2023年实验报告高温超导

实验报告姓名:王航 班级:F０7０302８学号:实验成绩：同组姓名：孙鼎成 实验日期:2０2３.10.２0指导教师：助教3５批阅日期:高温超导材料特性测量实验目的：了解高。临界温度超导材料的基本电特性和测量方法。了解低温下半导体PN结的伏安特性与温度的关系。了解低温实验的测量方法。实验原理：高温超导在低温测量时,为了减少漏热，样品的测量引线又细又长,引线的电阻与样品的电阻相比不可忽略,对超导样品来说，引线的电阻要大很多。为了减小引线电阻和接触电阻对测量带来的影响,通常采用四线测量法。图1四端引线法四线测量法的方法如图图1四端引线法在直流低电压测量中,如何判断和修正乱真电势带来的影响是十分重要的。事实上,由于材料的不均匀性和温差，就有温差电势的存在。通常称为乱真电势或寄生电势。我们只要用一段短的导线把数字电压表短接，用手靠近其中一个接线端来改变温度，我们就会看到数字电压表读数的变化。在低温实验中，待测样品和传感器处在低温中，而测量仪表处在室温中,因此它们的连接线处在温差很大的环境里,并且沿导线的温度分布还会随着低温液体液面的减少、低温容器的移动等变化而变化。所以在涉及直流低电压测量的实验中，鉴定和消除乱真电势的影响是实验中一个十分重要的环节。高温超导材料电性转变温度并不是只由温度决定，只有保持在外磁场、流经电流和应力等值足够低时,超导样品的转变温度被称为超导临界转变温度Tc．由于一般上述条件不能完全满足（比如地磁场），并且超导转变往往有一个区域，因此引入起始转变温度Tconset,零电阻温度Tc0，和中点转变温度T高温超导体样品超导特性的测量采用如图1所示的四端接法,外两根导线为电流端，连接恒流电源.内两根导线为电压端,连接内阻非常高的电压表.这样可以避免引线电阻和接触电阻带来的测量误差．PN结伏安特性与温度的关系在半导体理论中可导出PN结的电压V和电流密度J关系J=AT其中常数r≈1，A是比例因子,qVg=E对上式两边取对数，整理后得到V=在正常情况下，V<Vk即Ｖ将随着Ｔ的升高而减小，在流过电流不变的情况下，近似一条直线．图４给出了PN结在不同电流下两端电压与温度的关系,从图中可看出:当电流不同时,曲线的斜率也不同，若外延到T=0K，它们相交与一点，相应的电压就是Vg．由图可知,二极管PN结能在很宽的范围内测量温度,但由于制造工艺关系,其一致性不是很好,斜率不能唯一拟定．金属电阻不同的材料,电阻率随温度的变化有很大的差别,它反映了物质的内部属性，是研究物质性质的基本方法之一。当温度高于绝对温度时，在金属中,电子的定向运动受到晶格的散射而呈现出电阻。研究表白，当（Ｔ/）>0.５时,金属的电阻正比于温度T，其中是德拜温度。θ上述结论是对纯金属而言,而事实上金属存在杂质、缺陷、位错等，它们会对金属导致附加电阻，这部分电阻近似地与温度无关。在金属的纯度很高时,金属的总电阻率可表达为ρ=在液氮温度以上时，ρiT≫ρ0,因此有ρ≈ρi在液氮正常沸点温度到室温的范围内，铂电阻温度计具有良好的线性电阻温度关系，可表达为R式中A，B是不随温度变化的常数。铂的性能稳定，电阻的温度系数较高,不易氧化，线性好,复现性好，常被用作温度的精密测量，其测量范围的低温端可达１3．8１Ｋ。在这里,我们用铂电阻作为测量温度的指示。数据解决:实验中,并没有按照我们预想的做高温超导材料的实验，而是只做了PN结与温度关系实验。实验采用四端接线法，比较简朴。老师向杜瓦瓶中倒入液氮,我们小组连接好电路,等到PN结和铂电阻两端的电压稳定后开始测量数据。I=500μAＩ＝１0０μAPT(ｍV)PＮ(V)ＰT(ｍV)PＮ（V)2１.01.033２1.01.01428.０１．00２２７.90．97935.0０.95８35.10.９3１４1.0０.9３７41.00.90４45．0０.9１84５.０0．88250.00．８９3４９.８0.8545６.00.８62５５.9０.819６3．8０.8２1６３．９0.７７369.70.7906９.8０.7397６．10.7５376.7０.６91８３．7０.71583.8０.６52９３．０0.６6４９3．00．5９5１０0.０0.62５10０.10.552Ｉ=5０μAＩ=10μAPT(mV)PN(Ｖ)PT(mV)ＰＮ(V）21．01.005２1.00.98427.4０．