高臨界溫度超導(dǎo)體臨界溫度的電阻測量法一．教學(xué)組織授課形式：提煉式講解與輔導(dǎo)相結(jié)合；教學(xué)手段：PPT結(jié)合板書。二．教學(xué)要求1.利用動(dòng)態(tài)法測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、測溫及控溫的原理和方法。學(xué)習(xí)利用四端子法測量超導(dǎo)材料電阻和熱電勢的消除等基本實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與處理。選用穩(wěn)態(tài)法測量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)進(jìn)行比較。三.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、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)生正常一超導(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)榱愕模鐖D1所示。起始溫度Ts(OnsetPoint)為R—T曲線開始偏離線性所對應(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)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%所對應(yīng)的溫度間隔。高Tc材料發(fā)現(xiàn)之前，對于金屬、合金及化合物等超導(dǎo)體，長期以來在測試工作中，一般將中點(diǎn)溫度定義為Tc，即Tc=Tm。對于高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、中點(diǎn)溫度及零電阻溫度。而所謂零電阻在測量中總是與測量儀表的精度、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)。這是測量時(shí)應(yīng)予注意的。圖1超導(dǎo)材料的電阻－溫度曲線恒流電源 D 超導(dǎo)樣品—%紜―1234接電位差計(jì)或直流微伏計(jì)圖2四端子接線法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，這與零電阻的測量要求顯然是不符合的。為消除接觸電阻對測量的影響，常采用圖2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，用來檢測樣品的電壓。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端的電壓測量無關(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，但是由于電壓測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量帶來的影響。按此法測得電極2、3端的電壓除以流過樣品的電流，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．溫度控制及測量臨界溫度Tc的測量工作取決于合理的溫度控制及正確的溫度測量。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77.348K，三相點(diǎn)為63.148K，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，不純凈的液氮不存在三相點(diǎn)）。對三相點(diǎn)和沸點(diǎn)之間的溫度，只要把樣品直接浸入液氮，并對密封的液氮容器抽氣降溫，一定的蒸汽壓就對應(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，并能對樣品進(jìn)行一種或多種物理量的測量。這里所稱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)格控制并被測量。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。用于電阻法測量時(shí)，可以同時(shí)測量多個(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)用于測量時(shí)又稱定點(diǎn)測量法。(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自然獲取中間溫度的一種簡便易行的控溫方法。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)測量，也能進(jìn)行定點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)測量，以便進(jìn)行兩種測量方法和測量結(jié)果的比較。4．熱電勢及熱電勢的消除用四端子法測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，電壓端也常能測量到幾微伏至幾十微伏的電壓降。而對于高Tc超導(dǎo)樣品，能檢測到的電阻常在10-5?10-1Q之間，測量電流通常取1至100mA左右，取更大的電流將對測量結(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?103》V之間，因而熱電勢對測量的影響很大，若不采取有效的測量方法予以消除，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。測量中出現(xiàn)的熱電勢主要來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。特別在動(dòng)態(tài)測量情形，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。樣品上的溫差厶T會(huì)引起載流子的擴(kuò)散，產(chǎn)生熱電勢E。E=SAT (1)S是樣品的微分熱電勢，其單位是uV?K—1。對高Tc超導(dǎo)樣品熱電勢的討論比較復(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)，利用熱電勢的測量可以獲知載流子性質(zhì)的信息。對于同時(shí)存在兩種載流子的情況，它們對熱電勢的貢獻(xiàn)要乘一權(quán)重，滿足所謂Nordheim-Gorter法則。式中SA>SB是A、B兩種載流子本身的熱電勢，aA、aB分別為A、B兩種載流子相應(yīng)的電導(dǎo)率。a=oA+aB。材料處在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，S=0。為消除熱電勢對測量電阻率的影響，通常采取下列措施：對于動(dòng)態(tài)測量。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，測量中溫度變化應(yīng)該相對地較緩慢。對于動(dòng)態(tài)測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，通過后面所述的電流換向法或通斷法檢查。對于穩(wěn)態(tài)測量。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，分別得到電壓測量值ua、ub，則超導(dǎo)材料測電壓電極間的電阻為(3)|U-UI(U+|U(3)R=——A —=A一一B 21 I②電流通斷法：切斷恒流電源的電流，此時(shí)測電壓電極間量到的電壓即是樣品及引線的積分熱電勢，通電流后得到新的測量值，減去熱電勢即是真正的電壓降。若通斷電流時(shí)測量值無變化，表明樣品已經(jīng)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。四．實(shí)驗(yàn)操作（一）、動(dòng)態(tài)測量1．打開儀器和超導(dǎo)測量軟件。2．儀器面板上《測量方式》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內(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)，畫出正反向電流所測電壓隨溫度的變化曲線，最低溫度到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，降溫方式測量結(jié)束。8．重新點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”將樣品桿拿出杜瓦瓶，作升溫測量，測出升溫曲線。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)”，分別測出正反向電流時(shí)的電壓值。調(diào)節(jié)“溫度設(shè)定”旋鈕，設(shè)定溫度為80K，加熱器對樣品加熱，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，測量正反向電流對應(yīng)的電壓值。3．將樣品杠往上提一些，重復(fù)步驟2，設(shè)定溫度為82K進(jìn)行測量。在110K以下每2?3K測一點(diǎn)，在110K以上每5?10K測一點(diǎn)，直至室溫。算出不同溫度對應(yīng)的電阻值，畫出電阻隨溫度的變化曲線。操作注意事項(xiàng)動(dòng)態(tài)法測量時(shí)，熱弛豫對測量的影響很大。它對熱電勢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、觀察熱電勢的影響。動(dòng)態(tài)法測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這