Оксид висмута стронция кальция меди

Семейство высокотемпературных сверхпроводников
Кусок купрата висмута и стронция: этот кусок представляет собой куб с ребром около 1 мм.

Оксид висмута, стронция, кальция, меди ( BSCCO , произносится как биско ) — тип купратного сверхпроводника с обобщенной химической формулой Bi 2 Sr 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4+ x , причем  наиболее часто изучаемым соединением является n = 2 (хотя n  = 1 и n  = 3 также получили значительное внимание). Открытый как общий класс в 1988 году [1] , BSCCO стал первым высокотемпературным сверхпроводником , не содержащим редкоземельный элемент .

Это купратный сверхпроводник , важная категория высокотемпературных сверхпроводников, имеющих двумерную слоистую ( перовскитную ) структуру (см. рисунок справа), причем сверхпроводимость имеет место в плоскости оксида меди. BSCCO и YBCO являются наиболее изученными купратными сверхпроводниками.

Конкретные типы BSCCO обычно обозначаются с помощью последовательности номеров металлических ионов. Таким образом, Bi-2201 является соединением с n = 1 ( Bi 2 Sr 2 Cu O 6+ x ), Bi-2212 является соединением с n = 2 ( Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8+ x ), а Bi-2223 является соединением с n = 3 ( Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+ x ).

Семейство BSCCO аналогично таллиевому семейству высокотемпературных сверхпроводников, называемому TBCCO и имеющему общую формулу Tl 2 Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4+ x , и ртутному семейству HBCCO с формулой Hg Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +2+ x . Существует ряд других вариантов этих сверхпроводящих семейств. В общем, их критическая температура, при которой они становятся сверхпроводящими, повышается для первых нескольких членов, а затем понижается. Так, Bi-2201 имеет T c ≈ 33 K, Bi-2212 имеет T c ≈ 96 K, Bi-2223 имеет T c ≈ 108 K, а Bi-2234 имеет T c ≈ 104 K. Этот последний член очень трудно синтезировать.

Провода и ленты

Для практического применения BSCCO спрессовывают с серебряным металлом в ленту методом « порошок в трубке» .

BSCCO был первым материалом HTS, который использовался для изготовления практических сверхпроводящих проводов. Все HTS имеют чрезвычайно короткую длину когерентности , порядка 1,6 нм. Это означает, что зерна в поликристаллическом проводе должны находиться в чрезвычайно хорошем контакте – они должны быть атомарно гладкими. Кроме того, поскольку сверхпроводимость в основном находится только в плоскостях медь-кислород, зерна должны быть кристаллографически выровнены. Поэтому BSCCO является хорошим кандидатом, поскольку его зерна могут быть выровнены либо путем обработки расплава, либо путем механической деформации. Двойной слой оксида висмута слабо связан силами Ван-дер-Ваальса. Так же, как у графита или слюды , деформация вызывает скольжение по этим плоскостям BiO, и зерна имеют тенденцию деформироваться в выровненные пластины. Кроме того, поскольку BSCCO имеет n = 1, 2 и 3 члена, они, естественно, имеют тенденцию размещать малоугловые границы зерен, так что они действительно остаются атомарно гладкими. Таким образом, провода HTS первого поколения (называемые 1G) производятся уже много лет такими компаниями, как American Superconductor Corporation (AMSC) в США и Sumitomo в Японии, хотя AMSC теперь отказалась от провода BSCCO в пользу провода 2G на основе YBCO . [ необходима цитата ]

Обычно исходные порошки упаковываются в серебряную трубку, которая затем выдавливается вниз по диаметру. Затем они переупаковываются в виде нескольких трубок в серебряной трубке и снова выдавливаются вниз по диаметру, затем вытягиваются еще больше по размеру и скатываются в плоскую ленту. Последний шаг обеспечивает выравнивание зерен. Затем ленты реагируют при высокой температуре, образуя плотную, кристаллографически выровненную многоволоконную проводящую ленту Bi-2223, пригодную для намотки кабелей или катушек для трансформаторов, магнитов, двигателей и генераторов. [2] [3] Типичные ленты шириной 4 мм и толщиной 0,2 мм поддерживают ток 200 А при 77 К, обеспечивая критическую плотность тока в нитях Bi-2223 5 кА/мм 2 . Она заметно возрастает с понижением температуры, так что многие приложения реализуются при 30–35 К, хотя T c составляет 108 К.