９7127.40.9453５.20.9183５．10.89841.40.8９041．３0.85７45.２0.８66４５.2０．８2850.０0.83７50.１0.796５6．1０.80056．20．７５5６４.00.７526４.00.701６9.70.71６69.70.66２76.70.67276.8０.61383.8０.626８3．８0.56293.10.５679３.10.５0０10０．3０．52１１00.30.４51I＝5μAPT(mV)PN(V)2１.00.97５27.40.9333５.１0．８８041．3０.84045.30.８1150.10．7７856.20.73564.00．６７8６9.70.63８76.80．5８783.8０．53593.10.472100.30.419

为了得到与PT电压相对的温度，我们参照了实验附表的Pｔ1０0的分度表。从中我们选取了实验范围内的数据点，得到表格如下。ｔ/℃PＴ/mＶｔ/℃PT/ｍV18.4９-200６8.3３-8022．8０-１9072．33-7027.08-180７６.33-6０3１.３２-１７080.3１-５０35.５３-1６084.２７－40３９.7１-150８8.2２-3043.8７－１4０92.16－20４8．０0-１30９6.06－１052.１1-120１00.000５6.1９-110１03．９０1060.２5-10010７.７９2064.３0-90１１1．6７30将这些数据导入Ｏrigｉｎ之后进行拟合，得到图线如下。从中看出，表中所给出的数据十分符合线性关系，因此我在这里采用了线性拟合,得到铂电阻的电压－温度方程为T=-247.928８+2.4７32７*Vpt+273.16因此,将实验中测出的Vpt带入方程,得到下表I=500μAＩ＝1００μAPT(mV)T(K）PN(Ｖ)PT(mV）T(K）ＰN(V)21.０77.１71.03３21.077．171.０142８.0９４.48１．0０2２7.994.2４０.97９35.0111.８00．95８35．１112．０４０.93141.０126.６40.9３741.0126.64０.９0445.0１３6.530.9１84５.0136．530.8825０．０１48.890.89３49.8１48.400.８5456．０163．7３０.8625５.916３.490.81963.81８３.030.82１6３.9183.270.７7３69.7197．620.７906９.81９７．8７０.7３9７6.1２1３.450.7５3７６.７21４.９30．69183.723２.２4０.７158３．8２32．490.6529３.025５.25０．6649３.０255.250.595１00.027２.5６0．625100．１272.810.5５2I=50μAI=１0μAPT（mV）T(K）ＰN(V）ＰT(ｍＶ)T(K)PＮ（V)２1.077.171.0０５21.０7７.170.9８427.４9３.000.97127．4９3．00０.9453５.２112.290.９1835.1112.040.8９8４1．4１27.6２0.8９04１.3１2７.380.８574５.２1３7.0２0.866４5.２13７.02０．８２850.０148.8９０．83７50.1１4９.１４０.７9656.1１63.980.８0０5６.216４.230．７５５64.０183.520.７52６4.018３.520.70169.7197.6２0.７16６9.7197.62０.66２7６.7２1４.930.6727６.8２1５.18０.6１３83.8232.４90．6２683.82３2.４90．56293.1255.490.５679３.1２55．4９0．５00100.32７3.300．5２１1００.32７3.3０0.451Ｉ＝５μAPT(mV)T(K）PＮ(Ｖ)21.077.170.9７527．49３．000．9３３35.1112.040．88０4１.３12７．380．84045．３13７.270.8115０.1１４９．１40.77856.2１６4.23０.735６4.0183.５２0.67８６9．7197.６20.6３876.821５.１80.58７83．８232.4９0．５359３.12５5.490.472100.3273．