WikiDer > Висмут стронций кальция оксид меди

Bismuth strontium calcium copper oxide

Кусок купрата висмута и стронция: этот кусок представляет собой куб с ребром почти 1 мм.

Висмут стронций кальция оксид меди (BSCCO, произносится Биско), является разновидностью купратный сверхпроводник имеющий обобщенную химическую формулу Би2Sr2Caп−1CuпО2п+4+Икс, с п = 2 - наиболее часто изучаемое соединение (хотя п = 1 и п = 3 также получили значительное внимание). Открыт как общий класс в 1988 г.[1] BSCCO был первым высокотемпературный сверхпроводник который не содержал редкоземельный элемент.

Это купратный сверхпроводник, важная категория высокотемпературных сверхпроводников, разделяющих двумерный слоистый (перовскит) структура (см. рисунок справа) со сверхпроводимостью, имеющей место в плоскости оксида меди. BSCCO и YBCO являются наиболее изученными купратными сверхпроводниками.

Конкретные типы BSCCO обычно упоминаются с использованием последовательности номеров металлических ионов. Таким образом, Би-2201 - это п = 1 соединение (Би2Sr2CuО6+Икс), Би-2212 - это п = 2 соединение (Би2Sr2CaCu2О8+Икс), а Bi-2223 - это п = 3 соединение (Би2Sr2Ca2Cu3О10+Икс).

Семейство BSCCO аналогично таллиевому семейству высокотемпературных сверхпроводников, называемых TBCCO и имеющих общую формулу Tl2Ба2Caп−1CuпО2п+4+Икс, и семейство ртути HBCCO формулы HgБа2Caп−1CuпО2п+2+Икс. Существует ряд других вариантов этих сверхпроводящих семейств. В общем, их критическая температура, при которой они становятся сверхпроводящими, повышается для первых нескольких элементов, а затем падает. Таким образом, Би-2201 имеет Тc ≈ 33 К, Би-2212 имеет Тc ≈ 96 К, Bi-2223 имеет Тc ≈ 108 К, а Bi-2234 имеет Тc ≈ 104 К. Этот последний член очень сложно синтезировать.

Провода и ленты

Для практического применения BSCCO прессуется с металлическим серебром в ленту с помощью порошок в тюбике процесс

BSCCO был первым ВТСП-материалом, который использовался для практического изготовления сверхпроводящих проводов. Все HTS имеют очень короткие длина когерентности, порядка 1,6 нм. Это означает, что зерна в поликристаллической проволоке должны находиться в очень хорошем контакте - они должны быть атомарно гладкими. Кроме того, поскольку сверхпроводимость находится по существу только в плоскостях медь-кислород, зерна должны быть кристаллографически выровнены. Таким образом, BSCCO является хорошим кандидатом, поскольку его зерна можно выровнять либо обработкой расплавом, либо механической деформацией. Двойной слой оксида висмута только слабо связан силами Ван-дер-Ваальса. Так нравится графит или же слюдадеформация вызывает скольжение на этих плоскостях BiO, и зерна имеют тенденцию деформироваться в выровненные пластины. Кроме того, поскольку BSCCO имеет п = 1, 2 и 3, они, естественно, стремятся приспособиться к малоугловым границам зерен, так что они действительно остаются атомарно гладкими. Таким образом, HTS-провода первого поколения (обозначаемые как 1G) уже много лет производятся такими компаниями, как American Superconductor Corporation (AMSC) в США и Sumitomo в Японии, хотя теперь AMSC отказалась от проводов BSCCO в пользу проводов 2G. на YBCO.

Обычно порошки прекурсоров упаковывают в серебряную трубку, которую затем экструдируют по диаметру. Затем их снова упаковывают в виде нескольких трубок в серебряную трубку и снова экструдируют вниз по диаметру, затем растягивают еще больше и скручивают в плоскую ленту. Последний шаг обеспечивает выравнивание зерна. Затем ленты подвергаются реакции при высокой температуре с образованием плотной, кристаллографически выровненной многожильной проводящей ленты из 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 77 К, что дает критический плотность тока в нитях Bi-2223 5 кА / мм2. Это заметно возрастает с понижением температуры, поэтому многие приложения реализуются при 30–35 К, хотя Тc составляет 108 К.

