Введение наночастиц как стандартный способ повышения критических токов
2007, Tом 4, выпуск 1
Тематика: ВТСП провода и кабели
За высокими характеристиками лент 2-го поколения на основе YBCO кроется определенное количество неразрешённых пока технических и научных проблем. Одна из таких проблем связана с анизотропией структуры и сверхпроводящих свойств YBCO, что приводит к (относительно) невысоким величинам критического тока в сильном магнитном поле при векторе B, направленном параллельно оси с кристаллической структуры YBCO. Заметим, что высокая анизотропия приводит к некоторому снижению критических токов в проводниках 1-го поколения на основе BSCCO. Хотя зависимость критического тока от поля параллельного поверхности ленты в них такова, что в полях характерных для ВТСП силовых кабелей падение тока незначительно, что и обуславливает успехи в разработке ВТСП кабелей на первом поколении ВТСП.
И хотя в случае YBCO эта проблема имеет не столь фатальное значение, заметная разница в свойствах параллельно слоям CuO2 и перпендикулярно им неизбежно приводит к сложностям в создании мно-гих важных сверхпроводящих устройств. Помимо этого, заниженные характеристики повышают стоимость провода, приведенную к кА·м в реальных условиях эксплуатации. Как бороться с этим? Один из традиционных подходов заключается в создании в матрице YBCO центров пиннинга. Тонкость тут заключается в том, что эффективные центры пиннинга обязаны иметь размеры в пределах нескольких нанометров и не должны нарушать текстуру сверхпроводящего слоя, одновременно создавая в нем напряжения и дефекты.
Рис.1. Критический ток композитных образцов GdBCO + BaZrO3 в магнитном поле [1].
Новые данные японских исследователей по введению в матрицу GdBCO протяженных наночастиц BaZrO3 [1] подтверждают справедливость наблюде-ний американских ученых (см. наш бюллетень, 2006, т.13, вып.2, стр.1 или
http://perst.isssph.kiae.ru/fsk/bulletin/fsk_2006_03a.pdf ).
На подложке PLD-CeO2/IBAD-GZO/Хастеллой японцам удалось вырастить пленки GdBCO с ин-тегрированными в них нитевидными частицами BaZrO3, вытянутыми вдоль направления роста (оси c GdBCO). В плоскости подложки размер частиц составил около 5 нм, а расстояние между ними 15-30 нм. Такую структуру, названную японцами "бамбуковой", можно получить из мишени GdBCO с примесью ZrO2 (в данном случае доля оксида циркония составила 5%). В результате критический ток для пленки толщиной 2,28 мкм составил 333 А на см ширины при 77 К в собственном поле и почти 60 А см-1 в поле 3 Тл (B // c).
Аналогичный результат, только с использованием наночастиц BaSnO3 в матрице YBCO, получили ученые из University of Dayton Research Institute в США [2] (рис. 2). Пленки получали на монокристаллических подложках методом PLD с использованием секционной вращающейся мишени. Латеральный размер включений составил около 10 нм, отделены они друг от друга примерно таким же расстоянием. В этой работе также показано, что критический ток при B // c может быть выше, чем при B ^ c (0,37 и 0,28 МА/см2 при 77 К и поле 1 Тл, соответственно).
Альтернативный метод разработан исследователями из Los Alamos Natl. Lab. [3]. В этой работе пленки YBCO осаждали на подслои SrTiO3, выращенные при разных температурах. Понижение температуры роста SrTiO3 приводит к увеличению шероховатости поверхности, образованию на ней выростов (переход от 2D- к 3D-режиму роста). Эти выросты имеют раз-меры около 10-20 нм и вызывают локальные напряжения в матрице растущего на них слоя YBCO (рис.3). Искаженные области служат ловушками для абрикосовских вихрей, и критический ток сверхпроводника в магнитном поле повышается. Отличительной особенностью описанных подходов является тот факт, что критические характеристики сверхпроводящего слоя в собственном поле у образцов с нановключениями оказываются, как правило, несколько ниже, чем у недопированных образцов. Так что введение центров пиннинга имеет смысл в первую очередь для применений в сильном магнитном поле или в случаях, когда важно снизить анизотропию свойств сверхпроводниковой ленты. Это широ-кий и многообещающий спектр применений.
Какие же вопросы остаются перед исследователями? Выбор систем для центров пиннинга продиктован двумя условиями: материал частиц должен быть химически совместим с YBCO и необходимо структурное соответствие между ними, для того чтобы не нарушалась эпитаксия YBCO. Поэтому до сих пор в этом качестве выступали перовскиты (BaZrO3, BaSnO3, SrTiO3) или Y2O3 с кубической структурой С-R2O3. Существуют ли другие, ещё более эффективные, материалы? Как сверхпроводящие свойства зависят от размера, формы, плотности включений? На примере многослойных пленок YBCO/CeO2/YBCO/ показано, что центры пиннинга могут быть созданы и на интерфейсе двух слоев. Возможно ли дальнейшее развитие этого подхода?
Рис. 2. Просвечивающая микроскопия включений BaSnO3 в матрице YBCO параллельно плоскости подложки (на вставке - спектр РСМА для включения, обозначенного кружком); повышение критического тока допированных образцов в магнитном поле.
Насколько технологичными окажутся развиваемые методы? От ответа на эти вопросы во многом зависит дальнейший успех 2G CC.
Рис. 3. Выросты на поверхности подслоя SrTiO3 (температура роста 700°C) и искажения слоев YBCO; повышение критического тока в магнитном поле в образце на "низкотемпературном" SrTiO3.