CC BY
6ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ И АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимость. Сверхпроводимость в энергетике
BASIC PROBLEMS OF ENERGY AND RENEWABLE ENERGY
Superconductive materials. Superconductivity. Superconductivity of energy
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ ВИСМУТОВЫХ ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ВТСП-ПЛЕНОК
С. С. Рагимов, В. М. Алиев, Г. Г. Гусейнов, Б.А.Таиров, М. 3. Зарбалиев, Г.И.Исаков
Member of International Editorial Board
Институт физики HAH Азербайджана пр. Г. Джавида, 33, Баку, Az-1143, Азербайджан gudrat@physics.ab.az; sadiyar@mail.ru
УДК: 592.315 PACS: 74.25
Рагимов Садияр
Сведения об авторе: кандидат физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник Института физики Национальной академии наук Азербайджана.
Образование: физический факультет Азербайджанского государственного университета (1982 г.).
Область научных интересов: физика конденсированного состояния, сверхпроводимость, явления переноса в полупроводниках и неоднородных системах.
Публикации: более 60 научных работ, 5 изобретений.
It was investigated the specific resistive of Bi-based superconducting thick films in 65-350 K temperature interval. The X-ray analysis show that, the investigated samples are two phases. The calculations were carry out according to the two-phase theory. It were determined several physical parameters as: the 2D-3D crossover of the fluctuation conductivity, the width of crossover, the coherent lengths, the interlayer coupling strength, the Fermi energy for the investigated samples.
Один из путей экономии энергии — уменьшение потерь на нагревание при передаче электроэнергии по проводам. Радикальное решение этой задачи состоит в использовании сверхпроводников, по которым электрический ток протекает без потерь. Одним из критических параметров сверхпроводимости является критическая плотность тока укр. Поэтому изготовление сверхпроводящих материалов с высоким значением у является актуальной задачей физики и технологии производства высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
Как известно, общим в природе материалов ВТСП является их квазислоистая структура с одной или несколькими плоскостями Си02 в элементарной ячейке [1, 2]. Как в сверхпроводящем, так и в нормальном состояниях аномальное поведение некоторых величин связано с движением дырок в квазидвумерных плоскостях Си02 [3].
Продольные и поперечные длины когерентности, определяемые из второго критического магнитного поля Вкр2, очень малы. Короткие длины когерентности приводят к достаточно малому объему когерентности, где содержится только несколько куперовских пар. Поэтому в таких системах термодинамические флуктуации играют существенную роль и флуктуации параметра порядка сказываются на транспортных, магнитных и термодинамических свойствах.
Исследования кинетических эффектов в области фазового перехода в пленках ВТСП с включениями дополнительных фаз представляют особый интерес. Такие фазы являются своего рода дефектами, центрами пиннинга, что важно с точки зрения практического применения сверхпроводников второго рода. Поэтому исследование материалов со сверхпроводящими (СП) включениями представляет как научный, так и практический интерес.
Статья поступила в редакцию 09.12.2004 г. The article has entered in publishing office 09.12.2004
Исходя из изложенного, с целью выявить влияние дополнительных фаз на сверхпроводящие параметры в области фазового перехода, были исследованы толстослойные пленки ВТСП на основе висмута.
Экспериментальные результаты и обсуждение
Проведено исследование температурной зависимости удельного сопротивления в В^г-Са-Си-0 (2212) пленок ВТСП толщиной 50-120 мкм в интервале температур 65-350 К. Рентгенографический анализ пленок, проведенной на дифрак-тометре ДРОН-3 (СиКа-излучение, №-фильтр), показал, что их кристаллическая структура по дифракционной картине соответствует данным [4]. Полученные нами результаты также согласуются с данными [5]. Однако обнаруженные авторами этой работы разные фазы в объемном отношении больше, чем в наших исследованиях. Рентгеноструктурный анализ показал, что образцы являются поликристаллами с некоторыми включениями высокотемпературных фаз 2223 и 2201 (рис. 1). Основной состав образцов соответствует фазе 2212 с параметрами решетки а = Ъ = 3,81 А и с = 30,8 А.
100
^ 50
о 100 о
50 100 — 50
I Ii ill, I
Образец № 96
, Ii I
_LL
Образец № 97
_и_а
Образец № 101
и |,|
I ,i
10 20 30 40 50 60 70 20, град.
