低溫物理與技術(shù)-第6章 低溫物性測量

1、第第7章章 低溫物性測量低溫物性測量 1908年年Heike Kamerlingh Onnes把最后把最后種種“永久氣體永久氣體”氦液化氦液化后，后，1909年達(dá)到了年達(dá)到了1.38K，1910年為年為1.04K. 與此同時(shí)與此同時(shí)Onnes利用萊頓大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)利用萊頓大學(xué)低溫實(shí)驗(yàn)室優(yōu)良的制冷設(shè)備和他高超的實(shí)驗(yàn)技巧室優(yōu)良的制冷設(shè)備和他高超的實(shí)驗(yàn)技巧開展低溫物理研究。開展低溫物理研究。19111911年他發(fā)現(xiàn)了汞年他發(fā)現(xiàn)了汞的超導(dǎo)電性、開創(chuàng)了現(xiàn)代低溫物理和低的超導(dǎo)電性、開創(chuàng)了現(xiàn)代低溫物理和低溫技術(shù)的新紀(jì)元，從而成為當(dāng)之無愧的溫技術(shù)的新紀(jì)元，從而成為當(dāng)之無愧的“低溫之父低溫之父”。由于由于“對(duì)物質(zhì)

2、低溫性質(zhì)對(duì)物質(zhì)低溫性質(zhì)的研究和制成液氦的研究和制成液氦”而獲得了而獲得了1913年度年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，時(shí)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，時(shí)年60歲歲。Heike Kamerlingh Onnes7.1 低溫下導(dǎo)體的電阻及其測量低溫下導(dǎo)體的電阻及其測量 Vs=Ig(Rc2+Rc3)+ IgRg =(Is- Ig)Rs V4 = IgRgIf RgRc2, RgRc3, Rg+Rc2+Rc3Rs, IsIg V4Vs直流電阻的測量直流電阻的測量 四引線法四引線法VVs小電阻的精確測量方法小電阻的精確測量方法與兩端或三端法與兩端或三端法的區(qū)別是什么的區(qū)別是什么?Rc2Rc1Rc3Rc4 V=Is(Rc1+R

3、c4)+ IsRs V4 IsRsIf Rc1+Rc4+RsRc1, RoutRc4, Is cons. V4 VsVVsRc2Rc1Rc3Rc4If Rc1+Rc4+Rs Rout, Rc1 or Rc4RsIs? Vg ? 隨著溫度的降低電阻呈半導(dǎo)體行為增加，隨著溫度的降低電阻呈半導(dǎo)體行為增加，當(dāng)當(dāng)RsRg時(shí)，測量結(jié)果是否正確？時(shí)，測量結(jié)果是否正確？t樣品厚度樣品厚度電極制作電極制作引線材料：引線材料：金、銀、銅、鉑、鍍銀銅絲、超導(dǎo)材料等金、銀、銅、鉑、鍍銀銅絲、超導(dǎo)材料等粘接材料：粘接材料：焊錫、銦、銀膠、金膠、碳膠、銀、環(huán)氧樹脂等焊錫、銦、銀膠、金膠、碳膠、銀、環(huán)氧樹脂等粘接方式：粘接

4、方式：焊接、粘接、壓接（壓銦、機(jī)械壓接）、超聲點(diǎn)焊、噴涂焊接、粘接、壓接（壓銦、機(jī)械壓接）、超聲點(diǎn)焊、噴涂等等樣品預(yù)處理：樣品預(yù)處理：去絕緣層、鍍膜、退火去絕緣層、鍍膜、退火/燒結(jié)、擦銦燒結(jié)、擦銦超聲焊接超聲焊接接觸電阻的兩個(gè)來源：勢壘層接觸面收縮金屬電阻率的實(shí)驗(yàn)觀測金屬電阻率的實(shí)驗(yàn)觀測 金屬高電導(dǎo)率的事實(shí)早已被發(fā)現(xiàn)和利用，它的電導(dǎo)率溫金屬高電導(dǎo)率的事實(shí)早已被發(fā)現(xiàn)和利用，它的電導(dǎo)率溫度關(guān)系對(duì)材料的應(yīng)有有著重大影響，所以進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研度關(guān)系對(duì)材料的應(yīng)有有著重大影響，所以進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，得到了不少規(guī)律性的結(jié)果，純金屬的電阻率可以明顯地分究，得到了不少規(guī)律性的結(jié)果，純金屬的電阻率可以明顯地

5、分成兩個(gè)獨(dú)立部分之和：成兩個(gè)獨(dú)立部分之和：0( )lT l 與溫度有關(guān)，稱作本征與溫度有關(guān)，稱作本征電阻。它隨溫度的降低而減小，電阻。它隨溫度的降低而減小，T0K時(shí)，時(shí)， l 0。初步判斷。初步判斷它應(yīng)是因晶格振動(dòng)引起的。它應(yīng)是因晶格振動(dòng)引起的。 更多實(shí)驗(yàn)指出，許多純金屬的電阻率在很寬的溫度范圍更多實(shí)驗(yàn)指出，許多純金屬的電阻率在很寬的溫度范圍內(nèi)，可用下面經(jīng)驗(yàn)公式描述，內(nèi)，可用下面經(jīng)驗(yàn)公式描述，其中，其中，A 是金屬的特征常數(shù)，是金屬的特征常數(shù)，M 是金屬原子質(zhì)量，是金屬原子質(zhì)量，TD是德拜是德拜溫度，該經(jīng)驗(yàn)公式稱為布洛赫溫度，該經(jīng)驗(yàn)公式稱為布洛赫-格林愛森公式。格林愛森公式。 當(dāng)當(dāng)T 0.5

