CC BY
44
УДК 537.9
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СОЕДИНЕНИЙ СИСТЕМЫ Y-Ba-Cu-O, ЛЕГИРОВАННЫХ Ni
© А.С. Журавлёва1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
В результате проведенных исследований подтвержден факт того, что в УНМ «Таунит» существуют ферро- и суперпарамагнитные частицы, изучена система (У-Ба-0и-0)+«Таунит» при различных концентрациях частиц никеля, которые не встраиваются в кристаллическую решетку и из-за дальнего порядка взаимодействия не дают сильного вклада в намагниченность, но при этом влияют на магнитные свойства гетероструктур. Определены объемные доли сверхпроводящей фазы в образцах. Обнаружено уникальное свойство, при котором без воздействия внешнего поля отсутствует влияние наночастиц никеля на сверхпроводимость синтезируемых образцов. Ил. 8. Табл. 4. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: сверхпроводник; наночастицы никеля; гетероструктура; ферромагнетизм; суперпарамагнетизм.
MAGNETIC PROPERTIES OF Ni-DOPED Y-Ba-Cu-O HIGHTEMPERATURE SUPERCONDUCTING COMPOUNDS A.S. Zhuravlyova
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The conducted studies confirm the fact that there are ferromagnetic and superparamagnetic particles in the carbon nanostructured material (0NM) «Taunit». (Y-Ba-Cu-O) + «Taunit» system is studied under different concentrations of nickel particles that are not incorporated into the crystal lattice and whose contribution to magnetization is insignificant due to the long-range ordering, however they affect the magnetic properties of heterostructures. The volume fractions of the superconducting phase are determined in the samples. The author discovered a unique property: free from the effect of the external field nickel nanoparticles do no influence the superconductivity of the synthesized samples. 8 figures. 4 tables. 7 sources.
Key words: superconductor; nickel nanoparticles; heterostructure; ferromagnetism; superparamagnetism.
Сверхпроводимость и магнетизм являются антагонистическими явлениями в отношении к приложенному магнитному полю, и их сосуществование в одних материалах требует трудновыполнимых условий [1]. Как известно, сверхпроводник стремится вытолкнуть магнитное поле из своего объема (эффект Мейснера), тогда как, например, ферромагнетик концентрирует в нем силовые линии поля (эффект магнитной индукции). В работе Гинзбурга [2] впервые было дано объяснение подавления сверхпроводимости магнитным упорядочением в переходных металлах. Автор утверждал, что в этих металлах магнитная индукция превышает критическое поле.
С точки зрения микроскопической теории эта противоположность явлений сверхпроводимости и магнетизма также понятна: притяжение между электронами создает куперовские пары в синглетном состоянии, а обменное взаимодействие, приводящее к ферромагнетизму, стремится выстроить электронные спины параллельно. Поэтому, когда зеемановская энергия электронов пары в обменном поле I превысит энергию связи, мерой которой является сверхпроводящая щель А, сверхпроводящее состояние будет разрушено.
Решетка ферромагнитных наночастиц является уникальным источником неоднородного магнитного
поля. Для типичных переходных металлов (Fe, Ni, Co) магнитный момент Мs ~ 1000 Гс [3]. Кроме того, магнитное поле частиц можно перестраивать путем пе-ремагничивания (или размагничивания) всей решетки или отдельных ее частей. Это свойство решеток магнитных наночастиц открывает новые возможности для управления свойствами сверхпроводников.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к исследованию сверхпроводников с магнитными включениями, который обусловлен их возможным использованием для создания приборов, основанные на внутренней связи свойств (магнитных, электрических, оптических) через электронный спин, так называемые устройства спиновой электроники.
В данной работе решается задача по созданию нового материала сверхпроводящей спинтроники. Цель исследования заключалась в изучении магнитных характеристик гетероструктур ферромагнетик/сверхпроводник (F/S) и суперпарамагнетик/сверхпроводник (SP/S) на основе наночастиц никеля и YBa2Cu3Oy. Большое внимание в настоящий момент уделяется изучению различных механизмов рассеяния в объемных и слоистых структурах, поэтому актуальность темы работы определяется как перспективами практического применения исследуемых материалов, так и фундаментальным аспектом этих
1Журавлёва Алина Сергеевна, аспирант, инженер отдела лазерной физики и нанотехнологий Физико -технического института, тел.: 89500523500, e-mail: zhuravlyova-alina@yandex.ru
Zhuravlyova Alina, Postgraduate, Engineer of the Department of Laser Physics and Nanotechnologies of the Physico-Technical institute, tel.: 89500523500, e-mail: zhuravlyova-alina@yandex.ru
исследований.