Рис. 1. Рентгенограммы образцов Bi2Sr2CaCu2O8+x
Методика получения ВТСП-керамик и ВТСП-кристаллов подробно описана в работах [6, 7]. На основе синтезированных ВТСП-мате-риалов получены толстослойные пленки на сапфировой подложке. Для этого образцы Bi-Sг--Са-Си-0 перетирали в агатовой ступке и помещали на сапфировой подложке, после чего нагревали до температуры плавления образца. При этой температуре образцы выдерживали в течение 1 ч, затем температуру понижали до 830840 °С, в этом режиме выдерживали 5-10 ч и далее медленно охлаждали до комнатной температуры. Удельное сопротивление измеряли че-тырехзондовым методом на постоянном токе. Плотность тока не превышала предельного значения критического тока укр для сверхпроводника. Токовые контакты наносились индием, кон-
тактное сопротивление не превышало 1,2 Ом. Нагревали образец (<77 К) с помощью печи из бифилярно намотанной константановой проволоки 00,2 мм и смонтированной на торце образца. Стабилизировали температуру в пределах 0,1 К с помощью регуляции паров жидкого азота.
Как видно из рис. 2, зависимости удельного сопротивления от температуры исследованных образцов показывают переходы в сверхпроводящее состояние для образцов № 96 (Гкр = 75 К), №97 (Ткр = 80 К), № 101 (Ткр = 68 К). Для образца
350 300 250
О 200
| 150 ^ 100 50 0
№96
30 25 20 15 10 5
50 100
150
200 250 300 350 T, к
Рис. 2. Зависимости удельного сопротивления образцов В^г2СаСи208+х от температуры
№ 30 наблюдается уменьшение удельного сопротивления после перехода через максимум при относительно низких температурах. Обращает на себя внимание то, что зависимости р(Г) для образцов № 30, 96 и 101 характерны для полупроводников, а образца № 97 — для металлов, хотя образец № 30 синтезирован на сапфировой, а образцы № 96, 97 и 101 на подложках из 22ХС. Исходя из этого можно заключить, что материал подложки не влияет на характер зависимости р(7); скорее всего, это связано с составом образца. Известно [6, 8], что образцы висмутовой системы получаются не однофазными, так как при синтезе висмутовых ВТСП могут образовываться такие фазы, как 2201, 2212, 2223. В зависимости от того, какая фаза превалирует при синтезе, наблюдается переход в СП-состояние при разных температурах 20 К (2201), 85 К (2212), 115 К (2223).
Рентгенофазный анализ показывает присутствие некоторой доли других фаз. Поэтому было бы разумно учесть влияние дополнительных фаз на проводимость. Такая попытка сделана в этой работе. При этом принималось процентное содержание фаз на основе результатов рентгенофазо-вого анализа. Предполагалось, что образцы состоят из двух фаз, и исходя из этого проведены расчеты [9, 10]. Если проводимости фаз не сильно отличаются, выражение для электропроводности имеет вид:
а= а
1 _ XL (а1 (а))2 _ Xl (а2 ~(а))2
з /а2 з /а\2
Основные проблемы энергетики и альтернативной энергетики Сверхпроводящие материалы. Сверхпроводимость. Сверхпроводимость в энергетике
где (^ = а1х1 +с2х2; (р)2 =(а1х1 + с2х2)2, а Х1 и
х2 — объемные доли обеих фаз.
При расчетах температурные зависимости с составов 2223 и 2101 взяты из [6, 11], соответственно. Результаты расчета показаны на рис. 2 сплошными линиями. Как видно, учет объемной доли 15 и 25 % второй низкотемпературной фазы 2201 приводит к удовлетворительному согласию с экспериментальными данными. Таким образом, «полупроводниковый» или «металлический» характер кривой р(Т) и более точное согласие с экспериментом можно получить, учитывая объемное содержание и других фаз.
На рис. 3 показана зависимость 1пАо/о от 1п(Т - Ткр)/Ткр для образцов № 96, 97 и 101.
