Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

YBCO vs. RBCO

2008, Tом 5, выпуск 4
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения

Критические свойства ВТСП зависят от целого ряда параметров, среди которых значение Tc часто не является главным. Для применений в электротехнике более важной является способность ВТСП нести высокий ток в большом магнитном поле. Если говорить об "азотном" интервале 63-77 К, то в нём по токонесущим характеристикам нет пока материалов, равных YBCO. Несмотря на то, что Tc YBCO составляет "всего" 92 К, поле необратимости и плотность критического тока быстро нарастают с уменьшением температуры, превосходя в высоких полях характеристики как BSCCO, так и остальных ВТСП с температурой СП перехода выше 100 К. Установлено, что величина поля необратимости Hirr у купратов тесно связана с анизотропией электронных свойств – чем выше анизотропия, тем меньше значения Hirr и jc. Эти соединения анизотропны из-за своей слоистой структуры: в общем случае, чем больше расстояние между "сверхпроводящими" слоями CuO2 структуры, тем больше анизотропия свойств. YBCO является уникальным ВТСП, объединяя в себе сравнительно низкую анизотропию и достаточно высокое значение Tc (рис. 1). Именно в этом кроется секрет высоких характеристик YBCO. Можно ли повысить характеристики YBCO ещё больше? Исследования показывают, что можно – воздействуя на микроструктуру, дефекты, Тс, фактор анизотропии и мощным инструментом здесь стано-вится замещение иттрия на другие катионы.

Химическими аналогами иттрия являются лантаниды, вместе с иттрием и скандием они образуют группу, называемую редкоземельными элементами (РЗЭ). Ионный радиус лантанидов начала ряда больше радиуса иттрия, а лантанидов конца ряда - меньше. Это позволяет целенаправленно изменять характеристики YBCO, используя т.н. редкоземельное замещение. Фактически, это единственный путь полезного структурного дизайна материалов на ос-нове YBCO, т.к. замещение бария в структуре на другие катионы (например, стронций и крупные РЗЭ) приводит к падению Tc, а все замещения в подрешётку меди также губительны для сверхпроводимости. Соединения состава RBa2Cu3O7-x (R = РЗЭ) известны для всех редкоземельных катионов, за исключением Ce, Pm, Tb и Sc. Соединение PrBCO является несверхпроводящим, а остальные RBCO имеют Тс около 90 К (рис. 2). Все они были синтезированы в 1987-м году, вскоре вслед за открытием YBCO - первого сверхпроводника с температурой перехода выше 77 К. Кстати, соединение YBCO также было найдено в ходе поиска, основанного на замещении редкоземельного катиона. Отправной точкой для YBCO явилась система La-Ba-Cu-O, сверхпроводимость в которой была обнаружена Беднорцем и Мюллером годом ранее.

Рис. 1. Зависимость фактора анизотропии g [1] и поля необратимости Hirr [2] от толщины “блокового слоя” некоторых сверхпроводящих купратов

Рис. 2. Структура RBCO и зависимости: а) Tc “полностью окисленных” фаз RBa2Cu3O7 от радиуса РЗЭ, б) Tc от кисло-родного содержания RBa2Cu3O7-x, в) Tcmax от ионного радиуса R3+ (по литературным данным, собранным в [3]).

YBa2Cu3O7 было и остаётся наиболее изученным и часто используемым соединением, в частности, как материал для создания лент 2-го поколения. Один из факторов тут – стоимость материала, так как иттрий является одним из наиболее распространённых и доступных РЗЭ (рис. 3). В то же время заметим, что стоимость ВТСП сегодня не доминирует в этой технологии, так что этот фактор не главный. Вероятно, сыграло свою роль и то обстоятельство, что соединение YBCO было открыто первым, хоть RBCO с другими РЗЭ были синтезированы и исследованы буквально пару месяцев спустя. Есть и ещё один аспект этой проблемы. Дело в том, что соединение YBCO запатентовано корпорацией Lucent в США, Европе, Японии, Австралии и Корее. Этой корпорации принадлежит исследовательский центр AT&T Bell Labs, сотрудники которого первыми сообщили об открытии (статья [5] получена редакцией 27 февраля 1987 года). В том же номере Physical Review B от 1 мая 1987 года задокументированы сообщения об YBCO сразу нескольких других групп.

Рис. 3. Стоимость РЗЭ и их содержание

Патентная тяжба тянулась с 1988-го года целых 11 лет. Отчасти из-за этого патента некоторые компании стараются избегать использования YBCO, строя свою стратегию на других RBCO (например, немецкая Theva использует DyBCO, а японцы любят работать с SmBCO и GdBCO). Однако в последнее время можно наблюдать оживление в области поиска альтернатив YBCO отнюдь не по патентным соображениям. Грамотное применение РЗЭ-замещения является одним из путей направленной модификации свойств ВТСП, позволяющее в некоторых случаях повысить критический ток в рабочих условиях в несколько раз.

