高 Tc 超导体制备及 电阻－温度特性测量 电科 091 王明权

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 4.2 Ｋ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。

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。

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。

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，

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。

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。

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 T c （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 T c 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，

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 T c 有以下几种定义：

(1) 临界温度 T c 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 R n （称为正常态电 阻），取Ｒ c ＝ (1/2)R n 所对应的温度就为 T c (2) 零电阻温度 T c0 是指超导体保持直流电阻 R ＝ 0 ( 或 电阻率 = 0 ）时的最高温度

(3) 转变宽度 ΔT c 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 ％ R n 对应的温度区域 宽度为转变宽度． ΔT c 的大小一般反映了材料品质的 好坏，均匀单相的样品 ΔT c 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．

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 I c （常用临界电流 密度 J c ）和临界磁场Ｈ c ．

临界温度 T c 、临电流密度 J c 和 临界磁场 H c 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．

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 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

实验设备 HT288 型高 Tc 超导体电阻 --- 温度测量仪

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 。

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）（a） (b)

（ 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) ；

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。

（ 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。

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

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 ．

谢谢欣赏！