高溫超導(dǎo)材料的低溫?zé)犭妱?shì)

1、高溫超導(dǎo)材料的低溫?zé)犭妱?shì)高溫超導(dǎo)材料的低溫?zé)犭妱?shì)引言引言熱電效應(yīng)是金屬材料的基本物理現(xiàn)象之一。金屬和合金的輸運(yùn)性質(zhì)一直是人們關(guān)注的研究的課題。長(zhǎng)期以來主要集中于其電導(dǎo)行為的研究。自從 1978 年報(bào)道 Nagel 指出測(cè)量材料的熱電勢(shì)率是研究電子散射機(jī)理極其靈敏的方法后，近幾年來熱電勢(shì)的研究已引起人們極大的興趣。自 1987 年高溫超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)工作者對(duì)高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制作了大量的研究的工作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超導(dǎo)材料在超導(dǎo)相轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｏ鄷r(shí)，許多物理特性都會(huì)發(fā)生很大的變化。因此，熱電勢(shì)的測(cè)量也是科學(xué)工作者研究高溫超導(dǎo)材料低溫物性的重要手段之一。另外，測(cè)量材料的熱電勢(shì)對(duì)探索和尋找新的熱電材料也具有

2、非常重要的實(shí)際意義。熱電勢(shì)率的測(cè)量對(duì)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都具有重要的意義。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理（1）塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)1821 年塞貝克發(fā)現(xiàn)在銻與銅兩種材料組成的回路中，當(dāng)兩個(gè)觸點(diǎn)處于不同的溫度時(shí)，在回路中就有電流通過。人們把產(chǎn)生這種的電動(dòng)勢(shì)叫做熱電動(dòng)勢(shì)（見圖一） 。若兩種材是均勻的，那么熱電動(dòng)勢(shì)的大小就與兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度有關(guān)，產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)的原因主要由于：（a）兩種金屬逸出功不同；（b）兩種金屬的電子密度不同。從而產(chǎn)生電子從一種金屬穿過界面向另一種金屬的遷移，在接點(diǎn)處形成了接觸電勢(shì)，它與溫度有關(guān)，在兩接點(diǎn)溫度不相同時(shí)，其接觸電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和不等于零。所產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差就是熱電動(dòng)勢(shì)。在兩個(gè)接觸點(diǎn)溫度差不

3、大時(shí)熱電勢(shì)與溫度差成正比：EAB=SABT ,式中 EAB為 A，B 兩種材料所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)；T 為兩接點(diǎn)之間的溫度差，SAB為 A，B 兩種材料的相對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)，SAB不僅取決于 A,B 兩種材料的性能，也是溫度的函數(shù)。 （2）溫差電路的基本性質(zhì)溫差電路的基本性質(zhì) 溫差電路具有如下的基本性質(zhì)：（a）只有溫度梯度不可能在成分和組織結(jié)構(gòu)均勻的同種材料組成的閉合回路中維持溫差電流; (b) 如果整個(gè)電路的所有接頭處在同一溫度下，則任何不同的材料所組成的閉合回路的溫差電動(dòng)勢(shì)都為零。因此可以推論，可以把第三種均勻材料加到電路中，只要它的兩端處在同樣的溫度下，就不會(huì)影響回路的總溫差電動(dòng)勢(shì)。如圖二所示；（

4、c）兩種均勻金屬 A 和 B 組成的回路，溫差電動(dòng)勢(shì)具有可加性：EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）= EAB（T1，T3） 如圖三所示。 （3）溫差熱電偶的基本連接方法溫差熱電偶的基本連接方法 根據(jù)溫差電路的基本性質(zhì)，溫差熱電偶一般可以采用如下的方法來連接，當(dāng)測(cè)量某處的溫度 T 時(shí)，可以采用圖四（a）所示的接法，其中 T0是參考溫度，如果用一臺(tái)儀器測(cè)量數(shù)支溫差熱電偶的溫差熱電勢(shì)，可以采用圖四（b）的接法。在上述電路中，溫差熱電偶線和銅線相接的兩個(gè)接頭必須維持在同一個(gè)溫度。 （4）熱電勢(shì)率的測(cè)量方法熱電勢(shì)率的測(cè)量方法 測(cè)量材料的熱電勢(shì)率常用的方法有兩種：積分法和微分法。用積分法測(cè)量只要