-2 г
-10
-3
-2
1п(Т- Тф)/Тф
Рис. 3. Зависимость приведенной электропроводности от температуры для образцов В^г2СаСи208+х
Как известно, в области фазового перехода (ФП) на проводимость существенно влияют сверхпроводящие флуктуации. В рамках теории Гинзбурга - Ландау флуктуационная поправка к проводимости для ВТСП-материалов была вычислена Варламовым и Ливановым [12]. Согласно этой теории, дополнительная проводимость имеет вид:
До =
( e2 Л / \ T -1 1+J / \ T
--1 --1
16hd T T
V 7 кр V 7 кр V /
-1/2
(2)
где е — заряд электрона; d — расстояние между слоями; J = (2^с (0)/ ё )2 — постоянная межплоскостного спаривания — длина когерентности в направлении кристаллографической оси с, А).
Из уравнения (2) видно, что при высоких температурах Т ? Ткр, когда J = е, а е = Т / Ткр -1, Ао пропорциональна е-1 (2D-проводимость), а при приближении к температуре перехода Ткр, когда J ? е, Ао изменяется пропорционально е-1/2 (3D-проводимость). По экспериментальным данным и формуле (2) была вычислена температура перехода 2D-3D флуктуационной проводимости для образцов № 96, 97 и 101. Рассчитана
также ширина перехода 2D-3D, АТ2-3(№ 96) = 4 К, АТ2-3(№ 97) = 3 К, АТ2-3(№ 101) = 4,5 К. Как видно, она зависит от состава исследуемого образца. Пронализировано влияние второй фазы на АТ и установлено, что с увеличением объемного содержания второй фазы ширина АТ кроссовера 2D- я 3D увеличивается. Была оценена энергия Ферми ^ для этих образцов по экспериментальным дан- * ным и соотношению [13]: |
и
о/Ао = (( /МКро)(1/ВС)[е/(1 + е)], (3) |
а
где Ер — энергия Ферми; кВ — постоянная Больц- ^ мана; Гкр0 — температура, при которой начинает 1 сказываться наибольшее влияние флуктуацион- ^ ных эффектов, обычно Гкр0 > Гкр; В и С — посто- § янные. ©
Получено, что с увеличением объемной доли второй фазы энергия Ферми уменьшается: Ер = 0,12 эВ (№ 101), 0,135 эВ (№ 96) 0,240 эВ (№ 97). Оценена также постоянная межплоскостного спаривания 3: 8510-3 (№97), 5610-3 (№96), 5010-3 (№101); длина когерентности 2,2 А (№ 97), 1,82 А (№ 96), 1,75 А (№ 101). С увеличением доли второй фазы ширина перехода в СП-состояние также увеличивается, охватывая более широкий интервал температур.
Быводы
Результаты рентгенографических исследований позволили установить, что висмутовые толстослойные ВТСП-пленки являются многофазными и при расчете их проводимости следует учесть влияние дополнительных фаз. Наличие дополнительных фаз существенно влияет на энергию Ферми, длину когерентности, ширину перехода в СП-состояние в этих материалах.
Авторы выражает благодарность профессору С. А. Алиеву за интерес и ценные замечания к данной работе.
Список литературы
1. Панова Г. X., Хлопкин М. Н., Чернопле-ков Н. А. и др. Тепловые и магнитные свойства сверхпроводящего соединения Bi19Pb0;4Sr2Ca31
Cu4 2Ox // СФХТ. 1990. Т. 3, № 3. С. 421.
2. Mandal P., Podder A., Das S. Excess conductivity analysis of the Bi2Sr2Ca1-xYxCu2O8+y system: an estimation of interlayer coupling strenth // J. Phys. Condens. Matter. 1994. Vol. 6. P. 5689.
3. Askerzade I. N. Effect of Coulomb repulsion on the critical temperature in layered superconductors with arbitrary layer thicknesses // J. Korean Phys. Soc. 2004. Vol. 45, No. 2. P. 475.
4. Houssa M., Bougrine H., Stassen S., Clots R., Ausloos M. Superconductivity fluctuation effects on the thermal conductivity of Bi2Sr2CaCu2O8 // Phys. Rev. B. Vol. 54, No. 10. P. R6885.
5. Горобченко В. Д., Иродова А. В., Жарни-ков М. В., Лаврова О. А., Ласкова Г. В., Пиля-
гин Г. В. Сверхпроводимость и фазовый состав оксидов Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O с высоким содержанием Са и Си // СФХТ. 1989. Т. 2, № 7. C. 55.