Материалы и методы их исследования
Образцы систем YBa2Cu3Oy и УВа2Си3Оу+угперодный наноматериал (УНМ) «Та-унит», на которых были получены результаты, приведенные в настоящей работе, представляли собой спеченные прессовки мелкозернистых порошков, для приготовления которых использовался метод твердофазных реакций.
В качестве исходных материалов были использованы оксид иттрия, оксид меди (2) и карбонат бария в соотношении %Y2O3+2BaCO3+3CuO, а также углеродный наноматериал «Таунит». Как описано в работе [4] УНМ представляет собой углеродные нанотрубки с повышенным (по сравнению с остальными примесями) содержанием внутри ферро- и суперпарамагнитных частиц никеля (порядка 1%), что обусловлено использованием последних в качестве катализаторов при газофазном химическом осаждении углеводородов. Размер этих частиц не превышает 30 нм.
Структуры YBa2Cu3Oy (образец А-0) и УНМ «Таунит» определялись на дифрактометре XRD7000S. Магнитные и электрические характеристики были изучены с использованием PPMS 9000; вещественный состав УНМ получен на спектрометре S4 Pioneer (Bruker, Германия); точечный анализ его зерен - на микроскопе Jeol Jib-Z4500 Multy-Beam System; магнитный резонанс - на спектрометре ELEXSYS-E500 Bruker; на электронном микроскопе Leo - 9806 выполнены снимки нанотрубок. Результаты некоторых измерений УНМ представлены в работе [4, 5].
Как сверхпроводник YBa2Cu3Oy, так и легированные образцы YBa2Cu3Oy (1г.)+ УНМ «Таунит» (10мг., 25мг., 50мг.) синтезировались при различных температурах и временах выдержки с промежуточной гомогенизацией (см. табл. 1.) С подробным описанием методики синтеза образцов можно ознакомиться в работе [5].
Аттестация образцов осуществлялась на основе рентгеновских дифрактограмм, полученных на дифрактометре XRD-7000S. Для каждого соединения выполнялся рентгенофазный анализ и определение параметров элементарной ячейки.
Все образцы, исследованные в данной работе, были изготовлены из единой серии исходных ингредиентов во избежание случайного отклонения их физических свойств, связанных с возможными примесями.
Результаты исследования и их обсуждение
В данной главе будут исследованы магнитные свойства образцов в широком диапазоне полей и тем-
ператур.
Как известно, все ферромагнетики описываются кривой гистерезиса М(Н). Магнитный гистерезис - явление зависимости вектора намагничивания и вектора напряженности магнитного поля в веществе не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.
Явление магнитного гистерезиса наблюдается не только при изменении поля H по величине и знаку, но также и при его вращении (гистерезис магнитного вращения), что соответствует отставанию (задержке) в изменении направления M с изменением направления H. Гистерезис магнитного вращения возникает также при вращении образца относительно фиксированного направления H.
Теория явления гистерезиса учитывает конкретную магнитную доменную структуру образца и её изменения в ходе намагничивания и перемагничивания. Эти изменения обусловлены смещением доменных границ и ростом одних доменов за счёт других, а также вращением вектора намагниченности в доменах под действием внешнего магнитного поля. Всё, что задерживает эти процессы и способствует попаданию магнетиков в метастабильные состояния, может служить причиной магнитного гистерезиса.
Классический вид петли гистерезиса характерен для материала, частицы которого многодоменны. Но если смешаны многодоменные ферромагнитные частицы и суперпарамагнитные частицы в некотором соотношении, то материал приобретает совершенно иные свойства, и, соответственно, гистерезис существенно меняет свой вид (рис. 1) [6].
Отсутствие намагниченности насыщения при увеличении поля, плавный характер кривой и отсутствие петли в области сильных полей подтверждает присутствие суперпарамагнетика в материале. За многодоменные ферромагнитные частицы, характеризующиеся некоторой коэрцитивной силой, ответственен магнитный гистерезис в интервале слабых полей.