5、把試樣X 與某一參考材料 A（低于室溫，常用純鉛做參考材料）的一端相焊，組成熱電偶的測(cè)兩端，插入恒溫塊中。試樣與參考材料 A 的另一端與銅線相焊接，組成熱電偶的參考端，與液池保持良好的熱接觸，使之與液池的溫度 T0保持不變。逐漸提高恒溫快的溫度 T，測(cè)量積分熱電勢(shì)與溫度 T 的關(guān)系， 然后求微分也可以得到熱電勢(shì)率 SAXE/T。TTAXAXdTSE0若已知參考材料 A 的絕對(duì)熱電勢(shì)率 SA，便可由 SAX=SX-SA 求得試樣 X 的絕對(duì)熱電勢(shì)率SX。微分法測(cè)熱電勢(shì)率的原理圖如圖六所示。試樣 X 兩端分別于溫度為 T1 和 T2的恒溫塊C 和 D 保持良好的熱接觸，C，D 之間的溫度差TT1和

6、T2，測(cè)量樣品 X 與參考材料 A之間的熱電勢(shì)E和溫度差T，則可由公式EAX=SAXT求得 SAX。為確保 SAX 為某一溫度 T 的熱電勢(shì)率，應(yīng)使T足夠小，通常要求T/T為 5%以下。圖六為用微分法測(cè)熱電勢(shì)率的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。C，D 分別為兩個(gè)恒溫銅塊，中間由聚四氟乙烯 T 支撐，每個(gè)恒溫快上貼有藍(lán)寶石片 E，以保證試樣 X 的端點(diǎn)與恒溫快有良好的熱接觸和電絕緣。C，D 上分別繞有錳銅絲作為加熱器和用作控溫的熱敏元件的銅電阻溫度計(jì)和銠鐵溫度計(jì)，C，D 的溫度由計(jì)算機(jī)來進(jìn)行溫度控制，并且用熱屏 S 所包圍（圖中未畫出來） ，置于由三根聚四氟乙烯支柱 G 支撐的銅塊上。K 為真空底座。真空室全部

7、泡在液氮（或者液氦）中。所有引線都通過 K 上的真空密封接頭 M 引出真空室而引向測(cè)量?jī)x器。該測(cè)量裝置可以測(cè)量固體材料在 4.2K-300K 的絕對(duì)熱電勢(shì)率，測(cè)量精度可以達(dá)到+_0.2V (微伏)/K。（1）實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)采用積分法測(cè)量超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7-熱電勢(shì)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖七所示，樣品架用德銀管與黃銅真空室蓋板（也就是真空室的上法蘭） ，紫銅恒溫塊焊接而成。在恒溫塊與真空室上法蘭之間的德銀管上有兩個(gè)孔.作為引線和抽真空用的臭氣通道。德銀管的上端與真空密封接頭連接，恒溫塊上繞有錳銅加熱絲。恒溫塊用電加熱的方法由人工控制其溫度。真空室用保險(xiǎn)絲作密封圈進(jìn)行密封。抽好真空后，將真空室的真

