УВЕЛИЧЕНИЕ ПЛОТНОСТИ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА В ВТСП КЕРАМИКЕ Bi(2223) В РЕЗУЛЬТАТЕ ПЛАВЛЕНИЯ СO2 ЛАЗЕРОМ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО КРАТКОВРЕМЕННОГО ОТЖИГА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 538.945+538.97:621.375.826

УВЕЛИЧЕНИЕ ПЛОТНОСТИ КРИТИЧЕСКОГО ТОКА В ВТСП КЕРАМИКЕ В1(2223) В РЕЗУЛЬТАТЕ ПЛАВЛЕНИЯ С02 ЛАЗЕРОМ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО КРАТКОВРЕМЕННОГО ОТЖИГА

Г.Н.Михайлова, А.М.Прохоров, А.В.Троицкий, Б.П.Михайлов, Д.И.Григорашев,

П.Е.Казин, В.В.Ленников, Т.Д.Аксенова

Кратковременное плавление ВТСП-керамики СО2 лазером и последующий ее отжиг приводят к образованию плотной мелкозернистой структуры (размер зерна ~ 2 — Змкм). В результате образования такой структуры происходит существенное (в 40 раз при 20 К и в 8 раз при 77 К) повышение критического тока керамики.

Практическое применение массивных изделий из высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) керамик ограничивается низкими значениями плотности крити ческого тока (< 103А/см2 при ПК). В последние годы широкое распространение получили расплавные методы получения керамики, которые позволяют резко улучшить транспортные и магнитные свойства сверхпроводников [1-4]. Возможность получения плотных, текстурированных ВТСП керамик с очень высокой плотностью критического тока Зс ~ 104-105 А/см2 в результате плавления делает эту технологию очень привлекательной для практического применения. Однако процесс текстурирования за счет плавления и последующей кристаллизации занимает очень много времени (сотни часов), и при этом размеры образцов ограничены сантиметрами. Указанные методы перекристаллизации требуют дорогостоящих градиентных печей, являются высокоэнер гоемкими и практически не могут быть использованы для изготовления длинномерных сверхпроводящих изделий (лент, проводов). В связи с этим представляют большой интерес методы кратковременного плавления ВТСП материалов [9, 10], одним из которых является метод лазерного плавления. Эти методы имеют следующие преимущества:

высокую скорость процесса;

формирование аморфизированных промежуточных продуктов и последующая направленная кристаллизация; уплотнение керамики;

возможность применения для производства длинномерных изделий (проводов, лен : возможность получения толстых ВТСП пленок на различных подложках, включ; монокристаллические;

возможность легирования ВТСП в жидкой фазе.

Рис. 1. а) Микроструктура исходного образца керамики Bi(2223),' б) Микроструктура ю-верхности того же образца после лазерного плавления и отжига.

Оптические свойства высококачественных ВТСП-пленок и монокристаллов V''(12!) 5г(2212,2223) детально исследованы в работе [11]. Ранее [5 8] было показ но, что применение излучения лазера, а также инфракрасного нагрева для кра; ковременного плавления ВТСП керамики дают обнадеживающие результаты с тот. зрения повышения плотности структуры и токонесущей способности. Поэтому прел i вляется важным и перспективным провести детальное и целенаправленное исслед< >ианш комплекса проблем, связанных с лазерной обработкой (плавлением) ВТСП керамики, направленной на создание более плотной и текстурированной структуры с существенно более высокими критическими параметрами.

В данной работе исследовалось лазерное плавление У(123) и #¡¡(2223) керамик В качестве источника лазерного излучения использовался непрерывный СО2 1 131 > (А = 10.6мкм) с плотностью мощности излучения на выходе до 127 Вт/см/. Лр , нялось однократное и двухкратное сканирование поверхности образца со скоро< 1, 45 мм/мин. Отжиг образцов после лазерного плавления проводился в изотермичен

Jr, A/cm"

Рис. 2. Зависимость критической плотности тока от температуры до и после лазерного плавления и отжига. (1) Исходная Вг(2223) керамика, приготовленная путем прессования. (2) Плавленый С02 лазером (\ = 10.6л«гсл<) образец. Плотность мощности лазерного излучения q = 57 Вт/см2, однократное сканирование поверхности образца со скоростью 45 мм/мин. (3) q — 44 Вт/см2, двухкратное сканирование поверхности образца со скоростью 45 мм/мин. (4) q = 44 Вт/см2, двухкратное сканирование поверхности образца со скоростью \Ъ мм/мин. (5) q = 127 Вт/см2, однократное сканирование поверхности образца со скоростью 45 мм/мин. Отжиг образцов после лазерного плавления проводился в изотермических условиях при 840°С в течение 100 часов.

условиях при 920°С в течение 50 час для К(123) и при 840°С в течение 100 час для Bi(2223) соответственно. Микроструктура и химический состав поверхности образцов и их поперечного сечения были исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа Jeol JSM-35 с EDX-спектрометром LINK. Для изучения эволюции сверхпроводящей фазы в результате отжига проводился XRD-анализ плавленой и неплавленой сторон образцов. Критическая температура (Тс) и плотность критического тока (Jc) полученных образцов определялась из измерений комплексной магнитной восприимчивости.