Измерения магнитного момента образцов составов YBa2Cu3Oy и YBa2Cu3Oy+Ni осуществлялись с помощью вибрационного магнетометра фирмы Quantum Design в температурном интервале 100-300 К и диапазоне полей до 10 кОе (=1Тл). Полевой гистерезис М(Н) снимался при температурах 305К, 200К, 100К. Зависимость магнитного момента от температуры М(Т) получали в полях 100 Ое, 300 Ое, 500 Ое, 1000 Ое. Для определения объемной доли сверхпроводящей фазы в композиционном материале измерения М(Т) проводились следующим образом: ZFC-образец
Таблица 1
Синтезированные образцы
№ п/п Образец Условия синтеза Наличие сверхпроводящего (СП) перехода
А-0 YBa2Cu3Oy без примесей отжиг шихты 930°С~24И ^ пресс таблетки (с1=10мм., И=2 мм.) ^ отжиг таблетки 930оС~1И ^ 350°С~241г СП-переход
А-11 YBa2Cu3Oy+10 мг. «Таунит» СП-переход
А-12 YBa2Cu3Oy+25 мг. «Таунит» СП-переход
А-13 YBa2Cu3Oy+50 мг. «Таунит» СП-переход
охлаждался в нулевом поле, при Т=4,2К вводилось поле 100 Ое и снималась зависимость М(Т) на отогреве образца; РО-поле 100 Ое вводилось при высокой температуре и М(Т) получали при охлаждении образца.
Рис. 1. Петля гистериза для многодоменных и суперпарамагнитных частиц
На рис. 2 представлена зависимость намагниченности от приложенного магнитного поля при разных температурах.
По данным измерений все зависимости оказались линейными, имеют парамагнитный ход, а их наклон монотонно увеличивался с уменьшением температуры.
Рис. 2. Зависимость намагниченности от поля образца А-0
Также были проведены исследования влияния магнитного поля на намагниченность для образцов А-11, А-12, А-13 (рис. 3-5) при разных температурах. Количественный анализ образцов представлен в табл. 3-4.
Кривые А-11, А-12, А-13 подтверждают присутствие в материале, как ферромагнитных, так и суперпарамагнитных частиц. Присутствие ферромагнетика в материале подтверждено гистерезисной кривой в диапазоне малый полей (см. сноски к рис. 3-5). Все данные М(Н), полученные в этой главе, полностью согласуются с теорией и результатами исследований, проведенных ранее в работах [4, 5].
Зависимость намагниченности от поля образца А-11 -0,0008
0,0006
0,0004
0,0002
0,0000
Рис. 3. Зависимость намагниченности от поля образца А-11
Таблица 2
Коэрцитивная сила и максимальная намагниченность образца А-11 при разных температурах
100K Hc=89,55Oe Ms=0.00057emu
200K Hc=77,3Oe Ms=0.00050emu
305K Hc=52,3Oe Ms=0.00046emu
Рис. 4. Зависимость намагниченности от поля образца А-12
Таблица 3
Коэрцитивная сила и максимальная намагниченность образца А-12 при разных температурах
100K Hc=275.4Oe Ms=0.00036emu
200K Hc=2500e Ms=0.00033emu
305K Hc=1940e Ms=0.00032emu
Рис. 5. Зависимость намагниченности от поля образца А-13
Таблица 4
Коэрцитивная сила и максимальная намагниченность образца А-12 при разных температурах
100K Hc=275.40e Ms=0.00030emu
200K Hc=2500e Ms=0.00027emu
305K Hc=1940e Ms=0.00026emu
Выявлено, что при уменьшении температуры коэрцитивная сила образцов и максимальная намагниченность увеличиваются, также увеличивается угол наклона кривых. Характер полученных результатов очень хорошо согласуется с расчетными данными для суперпарамагнетиков. На рис. 6 показана зависимость Hc (T) на примере никеля [7]. Номера вдоль кривой показывают отношение остаточной намагниченности и намагниченности насыщения при различных температурах.
Для образцов А-0, А-11, А-12 были проведены из-
мерения намагниченности при разных температурах (рис. 7).
