Оксид висмута, стронция, кальция, меди
Оксид висмута, стронция, кальция, меди ( BSCCO , произносится как биско ), представляет собой тип купратного сверхпроводника, имеющий обобщенную химическую формулу Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4+ x , причем n = 2 является наиболее часто изучаемым соединение (хотя n = 1 и n = 3 также привлекли значительное внимание). Обнаружен как общий класс в 1988 году. [1] BSCCO был первым высокотемпературным сверхпроводником , не содержащим редкоземельных элементов .
Это купратный сверхпроводник , важная категория высокотемпературных сверхпроводников, имеющих двумерную слоистую ( перовскитную ) структуру (см. рисунок справа), при этом сверхпроводимость происходит в плоскости оксида меди. BSCCO и YBCO — наиболее изученные купратные сверхпроводники.
Конкретные типы BSCCO обычно обозначаются по порядку номеров ионов металлов. Таким образом, Bi-2201 представляет собой соединение с n = 1 ( Bi 2 Sr 2 Cu O 6+ x ), Bi-2212 представляет собой соединение с n = 2 ( Bi n = 2 (Bi 2 Sr 2 Sr 2 Ca Cu 2 Ca Cu 2 O 2 O 8+ 8+ x x ), а Bi-2223 представляет собой соединение с ), соединение n 2 = 3 ( Bi Ca Sr 2 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 формулы 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 падает. Так, Bi-2201 имеет T c ≈ 33 К, Bi-2212 имеет T c ≈ 96 К, Bi-2223 имеет T c ≈ 108 К, а Bi-2234 имеет T c ≈ 104 К. Этот последний член очень сложно синтезировать. .
Провода и ленты
[ редактировать ]
BSCCO был первым материалом ВТС, который использовался для изготовления практичных сверхпроводящих проводов. Все ВТС имеют чрезвычайно короткую длину когерентности , порядка 1,6 нм. Это означает, что зерна поликристаллической проволоки должны находиться в очень хорошем контакте – они должны быть атомарно гладкими. Кроме того, поскольку сверхпроводимость находится в основном только в плоскостях медь-кислород, зерна должны быть кристаллографически выровнены. Таким образом, BSCCO является хорошим кандидатом, поскольку его зерна можно выравнивать либо путем обработки расплавом, либо путем механической деформации. Двойной слой оксида висмута слабо связан силами Ван-дер-Ваальса. Так, как и в случае с графитом или слюдой , 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 естественным образом имеют тенденцию размещать границы зерен с малым углом, так что действительно остаются атомно гладкими. Таким образом, провода HTS первого поколения (называемые 1G) уже много лет производятся такими компаниями, как American Superconductor Corporation (AMSC) в США и Sumitomo в Японии, хотя сейчас AMSC отказалась от проводов BSCCO в пользу проводов 2G. на основе ЮБКО . [ нужна ссылка ]
Обычно порошки-прекурсоры упаковывают в серебряную трубку, которую затем экструдируют вниз по диаметру. Затем их переупаковывают в виде нескольких трубок в серебряную трубку и снова экструдируют по диаметру, затем вытягивают еще больше и скатывают в плоскую ленту. Последний шаг обеспечивает выравнивание зерен. Затем ленты подвергаются реакции при высокой температуре с образованием плотной, кристаллографически ориентированной многоволоконной проводящей ленты Bi-2223, подходящей для намотки кабелей или катушек для трансформаторов, магнитов, двигателей и генераторов. [2] [3] Типичные ленты шириной 4 мм и толщиной 0,2 мм выдерживают ток 200 А при температуре 77 К, что обеспечивает критическую плотность тока в нитях Bi-2223 5 кА/мм. 2 . Она заметно возрастает с понижением температуры, поэтому многие приложения реализуются при 30–35 К, хотя T c составляет 108 К.
Приложения
[ редактировать ]Передача электроэнергии:
- Проводники 1G изготовлены из мультифиламентных лент Би-2223. например:
Электромагниты и их токоподводы:
Открытие
[ редактировать ]BSCCO как новый класс сверхпроводников был открыт примерно в 1988 году Хироши Маэда и его коллегами. [1] в Национальном исследовательском институте металлов в Японии, хотя в то время не смогли определить его точный состав и структуру. Почти сразу несколько групп, в первую очередь Субраманиан. [5] и др. в Дюпоне и Каве [6] и др. в AT&T Bell Labs идентифицировали Bi-2212. Член n = 3 оказался весьма неуловимым и был идентифицирован Таллоном только месяц спустя или около того. [7] и др. в правительственной исследовательской лаборатории в Новой Зеландии. С тех пор в эти материалы были внесены лишь незначительные улучшения. Ключевой ранней разработкой была замена около 15% Bi на Pb, что значительно ускорило образование и качество Bi-2223.
Характеристики
[ редактировать ]BSCCO должен быть легирован дырками избытком атомов кислорода ( x Чтобы обеспечить сверхпроводимость, в формуле). Как и во всех высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), T c чувствителен 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 допингом. Образцы с более низким легированием (и, следовательно, с более низкой T c ) обычно называют недолегированными, тогда как образцы с избыточным легированием (также с более низкой T c ) называют перелегированными. Таким образом, изменяя содержание кислорода, T c можно изменять по желанию. По многим меркам, [ нужны разъяснения ] сверхлегированные ВТС являются сильными сверхпроводниками, даже если их T c меньше оптимального, но недолегированные ВТС становятся чрезвычайно слабыми. [ нужна ссылка ]
Приложение внешнего давления обычно повышает T c в недостаточно легированных образцах до значений, которые значительно превышают максимум при давлении окружающей среды. Это не до конца понятно, хотя вторичным эффектом является то, что давление увеличивает допинг. Bi-2223 сложен тем, что имеет три отдельные медно-кислородные плоскости. Два внешних медно-кислородных слоя обычно легированы близко к оптимальному, тогда как оставшийся внутренний слой заметно недолегирован. Таким образом, приложение давления в Bi-2223 приводит к повышению T c максимум примерно до 123 К из-за оптимизации двух внешних плоскостей. После продолжительного снижения T c снова возрастает до 140 К из-за оптимизации внутренней плоскости. Поэтому ключевой задачей является определение того, как одновременно оптимизировать все медно-кислородные слои.