Приложения

Передача электроэнергии:

Электромагниты и их токопроводы:

  • Тестирование лент BSCCO в ЦЕРНе [4]

Открытие

BSCCO как новый класс сверхпроводников был открыт около 1988 года Хироши Маэдой и его коллегами [1] в Национальном исследовательском институте металлов в Японии, хотя в то время они не смогли определить его точный состав и структуру. Почти сразу несколько групп, и наиболее известные из них Субраманиан [5] и др. в Dupont и Кава [6] и др. в AT&T Bell Labs, идентифицировали Bi-2212. Элемент с n = 3 оказался довольно неуловимым и был идентифицирован только примерно через месяц Таллоном [7] и др. в правительственной исследовательской лаборатории в Новой Зеландии. С тех пор эти материалы претерпели лишь незначительные улучшения. Ключевой ранней разработкой стала замена около 15% Bi на Pb, что значительно ускорило образование и качество Bi-2223.

Кристаллическая ячейка BSCCO-2212, состоящая из двух повторяющихся единиц, смещенных на (1/2,0,0). Другие члены семейства BSCCO имеют очень похожие структуры: 2201 имеет на один CuO 2 меньше в своей верхней и нижней половине и не имеет слоя Ca, тогда как 2223 имеет дополнительный слой CuO 2 и Ca в каждой половине.

Характеристики

BSCCO необходимо легировать дырками избытком атомов кислорода ( x в формуле) для сверхпроводимости. Как и во всех высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), T c чувствительна к точному уровню легирования: максимальная T c для Bi-2212 (как и для большинства ВТСП) достигается при избытке около 0,16 дырок на атом Cu. [8] [9] Это называется оптимальным легированием. Образцы с меньшим легированием (и, следовательно, меньшим T c ) обычно называют недолегированными, в то время как образцы с избыточным легированием (также меньшим T c ) называют перелегированными. Изменяя содержание кислорода, T c можно, таким образом, изменять по желанию. По многим показателям, [ необходимо разъяснение ] перелегированные ВТСП являются сильными сверхпроводниками, даже если их T c меньше оптимальной, но недолегированные ВТСП становятся чрезвычайно слабыми. [ необходима цитата ]

Приложение внешнего давления обычно повышает T c в недолегированных образцах до значений, которые значительно превышают максимум при давлении окружающей среды. Это не полностью изучено, хотя вторичный эффект заключается в том, что давление увеличивает легирование. Bi-2223 сложен тем, что имеет три отдельных медно-кислородных плоскости. Два внешних медно-кислородных слоя обычно близки к оптимальному легированию, в то время как оставшийся внутренний слой заметно недолегирован. Таким образом, приложение давления в Bi-2223 приводит к повышению T c до максимума около 123 К из-за оптимизации двух внешних плоскостей. После продолжительного спада T c затем снова повышается до 140 К из-за оптимизации внутренней плоскости. Поэтому ключевой задачей является определение того, как оптимизировать все медно-кислородные слои одновременно.