8、空閥門關(guān)好，然后將真空室緩慢放入盛有液氮的玻璃杜瓦瓶中預(yù)冷。放入的速度一定不能快，負(fù)責(zé)液氮濺出會(huì)傷害人的，另外放入太快也會(huì)浪費(fèi)液氮。 （本實(shí)驗(yàn)用的溫度計(jì)是銅-康銅熱電偶溫度計(jì)，見銅-康銅熱電偶溫度計(jì)溫度定標(biāo)表，溫度計(jì)的參考點(diǎn)就貼在真空室的上法蘭上，因?yàn)檎麄€(gè)真空室都泡在液氮中所以真空室的上法蘭的溫度就是液氮溫度） 。將超導(dǎo)樣品用銅線相連接，其兩端分別與恒溫塊（可以獲得測(cè)量的溫度）和從上法蘭上引過來的紫銅桿（參考溫度）相接觸（注意既要保持良好的熱接觸好要做到電絕緣） 。所有引線用銅漆包線，經(jīng)德銀管真空密封接頭引到室溫測(cè)量?jī)x器上。 圖 7 積分法測(cè)量熱電勢(shì)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖樣品熱電勢(shì) E 和銅-康銅熱

9、電偶的熱電勢(shì) Ecu-con,分別由兩臺(tái) KEITHLY 數(shù)字多用表來測(cè)量。該表的電壓分辨率為 0.1V.直流穩(wěn)壓電源為樣品提供加熱功率，測(cè)量線路的方柜圖如圖8 所示。圖 8. 測(cè)量線路的方柜圖 (2)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為了使同學(xué)們對(duì)高溫超導(dǎo)材料的超導(dǎo)特性有更進(jìn)一步的了解，本試驗(yàn)直接測(cè)量的量是對(duì)于固定的參考溫度（液氮溫度）在不同的測(cè)量點(diǎn)（即恒溫塊）溫度下，高溫超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7-樣品在不同溫度下的溫差熱電勢(shì)。由于超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7-在其臨界溫度附近存在一個(gè)從超導(dǎo)相到正常相的相變過程，其溫差熱電勢(shì)在其臨界溫度附近也有一個(gè)突然的變化。因此用測(cè)量溫差熱電勢(shì)的方法也可以檢測(cè)超導(dǎo)材料的 Tc.測(cè)

10、量端的溫度是用溫差熱電偶（本實(shí)驗(yàn)用的是銅-康銅熱電偶溫度計(jì)）的溫差熱電勢(shì) Ecu-con的值來確定的（可以?？粗v義中的銅-康銅熱電偶溫度計(jì)用液氮作為參考點(diǎn)的溫度定表，也可以通過計(jì)算機(jī)用已經(jīng)擬合好的溫度計(jì)算公式來進(jìn)行計(jì)算得到溫度） 。在 77-300K 的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量高溫超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7-樣品的溫差熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系.(3)實(shí)驗(yàn)步驟(a)將待測(cè)樣品用低溫膠(導(dǎo)熱比較好)粘貼到測(cè)量點(diǎn)和參考點(diǎn)之間(粘貼時(shí)要保證樣品和樣品架,參考點(diǎn)之間的電絕緣).(b)用保險(xiǎn)絲將真空室密封,在室溫下抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到機(jī)械泵的極限真空時(shí)(一般為10-4mmHg(毫米汞柱)量級(jí))關(guān)緊真空室的閥門.然后緩

11、慢放入盛有液氮的玻璃杜瓦瓶?jī)?nèi),讓真空室自然冷卻到液氮溫度;(a,b 兩步在實(shí)驗(yàn)前又實(shí)驗(yàn)老師提前準(zhǔn)備就緒)(c)測(cè)量液氮溫度時(shí)的銅-康銅熱電偶溫度計(jì)的溫差熱電勢(shì) Ecu-con, 并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn);(若整個(gè)恒溫器都冷卻到了液氮溫度，說測(cè)量的銅-康銅熱電偶溫度計(jì)的溫差熱電勢(shì) Ecu-con應(yīng)該為零，如果不為零，那么所測(cè)量的溫差熱電勢(shì)則是由整個(gè)回路所產(chǎn)生的寄生電動(dòng)勢(shì)或者是數(shù)字電壓表的零點(diǎn)未調(diào)整好而引起的，這時(shí)可將數(shù)字電壓表重新調(diào)整，令其輸入為零。（d）打開直流穩(wěn)壓電源，通過調(diào)整直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓給恒溫塊上的加熱器提供加熱功率以達(dá)到給樣品升溫的目的。由于超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7-樣品相變溫度范圍