6、TD時(shí)，上式簡化為：時(shí)，上式簡化為： 24DATTMT這就是熟知的金屬在高溫下電阻率同溫度成正比的關(guān)系。這就是熟知的金屬在高溫下電阻率同溫度成正比的關(guān)系。 0 0與溫度無關(guān)，稱作剩余電阻。與金屬中的缺陷和雜質(zhì)有關(guān)。與溫度無關(guān)，稱作剩余電阻。與金屬中的缺陷和雜質(zhì)有關(guān)。在缺陷濃度不算大時(shí)，在缺陷濃度不算大時(shí)， l l不依賴于缺陷數(shù)目，而不依賴于缺陷數(shù)目，而 0 0不依賴溫度，不依賴溫度，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論被稱為這個(gè)經(jīng)驗(yàn)性結(jié)論被稱為 MatthiessenMatthiessen定則。實(shí)驗(yàn)表明：大多數(shù)金定則。實(shí)驗(yàn)表明：大多數(shù)金屬的電阻率在室溫下主要由聲子碰撞所支配，液氦溫度（屬的電阻率在室溫下主要由聲子碰

7、撞所支配，液氦溫度（4K)4K)下，下，由雜質(zhì)和缺陷的散射為主。由雜質(zhì)和缺陷的散射為主。556x0d( )e1 1DTTxDATxxTMTeT當(dāng)當(dāng)T /3時(shí)時(shí), 電阻隨溫度線性變化電阻隨溫度線性變化;當(dāng)當(dāng)T0.5g），高準(zhǔn)確度，），高準(zhǔn)確度， 逐點(diǎn)測量逐點(diǎn)測量連續(xù)法：連續(xù)法： 小樣品小樣品(0.1g)，測量方便，準(zhǔn)確度低，連續(xù)測量，測量方便，準(zhǔn)確度低，連續(xù)測量馳豫法：馳豫法： 小樣品（小樣品（1mg 200mg) 分辨率和準(zhǔn)確度較高，分辨率和準(zhǔn)確度較高，逐點(diǎn)測量逐點(diǎn)測量交流法：交流法： 小樣品（小樣品（0.2g), 高分辨率，連續(xù)測量高分辨率，連續(xù)測量各種比熱測量方法的特點(diǎn)和比較各種比熱測量方

8、法的特點(diǎn)和比較71熱馳豫法測量比熱原理 升溫過程升溫過程平衡時(shí)平衡時(shí)馳豫過程馳豫過程 tTTCTtP TtP 0tTTCT /00ttCeTeTtTC 樣品室 加熱器 基底 溫度計(jì) 導(dǎo)線 72用于測量比熱的Puck 樣品臺(tái) 樣品 樣品臺(tái) 加熱器 溫度計(jì) 導(dǎo)熱油脂 外觀 內(nèi)座 7.6 固體的熱導(dǎo)率及其測量固體的熱導(dǎo)率及其測量TTO測量測量超精細(xì)無液氦光學(xué)恒溫器超精細(xì)無液氦光學(xué)恒溫器熱流計(jì)法 熱流計(jì)法是一種基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理的比較法。如圖所示，將厚度一定的方形樣品插入兩個(gè)平板間，在其垂直方向通入一個(gè)恒定的單向的熱流，使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流，傳感器在平板與樣品之間和樣品接觸。當(dāng)冷

9、板和熱板的溫度穩(wěn)定后，測得樣品厚度、樣品上下表面的溫度和通過樣品的熱流量，根據(jù)傅立葉定律即 可確定樣品的導(dǎo)熱系數(shù)：式中：式中：q為通過樣品的熱流量，為通過樣品的熱流量，W/m2 樣品厚度，樣品厚度，m樣品上下表面溫差，樣品上下表面溫差， CC熱流計(jì)常數(shù)，由廠家給出，也可用已熱流計(jì)常數(shù)，由廠家給出，也可用已知導(dǎo)熱系數(shù)的材料進(jìn)行標(biāo)定得出。知導(dǎo)熱系數(shù)的材料進(jìn)行標(biāo)定得出。TCq 比熱測量比熱測量 有一面必須平整有一面必須平整 樣品質(zhì)量在樣品質(zhì)量在50mg-100mg之間利于得到好的精度，相對(duì)來說用之間利于得到好的精度，相對(duì)來說用時(shí)中等時(shí)中等 高溫測量很費(fèi)時(shí)間，如無必要千萬不要全溫區(qū)測量高溫測量很費(fèi)時(shí)間，如無必要千萬不要全溫區(qū)測量 Apizon N Grease 在在230K和和295K附近有兩個(gè)比熱峰，不要誤認(rèn)附近有兩個(gè)比熱峰，不要誤認(rèn)為來自于樣品。如確有必要在此溫區(qū)測量，可以嘗試使用為來自于樣品。如確有必要在此溫區(qū)測量，可以嘗試使用HGrease。 樣品的熱導(dǎo)必須足夠好。樣品的熱導(dǎo)必須足夠好。 磁性樣品在磁場下會(huì)損壞比熱架的細(xì)絲磁性樣品在磁場下會(huì)損壞比熱架的細(xì)絲 熱導(dǎo)測量熱導(dǎo)測量