí)驗(yàn)原理實(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為超導(dǎo)臨界溫度。實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)材料發(fā)生正?！瑢?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441所示。起始溫度Ｔｓ（ＯｎｓｅｔＰｏｉｎｔ）為Ｒ—Ｔ曲線開始偏離線性所對(duì)應(yīng)的溫度；中點(diǎn)溫度Ｔm（mｉｄＰｏｉｎｔ）為電阻下降至起始溫度電阻Ｒｓ的一半時(shí)

6、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ΔＴ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Ｔc，即Ｔc＝Ｔm。對(duì)于高Ｔc氧化物超導(dǎo)體，由于其轉(zhuǎn)變寬度ΔＴ較寬，有些新試制的樣品ΔＴ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(shù)值，有時(shí)甚至同時(shí)給出上述的起始溫度、

7、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樣品的電流大小等因素有關(guān)，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。態(tài)測(cè)量，以便進(jìn)行兩種測(cè)量方法和測(cè)量結(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)，即使沒有電流流過樣品，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1０－5～1０－1Ω之間，測(cè)量電流

8、通常取1００μA至1０mA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，由于電流流過樣品而在電壓引線端產(chǎn)生的電壓降只在1０－2～1０3μＶ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。若樣品簡(jiǎn)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(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ΔＴ會(huì)引起載流子的擴(kuò)散，產(chǎn)生熱電勢(shì)Ｅ。Ｅ＝ＳΔＴ（441）Ｓ是樣品的微分熱電勢(shì)

10、，其單位是μＶＫ－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。Ｓ=(442）式中ＳA、ＳB是A、B兩種載流子本身的熱電勢(shì)，σA、σB分別為A、B兩種載流子相應(yīng)的電導(dǎo)率。σ＝σA＋σB。材料處在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，Ｓ＝０。為消除熱電勢(shì)對(duì)測(cè)量電阻率的影響，通常采取

11、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(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)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

12、度附近，通過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。①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R=(443）②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

13、斷電流時(shí)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)儀器實(shí)驗(yàn)儀器１低溫恒溫器實(shí)驗(yàn)用的恒溫器如圖４４３所示，均溫塊１是一塊經(jīng)過加工的紫銅塊，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)過定標(biāo)的銅電阻溫度計(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。超導(dǎo)樣品６的安裝是很重要的