В февральском номере журнала Superconductor Science аnd Technology появилось сразу 2 статьи американских авторов по исследованию свойств плёнок (Y,Eu)BCO. В [6] показано, что частичное замещение иттрия на европий приводит к улучшению микроструктуры пленок – они становятся более плотными и гладкими. При этом зависимость криттока от толщины остается неизменной – по-видимому, падение криттока с толщиной не связано с ухудшением микроструктуры, заключают авторы. Замещение приводит также к незначительному улучшению СП свойств во внешнем магнитном поле. В работе [7] приведены подробные результаты исследования микроструктуры и свойств пленок от YBCO до EuBCO. Рис. 4 отражает всю сложность этой темы. При замещении иттрия меняются сразу несколько параметров, очень важных для криттока: критическая температура, анизотропия сверхпроводника, микроструктура, фазовые диаграммы и включения вторых фаз. По-видимому, точная интерпретация поведения пленок RBCO требует дальнейших исследований. В особенностях роста тонких пленок RBCO проявляются и более тонкие эффекты, чем просто изменение фундаментальных свойств в зависимости от радиуса R3+.

Рис. 4. Критический ток в пленках (Y,Eu)BCO на подложке YSZ с буферным слоем CeO2 (77К, H//c) [7].

Рис. 5. Пленки твердых растворов (R',R")BCO: критток в магнитном поле, нормированный на значение jc в собственном поле.

Исследователи из Лос-Аламоса показали, что внесение небольшого беспорядка в подрешетку атомов РЗЭ позволяет существенно повысить критический ток в магнитном поле (рис. 5) [8]. Для этого были приготовлены пленки различных твердых растворов (R',R")BCO со средним ионным радиусом, равным радиусу иттрия. Вариацию радиуса определяли как s2 = Syiri2 - rA2, где yi, ri - содержание и радиус i-го компонента, а rA - средний радиус. Оказалось, критток в плёнках твердых растворов (Dy,Ho)BCO (s2=0,32Ч10-4) понижается на порядок в поле > 2,5 Тл, в то время как для пленок YBCO такое же понижение происходит уже в поле 1 Тл. Внесение большого беспорядка, например, для (Nd,Yb)BCO (s2=30,58Ч10-4) приводит к ухудшению свойств по сравнению с YBCO.

Сразу несколько групп в последнее время сообщали также о заметном улучшении транспортных свойств многослойных пленок типа RBCO/R'BCO/R"BCO... [9-11].

Фактические результаты этих исследований можно ощутить уже сейчас: так, фирма SuperPower добивается рекордных характеристик своих ВТСП проводов, используя не YBCO, а твердые растворы (Y,Sm)BCO и (Y,Gd)BCO (рис. 6) [12]. Однако ключом к высоким характеристикам является все же понимание процессов, включенных в контроль критического тока пленок RBCO – а оно ещё не сформировано. Не исключено, что нас здесь ждут новые сюрпризы - ведь оптимизация промышленных ВТСП проводников 2-го поколения далека от своего завершения, она только началась.

Рис. 6. Прогресс в повышении характеристик толстых пленок RBCO SuperPower [12].

С.В. Самойленков

  1. F. Warmont et al., Phys. Rev. B, 57, 7485 (1998).
  2. J.L. Tallon, High Temperature Superconductivity, Research Review/ ed. Liang W.Y., University of Cambrige, 33, 1998.
  3. С.В. Самойленков, Тонкие эпитаксиальные пленки RBa2Cu3O7: химическое осаждение из паровой фазы, структура и свойства - Дисс. канд. хим. наук, 1999.
  4. U.S. Geological Survey, Fact Sheet 087-02, http://pubs.usgs.gov/fs/2002/fs087-02/.
  5. J. M. Tarascon et al., Phys. Rev. B, 35, 7115 (1987).
  6. H. Zhou et al., Supercond. Sci. Technol., 21, 025001 (2008).
  7. T.J. Haugan et al., Supercond. Sci. Technol., 21, 025014 (2008).
  8. J.L. MacManus-Driscoll et al., Appl. Phys. Lett., 84, 5329 (2004).
  9. A.V. Pan et al., Appl. Phys. Lett., 88, 232506 (2006).
  10. K. Develos-Bagarinao et al., Supercond. Sci. Technol., 20, L25 (2007).
  11. C. Cai et al., Phys. Rev. B, 70, 212501 (2004).
  12. http://superpower-inc.com/pdf/SR2008_062008_FINAL.pdf.
Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.