12、TT很窄，如果想要得到很好的熱電勢(shì)隨溫度變化的曲線則要求數(shù)據(jù)點(diǎn)越多越好，所以本實(shí)驗(yàn)不要求控溫，用兩臺(tái)數(shù)字電壓表同時(shí)讀出樣品和溫度計(jì)的熱電勢(shì)值，這樣就可以測(cè)量出更多的數(shù)據(jù)。測(cè)量順序?yàn)殂~-康銅熱電偶溫度計(jì)的熱電勢(shì) Ecu-con,高溫超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7-樣品的溫差熱電勢(shì).記錄銅-康銅熱電偶溫度計(jì)的熱電勢(shì)和超導(dǎo)樣品的熱電勢(shì),以便測(cè)量完畢后作圖.(e)在 77K-300K 溫區(qū)測(cè)量高溫超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7-樣品的溫差熱電勢(shì)，由于該材料的 Tc在 90K 附近，因此要求從 77K 到 120K 樣品上的熱電勢(shì)每變化 1V 測(cè)量一個(gè)點(diǎn)， （試驗(yàn)講義后面有一個(gè)用液氮作為參考點(diǎn)的銅-康銅熱電

13、偶的溫度計(jì)定標(biāo)表，標(biāo)準(zhǔn)的液氮溫度為77.35）因?yàn)樵诖藴貐^(qū)超導(dǎo)樣品產(chǎn)生相變，樣品的熱電勢(shì)變化比較快，而超導(dǎo)相變溫度以下其熱電勢(shì)理論上應(yīng)該為 0，所以要求該溫區(qū)測(cè)量點(diǎn)要密一些，以作圖時(shí)能比較清晰的反映出超導(dǎo)相變的過程。120K 以后樣品的熱電勢(shì)時(shí)線性變化的，所以 120K 以后不必測(cè)量的和上述溫度區(qū)間的一樣密了。要求樣品上熱電勢(shì)每變化 2V 測(cè)量一個(gè)點(diǎn)。一直測(cè)量到 200K就可以結(jié)束測(cè)量。（4）由于此實(shí)驗(yàn)是升溫測(cè)量的，所以在升溫過程中切勿加熱過快，以免錯(cuò)過需要測(cè)量的數(shù)據(jù)。如果錯(cuò)過了測(cè)量的數(shù)據(jù)那就只好耐心等待樣品的溫度自然的降下來。實(shí)驗(yàn)要求和思考題實(shí)驗(yàn)要求和思考題(1) 將所測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī),

14、并利用計(jì)算機(jī)內(nèi)已經(jīng)擬合好的溫度計(jì)算公式將所測(cè)量的溫度計(jì)的熱電勢(shì)換算成溫度.(2) 用作圖軟件將所測(cè)量的結(jié)果繪制成高溫超導(dǎo)材料 YBa2Cu3O7-樣品的溫差熱電勢(shì)與溫度關(guān)系的曲線圖.同時(shí)求出該材料的臨界溫度 Tc.(3) 回答下列思考題 （a）試討論用微分法和積分法測(cè)量熱電勢(shì)各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?假如所測(cè)量的樣品在你所測(cè)量的溫區(qū)內(nèi)存在相變，哪種方法測(cè)量其熱電勢(shì)更為合適？ (b) 若測(cè)量線路中存在亂真電動(dòng)勢(shì)，對(duì)于計(jì)分法測(cè)量是否有影響？對(duì)于微分法測(cè)量呢？若有影響如何消除？ （d）說說你做完這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)后的收獲，對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的提出您的意見和建議。 以液氮為參考點(diǎn)的銅-康銅熱電偶溫度計(jì)定標(biāo)表（液氮溫度為 77