Результаты экспериментов показывают возможность существенного уплотнения образцов и формирования локальной текстуры. Была обнаружена принципиальная раз-

Р,%

40

Си

Си

Си

Bi

Sr

20

Са

Bi Sr

Са

Bi Sr

Са

Pb

_L

Pb

X

Pb

JL

Рис. 3. Элементный состав /3, определенный с помощью микроанализатора LINK при различных этапах лазерной и тепловой обработки образца Вг(2223): (а) химический состав < исходном состоянии; (б) после лазерного плавления и аморфизации; (в) после отжига.

ница в изменении микроструктур У- и Вг- ВТСП керамики. Микроструктура У(123) в результате лазерного плавления и отжига изменяется незначительно. Микрострук гура В{ керамики меняется очень существенно. В результате лазерного плавления и отжига в ней возникает плоская структура с локальными (40 х 50л4?сл*) текстурированными зонами (см. рис. 1). Та же картина наблюдается и для плотности критического тока материалов: для У(123) Зс меняется незначительно, а для 5г(2223) Зс существенно возрастает (см. рис. 2). Как видно из рис. 2 (кривая 5), величина Зс для одного из образцов возросла в 40 раз при Т = 20 К и в 8 раз при 77 К по сравнению с исходным образцом При этом Тс в обоих случаях не меняется.

На рис. 3 представлены результаты исследования элементного состава образца #¿(2223) до плавления, после плавления и после плавления и отжига. Сравнение кон центраций элементов в исходном состоянии (рис. За), после лазерного плавления и аморфизации (рис. 36), и после отжига (рис. Зв) показало, что в первом случае химические состав соответствует отношению 2:2:2:3 (рис. За). Затем, после лазерного плавлент и аморфизации соотношение концентраций элементов изменяется (рис. 36). После от жига химический состав восстанавливается, происходит рекристаллизация керамик г,

О 20 40 60 80 100 120 140

т,к

Рис. 4. Зависимость магнитной восприимчивости от температуры до и после лазерного плавления и отжига. (1) Исходная Бг(2223) керамика, приготовленная путем прессования. (2) Плавленый С02 лазером (\ = 10.6л<кл<) образец. Плотность мощности лазерного излучения <7 = 57 Вт/см2, однократное сканирование поверхности образца со скоростью 45 мм/мин. (3) <7 = 44 Вт/см2, двухкратное сканирование поверхности образца со скоростью 45 мм/мин. (4) <7 = 44 Вт/см2, двухкратное сканирование поверхности образца со скоростью 45 мм/мин. (5) д = 127 Вт/см2, однократное сканирование поверхности образца со скоростью 45 мм/мин. Отжиг образцов после лазерного плавления проводился в изотермических условиях при 840° С в течение 100 часов.

(рис. Зв). Этот результат получается в условиях оптимального лазерного облучения. В случае, если энергия лазерного излучения превышает некоторый предельный уровень, происходит необратимый распад сверхпроводящей фазы. Результаты Х1Ш-анализа Бг(2223) образцов показывают, что исходный материал состоит на 67% из В1(2223) фазы, на 23% из £г(2212) и на 10% из других примесей. Лазерное плавление приводит к тому, что фаза 5г(2223) распадается и формируется фаза 5г(2201). Последующий отжиг приводит к образованию фазы 5г(2212) (через 50 час и затем к восстановлению фазы Яг(2223) (более 60% через 100 час). Эти результаты подтверждаются измерениями магнитной восприимчивости (х). На кривых х(^) имеются три ступеньки при Т ~ 115,100 и 70А' (рис.4). Эти ступеньки могут возникать в результате сверхпроводящих переходов в объеме и на границах зерен фаз Вг(2223) и Вг(2212) соответственно.

Таким образом, данное исследование показало принципиальную возможность применения кратковременного лазерного плавления для производства ВТСП керамики с высоким Jc.

Данная работа выполнена при поддержке МНТП Министерства науки РФ "Оптика и лазерная физика", "Сверхпроводимость".

ЛИТЕРАТУРА

[1] Jin S., Т i е f е 1 T. H., S h е г w о о d R. S., et al. Appl. Phys. Lett., 51, 943 (1987).

[2] Sala m'a K., Selvamanickam V., G a о L., et al. Appl. Phys. Lett., 54, 2352 (1989).

[3] M с N a b f о г d N,Button T. W., G о u g h С. E., et al. J. Appl. Phys., 66, 5930 (1989).

[4] M u r a k a m i M., M о r i t a M., D о i K., et al. Jpn. J. Appl. Phys., 28, 1189 (1989).

[5] К о h о h ю к H. Ф., M a x н a ч A. В., СФХТ, 4, 1344 (1991).

[6] Михайлов Б. П., Гутька П., Освальд И. и др. Письма в ЖТФ, 18, 47 (1992).

[7] S h i h С. H. S., M о 1 i a n P. A., et al. J. Mater. Sci., 29, 1629 (1994).

[8] Денисов Ю. В., Мадий В. A., К p a с и л о в Ю. И. СФХТ, 7, 109 (1994).

[9] Е с е п к и н В. А. и др. СФХТ 4, 1344 (1991).

[10] Михайличенко A. JI. и др. Квантовая электроника, 26, 696 (1996).

[11] Е 1 a z r a k А. Е., N a h о u m R., В о n t e m p s N. et al. Phys. Rev. В, 49, 9846 (1994).

Институт общей физики РАН Поступила в редакцию 21 сентября 1999 г.