Съемка показала, что все образцы являются сверхпроводящими. Отличие температур начала переходов двух режимов объясняется разницей температур на образце и термопаре при охлаждении и нагреве. Измерения при охлаждении в нулевом поле ^С) и охлаждении в поле ^С) показывают сужение температурного диапазона (см. рис. 7) с увеличением концентрации, которая может быть объяснена большим взаимодействием между частицами.
Рис 6. Зависимость коэрцитивной силы от температуры порошка никеля
Рис. 7. Зависимость намагниченности от температуры в ZFC/FC
Следует отметить резкий диамагнитный переход (округление вокруг Тн несущественно), который указывает на высокую гомогенность образца. Уширение пика вызвано не только неоднородным распределением частиц по размеру, но и магнитным взаимодействием между частицами.
По соотношению намагниченности FC/ZFC измерений при некоторой температуре можно судить об объемной доле сверхпроводящей фазы в образце. Так при температуре жидкого гелия 4,2 К она составляет 56,4%, 44%, 53,8% для образцов А-0, А-11, А-12,
соответственно. По этим данным сложно судить о корреляции количества магнитной и сверхпроводящей фаз в образце, что может быть связано получением разной стехиометрии при синтезе и хранении образца. Но так как для чистого сверхпроводника доля сверхпроводящей фазы больше, то предполагается, что при увеличении концентрации магнитной примеси, она должна уменьшаться.
Для образца А-13 в полях 0.1 кОе, 0.3 кОе, 0.5 кОе, 1 кОе также была получена зависимость М(Т) (рис. 8).
а) прямой ход б) обратный ход
Из рис. 8 видно, что при усилении воздействия внешнего магнитного поля увеличивается абсолютное значение магнитного момента. Возникновение отрицательного магнитного момента может говорить о появлении парамагнитного эффекта Мейсснера, а его возрастание об увеличении отклика исследуемой гетеро-структуры.
Таким образом, данные проведенных магнитных измерений подтверждают результаты анализа ЭМР и измерений транспортных характеристик [4, 5] о наличии в материале как ферромагнитных, так и суперпарамагнитных частиц никеля. Также был отмечен тот факт, что при уменьшении температуры коэрцитивная сила образцов и значение магнитного момента увели-
чиваются. По графикам РСДРС измерений была определена высокая гомогенность гетероструктур, что может быть объяснено неравномерным распределением наночастиц никеля, которые не встраиваются в кристаллическую решетку и из-за дальнего порядка взаимодействия не дают сильного вклада в намагниченность, но при этом влияют на свойства гетеро-структуры. По отношению намагниченностей двух режимов при некоторой температуре определены объемные доли сверхпроводящей фазы в образцах. Также обнаружено уникальное свойство материала, при котором без воздействия внешнего поля отсутствует влияние наночастиц никеля на сверхпроводимость.
Библиографический список
1. Изюмов Ю.А., Прошин Ю.Н., Хусаинов М.Г. Конкуренция сверхпроводимости и магнетизма в гетероструктурах ферромагнетик/сверхпроводник // Успехи физических наук. 2002. Т.172, № 2. С. 115-154.
2. Гинзбург В.Л. О ферромагнитных сверхпроводниках // ЖЭТФ. 1956. № 31. 202 с.
3. Вдовичев, С.Н. Влияние неоднородного магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства джозефсоновских переходов: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Нижний Новгород, 2005.
4. Журавлёва А.С., Шнейдер А.Г., Колесников С.С. Ферромагнетизм и суперпарамагнетизм углеродного наноматери-
ала «Таунит» // Вестник ИрГТУ. 2011. Т.57, № 10. С. 271 -275.
5. Журавлёва А.С. Электрические свойства высокотемпературных сверхпроводящих соединений системы Y-Ba-Cu-O, легированных Ni // Вестник ИрГТУ. 2013. Т.57, № 9.
6. Bean C.P. Hysteresis Loop of Mixtures of Ferromagnetic Micropowders // Journal of Applied Physics. 1955. V.11. P. 1381-1383.
7. Гусакова Д.Ю. Теория неоднородных гетероструктур ферромагнетик/сверхпроводник и магнитных геликоидов: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. М., 2005. 103 с.