300.４1９用Oｒigiｎ做出不同温度下的T-Vpn图像,如下图所示所得相关数据为:I＝500μＡY=A+Ｂ*ＸParameｔer Ｖalue Eｒror---------－-----------－------------－-－--－－-－－－－---－-------－--A 1.199３6 ０.00３67Bﻩ－０.00２０9ﻩ2.0３565E-5－-－－-----－--－－---------－---－--－-－－－－--－-------－－-----－-－---－R SDﻩN P---－------------－-－－－---－---－---－--------－---－－---－--－－--－---0.99９48ﻩ０.０0435ﻩ1３ﻩ<0.０001--－-----－-－----－-－－----－----－--－-----－----－-------－－-－--－--－I＝1０0μAY＝A+B*ＸParａｍｅｔeｒ ValueﻩError----－－－-－---－--－--------－-----－-－--－---－--－-----－-－－-------－Ａ 1.２０2３7ﻩ0.００３４５B -０．0023７ﻩ１.９1０５７E-5－－---－----－--－---－----－---－－-------－-－-------－－------－－－－---Ｒ SD ＮﻩＰ-－－--－－-------－--－-－－----－----------－---－－---－----－－-－－-－----0．99964 0.００４09ﻩ13 ＜0.００01-----－----－--－---－------－-－-－－－----－--－--------－－－－------－--I＝50μＡY=Ａ+B*XPａramｅｔｅrﻩValueﻩEｒror-－－--------－--－------－－-----－--------－----－---------－－-----－Aﻩ１．２023５ﻩ0．０0３4４B -0.002４７ﻩ１.９０6５9E-5-----－-----－------－--－--－--－--－-------------－---－-－-－--－－--－RﻩSD N P-－--－---－-－－---－----－--－－--－----------－－---－----－－-－-－----－--0．9996７ 0．００４09ﻩ１3 ＜0．00０1----－----－-----------－-－--------－－---－－-－-－-－-－－--－-----－---Ｉ=１０μAY=Ａ+B＊ＸParaｍeteｒﻩValｕe Error---－-－--－--－－---－－－－－--－--－-－------－－---－----------------－－-A １.２028１ﻩ0．０02７B -0.00274ﻩ1．492６３E-5-------－----－---------－－-－-------－------------－----－---－----R SＤﻩNﻩP－----------－--－---－－-----－－---------------－-－-－-－－－－-----－---0.9998４ ０.0０321ﻩ13ﻩ＜0．0001-－-------－-----－-－-------－---－-－--－-－－-－---－－－--------－-－---I=5μＡY＝A+Ｂ*ＸＰaramｅter VａlueﻩError----－－---－---－-－－---－-－---------－－-----－--－－---－----－---－－--A 1.19９84 ０.002２Ｂﻩ－0．00285ﻩ1.２16５4E-５---－--－--－-－---－---－－--－－---－-----------－-------－-－－------－-R SDﻩN P----－----－----－－---－-----------－-------------－-－－－--－------－－0．9999 ０.00261ﻩ13ﻩ<０．0001-----－-－－-----－---－-－－-－----－-－-----－-----－---－-----－－------求得五个能隙电压V分别是I/μA5０0100501０5Ｕ/V1.1９9１.20２1.２０21.