6. Алиев С. А., Алиев В. М., Рагимов С. С. и др. Разрушение сверхпроводимости в висмутовых керамиках магнитным полем // Препринт НПО Космических исследований. 1990. № 102.
7. Aliev S. A., Ragimov S. S., Aliev V. M. On critical fields and paraconductivity in high-temperature superconductors // J. Rare Earths. 1991. Vol. 3. P. 1060.
8. Буш А. А., Дубенко И. С., Мрост С. Э., Романов Б. Н., Титов Ю. В. Рентгенографические исследования, химический состав и магнитные свойства системы Bi2O3-SrO-CaO-CuO1+x // СФХТ. 1990. Т. 3, № 3. C. 432.
9. Herring C. Effect of random Inhomogene-ties on electrical and galvanomagnetic measurements // J. Appl. Phys. 1960. Vol. 31, No. 11. P. 1939.
10. Алиев С. А., Рагимов С. С. Термоэлектрические свойства образцов системы Ag-Sb-Te // Неорганические материалы. 1992. Т. 28, № 2. С. 329.
11. Пономарев А. И., Крылов К. Р., Муш-никова Н. В. и др. Парапроводимость, критические поля и энергия активации крипа потока в литой керамике Bi2Sr2CaCu2O8+x // СФХТ. 1992. Т. 5, № 12. С. 2259.
12. Варламов А. А., Ливанов Д. В. К вопросу о влиянии сверхпроводящих флуктуаций на термоЭДС и теплопроводность сверхпроводника вблизи критической температуры // ЖЭТФ. 1990. Vol. 98. P. 584.
13. Villers P., Doyle R., Gridin V. Superconductivity fluctuations in the thermoelectric power and resistivity of Bi-based polycrystalline cuprates // J. Phys. Condens. Matter. 1992. Vol. 4. P. 9401.
НОВОСТИ НАУКИ; И ТЕХНИКИ
КАК СДЕЛАТЬ ДЕШЕВЫЕ НАНОТРУБКИ
Использованием обычного водяного пара в традиционной технологии выращивания нанотрубок в газовой смеси удалось достичь их дешевого массового производства. Сейчас грамм нанотрубок стоит около $500. Японские ученые во главе с Кеньи Хатой из Национального института усовершенствованных промышленных технологий в Цукубе доложили о том, что с использованием водяного пара в традиционной технологии выращивания им удалось получить массовое производство нанотрубок, сгруппированных в колонны и листы. «Используя воду как один из катализаторов, мы смогли добиться получения леса нанотрубок высотой 2,5 мм с чистотой углерода до 99,98 %», — сказали исследователи.
Новый метод с использованием водяного пара расширяет возможности промышленного применения нанотрубок. Благодаря экономичности производства их можно будет использовать в электронных устройствах и плоских дисплеях. Нанотрубки — молекулы цилиндрической формы — имеют очень высокую механическую прочность, гибки и могут проводить электричество. Большинство методов по производству нанотрубок основано на их росте из порошка углерода под воздействием катализаторов и высоких температур. Чтобы нанотрубки росли строго в определенном направлении, формируя своеобразную лесную структуру, используется метод химического осаждения из паровой фазы (chemical vapor deposition — CVD). В резервуар, содержащий катализаторы, добавляют газы-гидрокарбоны. Резервуар нагревают, получая углеродный пар, который затем осаждается на подложке, формируя нанотрубки. Однако аморфные соединения углерода, получающиеся в процессе производства, быстро покрывают катализаторы, и это останавливает создание нанотру-бок. Для выращивания новой их партии необходимо повторить весь процесс сначала.
Ученые давно ищут универсальный катализатор, который действовал бы дольше обычного. Попытки использовать кислород, чтобы убрать аморфный углерод, приводили к сгоранию нанот-рубок. Хата и его коллеги решили использовать воду: в ходе ее реакции с аморфным углеродом образуется монооксид углерода и молекулярный водород. С добавлением 1/10000 части водяного пара в исходную смесь инертных газов аморфный углерод эффективно связывался, а нанотрубки не повреждались. Катализаторы оставались активными, что позволило получать большое количество нанотрубок в процессе одного производственного цикла.
Используя комбинации катализаторов, получали различные нанотрубочные структуры, которые росли на подложках и из-за своеобразного расположения нанотрубок были похожи на колонны и на листы, в которых нанотрубки располагались на плоскости.
Источник: NanoNewsNe
