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高 Tc 超导体制备及 电阻－温度特性测量 电科 091 王明权 09461126
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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。
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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。
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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。
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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，
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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。
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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。
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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，
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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：
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(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
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(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．
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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 ．
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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．
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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 7.8.9. 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
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实验设备 HT288 型高 Tc 超导体电阻 --- 温度测量仪
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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 。
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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)
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（ 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) ；
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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。
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（ 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。
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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
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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 ．
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