２0３１．2０0注意事项在等待样品升温的时候,最佳不要让样品暴露在室温下，否则升温太快会导致实验数据不够准确。应当将样品放置在杜瓦瓶中减缓样品升温速度,减小误差。所有盛放低温液体的容器不能盖严，必须留有供蒸汽逸出的孔道。灌入低温液体时,开始要慢，实验装置不要壁。重要避免低温液体触及人体,以免冻伤。注意保护杜瓦容器。误差分析为了节省时间,我们往往选择一次升降温的过程测量五个数据，那么,这期间的过程一定要快,否则会带来误差。我们小组一开始测量的时候，我们并没有将样品放入容器中，而是将样品暴露在空气中继续升温，而这个时候万用表的示数事实上是会继续增长的。这就大大增长了误差。这里要感谢助教老师及时给我们指出了这个问题。测量温度使用的是铂电阻,对于Pt100铂电阻,若导线电阻为1Ω，将会产生2.5与二线制接法相比,三线制接法可以减少实验误差(电路如图1,图２):U三线制接法中,r1=rU而二线制接法中,r1U由以上两式得,三线制接法比二线制接法引入的误差小。四线制接法误差分析:如图3四线制接法,由于电压表内阻很大，则IV≪I由于U所以R由此可见，引线电阻将不引入测量误差．思考题:在测量时，如何判断铜块已处在恒温状态?答：当待测样品两端的电压在很长一段时间内不发生变化的时候，我们认为已经打到了恒温状态。2、降温和升温时测试的曲线也许不重合，是什么因素?答：两个因素:一、测量误差。二、我们通常所描述的二极管ＰＮ结都是抱负二极管，而事实上由于工艺关系，二极管PN的性能并不抱负,其一致性不是很好,因此不同方式测量时斜率有也许不同。附件在运用Pt两端的电压计算温度的时候,需要结合实验报告后面的表格进行插值计算。这个计算比较麻烦，因此我采用程序计算。C＋＋代码如下：＃inｃｌｕｄe<iｏｓtｒｅａｍ＞usingnameｓｐacｅstd;doｕbｌept[30]＝{１8.49,22．80,２7.０8，31.32，35.53， 39.7１,４３．87,48．0０，52．11,56．1９， ﻩﻩ60.２5,64.30,6８.3３,72.３3,7６.33,ﻩ 80．31,8４.２7,88.22,9２.１６,9６．06, ﻩ 10０.00,103．90,1０７.79,11１．67}；doublet［３0］;iｎtｍａｉn(intａrgc，chaｒ＊argv［])｛ foｒ(inti=０;ｉ<３0;ｉ++)｛ ﻩt[ｉ］=73.15+10*i; }ﻩdoublｅa,ｂ;ﻩｃout<<＂Ｐlｅａseinpuｔｔhｅnuｍbeｒ"<＜ｅndl; cｉn>>ａ； whｉle(a＞0) { ｉnti；ﻩ for（i=0;ｉ<2４;i++) ﻩｉf（(ｐｔ[i]<a)&&（ｐt[i+1]>a)){ﻩﻩｂ=((a-ｐt［i])/（pt[i＋１]－ｐt[ｉ］）)*10+t[i]；ﻩ } ﻩcｏｕt<＜b<<endl；ﻩﻩcin＞>a; } returｎ0;｝高温超导体简介１9２023，卡末林-昂内斯用液氦测量水银电阻时发现，当温度降到稍低于液氦的正常沸点时，水银的电阻忽然降到零，这就是零电阻现象,或称超导现象。我们把具有这种特性的物体称为超导体，把电阻忽然降为零时的温度称为超导转变温度。假如把电流、磁场、压力等参数维持在很小的值,在这一条件下的转变温度称为超导临界转变温度，用Tc由于材料的化学成分不纯及晶体结构不完整等因素的影响，超导体的转变过程是在一定的温度间隔中完毕的。在实际测量中引入起始转变温度Tconset,电阻温度Tc0,和中点温度Tcm来描写超导体的特性。通常所说的超导转变温度Tc指的就是T现在数字电压表的灵敏度可以做的很高,用伏安法直接测量电阻转变已成为实验中常用的方法。在超导现象发现后。人们一直为提高超导临界温度而努力,1986年4月,缪勒和贝德罗兹宣布一种钡镧铜氧化物的超导体的转变温度也许高于30K,从此在全世界掀起了关于高温超导体研究的热潮。到1993年3月,超导临界温度已达成了134K。低温物理实验的特点使用低温液体(如液氮、液氦等）作为冷源时,必须了解其基本性质,注意安全。例如,液氮的正常沸点是77.4Ｋ,三相点温度为6３Ｋ;液氦的正常沸点是4.2K，常压下不固化。又如,液氮的汽化潜热很大，液氦的汽化潜热很小,但冷氦气的显热却很大。再如，使用低温液体，切不可溅到皮肤上，应防止冻伤;氮气是窒息性气体,应防