15、.35K）T（K） E（V）T（K） E（V）T（K） E（V）T（K） E（V）70.5 -110.38127.0 995.67183.5 2510.74240.0 4358.6371.0 -102.56127.5 1007.37184.0 2525.77240.5 4376.2471.5 -94.70128.0 1019.09184.5 2540.82241.0 4393.8972.0 -86.80128.5 1030.85185.0 2555.90241.5 4411.9572.5 -78.87129.0 1042.65185.5 2571.01242.0 4429.2473.0 -70

16、.90129.5 1054.47186.0 2586.14242.5 4446.9473.5 -62.89130.0 1066.33186.5 2601.30243.0 4464.6774.0 -54.85130.5 1078.22187.0 2616.49243.5 4482.4374.5 -46.77131.0 1090.14187.5 2631.70244.0 4500.2075.0 -38.65131.5 1102.09188.0 2646.93244.5 4518.0075.5 -30.49132.0 1114.07188.5 2662.19245.0 4535.8276.0 -22

17、.30132.5 1126.09189.0 2677.48245.5 4553.6776.5 -14.07133.0 1138.14189.5 2692.79246.0 4571.5477.0 -5.81133.5 1150.22190.0 2708.13246.5 4589.4377.5 2.49134.0 1162.33190.5 2723.49247.0 4607.3478.0 10.83134.5 1174.47191.0 2738.87247.5 4625.2878.5 19.21135.0 1186.65191.5 2754.28248.0 4643.6479.0 27.62135

18、.5 1198.86192.0 2769.72248.5 4661.2279.5 36.36136.0 1211.10192.5 2785.18249.0 4679.2380.0 44.36136.5 1223.37193.0 2800.67249.5 4697.2480.5 53.67137.0 1235.67193.5 2816.18250.0 4715.3281.0 67.62137.5 1248.00194.0 2831.71250.5 4733.4081.5 70.21138.0 1260.37194.5 2847.27251.0 4751.5182.0 78.44138.5 127

19、2.76195.0 2862.85251.5 4769.6382.5 87.50139.0 1285.19195.5 2878.46252.0 4787.7983.0 96.20139.5 1297.65196.0 2894.09252.5 4805.8683.5 104.93140.0 1310.14196.5 2909.75253.0 4824.1784.0 113.70140.5 1322.66197.0 2925.43253.5 4842.3984.5 122.51141.0 1335.21197.5 2941.13254.0 4860.6585.0 131.35141.5 1347.

20、80198.0 2956.86254.5 4878.9285.5 140.22 142.0 1360.41198.5 2972.62255.0 4897.2386.0 149.18142.5 1373.06199.0 2988.39255.5 4915.5586.5 158.08143.0 1385.73199.5 3004.19256.0 4933.9187.0 167.06143.5 1393.44200.0 3021.02256.5 4952.2987.5 176.08144.0 1411.18200.5 3035.86257.0 4970.6988.0 185.13144.5 1423

21、.95201.0 3051.73257.5 4989.1288.5 194.22145.0 1436.75201.5 3067.63258.0 5007.5889.0 203.44145.5 1449.58202.0 3083.55258.5 5026.0689.5 212.49146.0 1462.45202.5 3099.49259.0 5044.5790.0 221.68146.5 1475.34203.0 3115.45259.5 5063.1190.5 230.91147.0 1488.26203.5 3131.44260.0 5081.6891.0 240.17147.5 1501

22、.22204.0 3147.45260.5 5100.2791.5 249.47148.0 1514.20204.5 3163.49261.0 5118.8992.0 258.80148.5 1527.22205.0 3179.55261.5 5137.5492.5 268.16149.0 1540.26205.5 3195.63262.0 5156.2193.0 277.56149.5 1553.34206.0 3211.73262.5 5174.9193.5 286.99150.0 1566.45206.5 3227.86263.0 5193.6494.0 296.46150.5 1579

