Nature повторяется…
2005, Tом 2, выпуск 3
Тематика: Сегодняшний рекорд
Один из последних номеров Nature представляет работу [1] с интригующим названием «Enhanced current transport at grain boundaries in high-Tc superconductors», посвященную улучшению транспортных характеристик YBa2Cu3O7-y при легировании кальцием. Авторы работы представляют ведущие центры США (Brookhaven Nat. Lab., Oak Ridge Nat. Lab., Vanderbilt Univ., Univ. California-Davis), Японии (Univ. Tokyo) и Германии (Univ. Gottingen), разрабатывающие, в частности, технологию 2G ВТСП проводников. Удивительно, что журнал, специализирующийся на сенсационных научных открытиях, в данном случае представляет явление, исследованию которого уже посвящено как минимум 3 десятка работ различных авторов. Да и сам журнал Nature уже представлял читателям это от-крытие 5 лет назад [2]. Почему же эта тема остается настолько актуальной, что к ней возвращаются снова?
Сразу надо сказать, что специалисты по ВТСП керамике могут не волноваться – c такой микроструктурой никакой кальций не поможет. Тех, кто занимается тонкими эпитаксиальными пленками на монокристаллических подложках, это тоже не особенно касается – транспортные свойства самого сверхпроводника Ca не улучшает, а вот Tc с ростом уровня легирования кальцием заметно падает в результате дырочного передопирования [3,4].
Лучше всего Ca действует на достаточно совершенные зернограничные структуры, которые можно себе представить как регулярные сетки дислокаций или решетки совпадающих узлов, т.е. существенно двумерные дефекты, “толщина” которых не превышает 1-2 постоянных кристаллической решетки. Именно, такие зернограничные структуры реализуются в 2G ВТСП лентах. Поскольку биаксиально текстурированные металлические ленты, по определению, имеют блочную структуру, то и в слое ВТСП неизбежно возникают малоугловые границы. И именно для них следует ожидать наибольшего положительного эффекта от легирования кальцием. Конечно, сначала надо решить вопросы химической и фазовой однородности и достижения оптимальной текстуры ВТСП слоя.
Выяснению влияния добавок кальция на химический состав и структуру отдельных зернограничных дислокаций и посвящена работа [1]. Для решения этой задачи задействована самая мощная на сегодняшний день техника: сканирующая просвечивающая электронная микроскопия с аберрационной коррекцией, которая позволяет измерять спектры энергетических потерь электронов на отдельных атомных колонках в кристаллической структуре. Выводы авторов таковы:
1) область дислокации сильно обогащена кальцием по сравнению с объемом зерна;
2) ядро дислокации включает 2 атомные колонки в отсутствии Ca и 3 в его присутствии;
3) в отсутствии кальция область дислокации сильно обедняется по содержанию кислорода (и соответственно по концентрации дырок);
4) введение кальция приводит к снижению дефицита кислорода в области дислокации (соответственно восстанавливает объемную концентрацию дырок на границе);
5) вблизи дислокации кальций замещает не только иттрий, как в объеме зерна, но также и Ba в области сжатия, и Cu в области растяжения (ядро дислокации можно рассмат-ривать как своеобразный механический диполь, соединяющий области растяжения и сжатия);
6) в присутствии кальция поле механических напряжений вокруг “дислокационного ди-поля” оказывается меньше.
В конечном счете, роль кальция сводится к снятию механических напряжений и электрического заряда с границы кристаллитов. Интересно, что это и предполагали исследователи из Аугсбурга [2], хотя у них и не было такой прекрасной техники, как у американцев.
Наконец, нелишне отметить, что кальций улучшает не только транспортные свойства в латеральном направлении слоя ВТСП, но и помогает бороться с другой застарелой проблемой – падением критического тока с увеличением толщины ВТСП проводника. При этом даже нет необходимости легировать весь слой кальцием (Tc все-таки имеет значение!). Достаточно отдельных прослоек легированных кальцием фазы между слоями чистого YBa2Cu3O7-y [2,5]. В принципе, такая архитектура прекрасно совместима с технологией 2G ВТСП, где применяется прокрутка металлической ленты через последовательность реакторных модулей, в которых наносят отдельные слои.