BSCCO — сверхпроводник второго рода . Верхнее критическое поле H c2 в поликристаллических образцах Bi-2212 при 4,2 К измерено как 200 ± 25 Тл (ср. 168 ± 26 Тл для поликристаллических образцов YBCO). [10] На практике ВТС ограничиваются полем необратимости H *, выше которого магнитные вихри плавятся или отделяются. Несмотря на то, что BSCCO имеет более высокое верхнее критическое поле, чем YBCO, оно имеет гораздо более низкое H * (обычно меньше в 100 раз). [11] что ограничивает его использование для изготовления магнитов с сильным полем. Именно по этой причине проводники YBCO предпочтительнее BSCCO, хотя их гораздо сложнее изготовить.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Х. Маэда; Ю. Танака; М. Фукутуми и Т. Асано (1988). «Новый высокотемпературный оксидный сверхпроводник без редкоземельного элемента» . Япония. Дж. Прил. Физ . 27 (2): Л209–Л210. Бибкод : 1988JaJAP..27L.209M . дои : 10.1143/JJAP.27.L209 .
- ^ К. Л. 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 .
- ^ Тимоти П. Билз; Джо Джатсон; Люк Ле Лэй и Мишель Мёльгг (1997). «Сравнение свойств обработки порошка в трубке двух порошков (Bi 2− x Pb x )Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+δ ». Дж. Матер. Хим . 7 (4): 653–659. дои : 10.1039/a606896k .
- ^ Материалы HTS для токовых выводов LHC
- ^ М. А. Субраманян; и др. (1988). «Новый высокотемпературный сверхпроводник: Bi 2 Sr 3− x Ca x Cu 2 O 8+ y ». Наука . 239 (4843): 1015–1017. Бибкод : 1988Sci...239.1015S . дои : 10.1126/science.239.4843.1015 . ПМИД 17815702 . S2CID 35551648 .
- ^ Р. Дж. Кава; и др. (1988). «Структура и физические свойства монокристаллов сверхпроводника 84-К Bi 2,2 Sr 2 Ca 0,8 Cu 2 O 8+δ ». Физический обзор B . 38 (1): 893–896. Бибкод : 1988PhRvB..38..893S . дои : 10.1103/PhysRevB.38.893 . ПМИД 9945287 .
- ^ Дж. Л. Таллон; и др. (1988). «Высокотемпературные сверхпроводящие фазы ряда Bi 2.1 (Ca,Sr) n +1 Cu n O 2 n +4+δ ». Природа . 333 (6169): 153–156. Бибкод : 1988Natur.333..153T . дои : 10.1038/333153a0 . S2CID 4348096 .
- ^ г-н Пресленд; и др. (1991). «Общие тенденции в эффектах кислородной стехиометрии в сверхпроводниках Bi и Tl». Физика С. 176 (1–3): 95. Бибкод : 1991PhyC..176...95P . дои : 10.1016/0921-4534(91)90700-9 .
- ^ Дж. Л. Таллон; и др. (1995). «Общее поведение сверхпроводящей фазы в высокотемпературных купратах c : изменение T c в зависимости от концентрации дырок в YBa 2 Cu 3 O 7-δ ». Физический обзор B . 51 (18): (Р) 12911–4. Бибкод : 1995PhRvB..5112911T . дои : 10.1103/PhysRevB.51.12911 . ПМИД 9978087 .
- ^ А.И. Головашкин; и др. (1991). «Низкотемпературные прямые измерения H c2 в ВТСП с использованием мегагауссовых магнитных полей». Физика C: Сверхпроводимость . 185–189: 1859–1860. Бибкод : 1991PhyC..185.1859G . дои : 10.1016/0921-4534(91)91055-9 .
- ^ К. Тогано; и др. (1988). «Свойства сверхпроводников Bi-Sr-Ca-Cu-O, легированных Pb». Письма по прикладной физике . 53 (14): 1329–1331. Бибкод : 1988ApPhL..53.1329T . дои : 10.1063/1.100452 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Лента BSCCO-2223 в лаборатории США» . Magnetic.fsu.edu . Архивировано из оригинала 12 апреля 2013 года.
- Исследование изготовления 2212 на MgO в 1993 г. Архивировано 10 января 2018 г. в Wayback Machine (pdf)
- Локальная электронная структура Bi2Sr2CaCu2O8 вблизи примесей кислорода...
- Каминский, А.; Розенкранц, С.; Фретвелл, HM; Норман, MR; Рандерия, М.; Кампусано, JC; Парк, Дж. М.; Ли, ЗЗ; Раффи, Х. (2006). «Изменение топологии поверхности Ферми в Bi2Sr2CaCu2O8+δ при легировании». Физический обзор B . 73 (17): 174511. arXiv : cond-mat/0507106 . Бибкод : 2006PhRvB..73q4511K . дои : 10.1103/PhysRevB.73.174511 . S2CID 116213053 .