23、.58207.0 3244.01263.5 5212.4094.5 305.96151.0 1592.75207.5 3260.18264.0 5231.1995.0 315.50151.5 1605.95208.0 3276.38264.5 5250.0195.5 325.07152.0 1619.18208.5 3292.59265.0 5268.8696.0 334.68152.5 1632.44209.0 3308.83 265.5 5287.7396.5 344.31153.0 1645.72209.5 3325.10266.0 5306.6497.0 353.99153.5 165

24、9.04210.0 3341.38266.5 5325.5797.5 363.70154.0 1672.39210.5 3357.69267.0 5344.5498.0 373.44154.5 1685.77211.0 3374.02267.5 5663.5498.5 383.21155.0 1699.17211.5 3390.38268.0 5382.5699.0 393.02155.5 1712.61212.0 3406.75268.5 5401.6299.5 402.87156.0 1726.08212.5 3423.15269.0 5420.71100.0 412.75156.5 17

25、39.58213.0 3439.57269.5 5439.83100.5 422.66157.0 1753.10213.5 3456.01270.0 5458.99101.0 432.60157.5 1766.66214.0 3472.48270.5 5478.17101.5 442.58158.0 1780.24214.5 3488.96271.0 5497.39102.0 452.60158.5 1793.86215.0 3505.47271.5 5516.64102.5 462.04159.0 1807.50215.5 3522.00272.0 5535.92103.0 472.7215

26、9.5 1821.18216.0 3538.55272.5 5555.24103.5 482.84160.0 1834.88216.5 3555.13273.0 5574.59104.0 492.99160.5 1848.61217.0 3571.73273.5 5593.98104.5 503.17161.0 1862.37217.5 3588.34274.0 5613.40105.0 513.39161.5 1876.16218.0 3604.99274.5 5632.85105.5 523.63162.0 1889.98218.5 3621.65275.0 5652.34106.0 53

27、3.92162.5 1903.83219.0 3638.33275.5 5671.86106.5 544.23163.0 1917.71219.5 3655.04276.0 5691.42107.0 554.58163.5 1931.62220.0 3671.77276.5 5711.02107.5 564.97164.0 1945.55220.5 3688.52277.0 5730.65108.0 575.38164.5 1959.51221.0 3705.29277.5 5750.32108.5 585.83165.0 1973.51221.5 3722.08278.0 5770.0310

28、9.0 596.32165.5 1987.53222.0 3738.90278.5 5789.78109.5 606.83166.0 2001.58222.5 3755.73279.0 5809.56110.0 617.38166.5 2015.65223.0 3772.79279.5 5829.38110.5 627.96167.0 2029.76223.5 3789.47280.0 5849.24111.0 638.58167.5 2043.89224.0 3806.37280.5 5869.14111.5 649.23168.0 2058.06224.5 3823.29281.0 588

29、9.08112.0 659.91168.5 2072.24225.0 3840.24281.5 5909.06112.5 670.63169.0 2086.47225.5 3857.20282.0 5929.08113.0 681.38169.5 2100.71226.0 3874.19282.5 5949.14113.5 692.16170.0 2114.99226.5 3891.20283.0 5969.24114.0 702.97170.5 2129.29227.0 3908.23283.5 5989.38114.5 713.82171.0 2143.62227.5 3925.28284.0 6009.57115.0 724.70171.5 2157.98228.0 3942.36284.5 6029.80115.5 735.62172.0 2172.37228.5 3959.45285.0 6050.07116.0 746.56172.5 2186.78229.0 3976.15285.5 6070.39116.5 757.54173.0 2201.22229.5 3993.71286.0 6090.75117.0 768.56173.5 2215.6923