BSCCO является сверхпроводником II типа . Верхнее критическое поле H c2 в поликристаллических образцах Bi-2212 при 4,2 К было измерено как 200 ± 25 Тл (сравните 168 ± 26 Тл для поликристаллических образцов YBCO). [10] На практике ВТСП ограничены полем необратимости H *, выше которого магнитные вихри плавятся или расцепляются. Несмотря на то, что BSCCO имеет более высокое верхнее критическое поле, чем YBCO, он имеет гораздо более низкое H * (обычно меньше в 100 раз) [11] , что ограничивает его использование для изготовления магнитов с высоким полем. Именно по этой причине проводники из YBCO предпочтительнее, чем из BSCCO, хотя их гораздо сложнее изготовить.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab H. Maeda; Y. Tanaka; M. Fukutumi & T. Asano (1988). "Новый высокотемпературный оксидный сверхпроводник без редкоземельного элемента". Jpn. J. Appl. Phys . 27 (2): L209 – L210 . Bibcode : 1988JaJAP..27L.209M. doi : 10.1143/JJAP.27.L209 .
  2. ^ CL Брайант; ЭЛ Холл; К.В. Лэй; ИП Ткачик (1994). «Микроструктурная эволюция BSCCO-2223 при обработке порошка в трубке». Дж. Матер. Рез . 9 (11): 2789–2808 . Бибкод : 1994JMatR...9.2789B. дои : 10.1557/JMR.1994.2789. S2CID  135525314.
  3. ^ Тимоти П. Билс; Джо Джатсон; Люк Ле Лэй и Мишель Молгг (1997). «Сравнение свойств обработки порошка в трубке двух порошков (Bi 2− x Pb x )Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+δ ». J. Mater. Chem . 7 (4): 653– 659. doi :10.1039/a606896k.
  4. ^ "HTS materials for LHC current leads". 23 ноября 2005 г. Архивировано из оригинала 7 июня 2024 г. Получено 19 августа 2024 г.
  5. ^ MA Subramanian; et al. (1988). "Новый высокотемпературный сверхпроводник: Bi 2 Sr 3− x Ca x Cu 2 O 8+ y ". Science . 239 (4843): 1015– 1017. Bibcode :1988Sci...239.1015S. doi :10.1126/science.239.4843.1015. PMID  17815702. S2CID  35551648.
  6. ^ RJ Cava; et al. (1988). "Структура и физические свойства монокристаллов сверхпроводника 84-K Bi 2.2 Sr 2 Ca 0.8 Cu 2 O 8+δ ". Physical Review B. 38 ( 1): 893– 896. Bibcode :1988PhRvB..38..893S. doi :10.1103/PhysRevB.38.893. PMID  9945287.
  7. ^ JL Tallon; et al. (1988). "Высокотемпературные сверхпроводящие фазы в ряду Bi 2.1 (Ca,Sr) n +1 Cu n O 2 n +4+δ ". Nature . 333 (6169): 153– 156. Bibcode :1988Natur.333..153T. doi :10.1038/333153a0. S2CID  4348096.
  8. ^ MR Presland; et al. (1991). "Общие тенденции в эффектах стехиометрии кислорода в сверхпроводниках Bi и Tl". Physica C. 176 ( 1– 3 ): 95. Bibcode :1991PhyC..176...95P. doi :10.1016/0921-4534(91)90700-9.
  9. ^ JL Tallon; et al. (1995). "Общее поведение сверхпроводящей фазы в купратах с высокой T c : изменение T c в зависимости от концентрации дырок в YBa 2 Cu 3 O 7−δ ". Physical Review B . 51 (18): (R)12911–4. Bibcode :1995PhRvB..5112911T. doi :10.1103/PhysRevB.51.12911. PMID  9978087.
  10. ^ AI Golovashkin; et al. (1991). "Низкотемпературные прямые измерения H c2 в HTSC с использованием мегагауссных магнитных полей". Physica C: Superconductivity . 185–189 : 1859–1860 . Bibcode :1991PhyC..185.1859G. doi :10.1016/0921-4534(91)91055-9.
  11. ^ K. Togano; et al. (1988). "Свойства сверхпроводников Bi-Sr-Ca-Cu-O, легированных свинцом". Applied Physics Letters . 53 (14): 1329– 1331. Bibcode : 1988ApPhL..53.1329T. doi : 10.1063/1.100452.
  • "BSCCO-2223 tape at US Lab". magnet.fsu.edu . Архивировано из оригинала 12 апреля 2013 г.
  • Исследование изготовления 2212 на MgO в 1993 г. Архивировано 10 января 2018 г. на Wayback Machine (pdf)
  • Локальная электронная структура Bi2Sr2CaCu2O8 вблизи кислородных примесей...
  • Kaminski, A.; Rosenkranz, S.; Fretwell, HM; Norman, MR; Randeria, M.; Campuzano, JC; Park, JM.; Li, ZZ; Raffy, H. (2006). "Изменение топологии поверхности Ферми в Bi2Sr2CaCu2O8+δ при легировании". Physical Review B . 73 (17): 174511. arXiv : cond-mat/0507106 . Bibcode :2006PhRvB..73q4511K. doi :10.1103/PhysRevB.73.174511. S2CID  116213053.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Висмут_стронций_кальций_медь_оксид&oldid=1241071841"