Приложения

Передача электроэнергии:

Электромагниты и их токоподводы:

  • Тестирование лент BSCCO на ЦЕРН[4]

Открытие

BSCCO как новый класс сверхпроводников был открыт около 1988 года Хироши Маэда 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 в первую очередь Субраманианский[5] и другие. в Дюпон и Кава[6] и другие. в AT&T Bell Labs идентифицировал Bi-2212. В п = 3 члена оказались довольно неуловимыми и были идентифицированы Таллоном лишь месяц или около того.[7] и другие. в государственной исследовательской лаборатории Новой Зеландии. С тех пор в эти материалы были внесены лишь незначительные улучшения. Ключевой первой разработкой была замена около 15% Bi на Pb, что значительно ускорило образование и качество Bi-2223.

Кристаллическая элементарная ячейка BSCCO-2212, содержащая две повторяющиеся единицы, смещенные на (1 / 2,0,0). Остальные члены семейства BSCCO имеют очень похожую структуру: 2201 имеет на один CuO меньше2 в его верхней и нижней половине и без слоя Ca, в то время как 2223 имеет дополнительный CuO2 и слой Са в каждой половине.

Характеристики

BSCCO необходимо допировать дырочками избытком атомов кислорода (Икс в формуле), чтобы сверхпроводить. Как и во всех высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) Тc чувствителен к точному уровню допирования: максимальный Тc для Bi-2212 (как и для большинства ВТСП) достигается избыток около 0,16 дырок на атом Cu.[8][9] Это называется оптимальным допированием. Образцы с меньшим легированием (и, следовательно, с меньшим Тc) обычно называют недодопированными, в то время как с избыточным допированием (также ниже Тc) передозированы. Изменяя содержание кислорода, Тc таким образом, могут быть изменены по желанию. По многим параметрам[требуется разъяснение] сверхдопированные ВТСП - сильные сверхпроводники, даже если их Тc менее чем оптимально, но недодопированные HTS становятся чрезвычайно слабыми.[нужна цитата]

Применение внешнего давления обычно повышает Тc в недодопированных образцах до значений, значительно превышающих максимум при атмосферном давлении. Это не совсем понятно, хотя побочным эффектом является то, что давление увеличивает легирование. Bi-2223 сложен тем, что имеет три отдельные медно-кислородные плоскости. Два внешних медно-кислородных слоя обычно близки к оптимальному легированию, в то время как оставшийся внутренний слой заметно недодегирован. Таким образом, приложение давления в Bi-2223 приводит к Тc возрастает до максимума примерно 123 K за счет оптимизации двух внешних плоскостей. После продолжительного спада Тc затем снова возрастает до 140 K за счет оптимизации внутренней плоскости. Поэтому ключевой задачей является определение того, как оптимизировать все медно-кислородные слои одновременно.

BSCCO - это Сверхпроводник II типа. В верхнее критическое поле ЧАСc2 в поликристаллических образцах Bi-2212 при 4,2 К было измерено как 200 ± 25 Тл (ср. 168 ± 26 Тл для поликристаллических образцов YBCO).[10] На практике HTS ограничены поле необратимости ЧАС*, выше которого магнитные вихри плавятся или разъединяются. Хотя BSCCO имеет более высокое верхнее критическое поле, чем YBCO, он имеет гораздо более низкое ЧАС* (обычно меньше в 100 раз)[11] тем самым ограничивая его использование для создания сильнопольных магнитов. По этой причине проводники из YBCO предпочтительнее BSCCO, хотя их намного сложнее изготовить.

Возможности для сверхпроводящих логических микросхем

Для изготовления сверхпроводящих чипов было высказано предположение, что благодаря достижениям в технологии голубых лазеров, в частности, одномодовых диодов 445, 450 и 405 нм, можно будет избирательно подтолкнуть атомы Sr в Bi-2223 для предпочтительного формирования материалов с высоким Tc, предназначенных для компьютерных чипов . Если это так, то установка для их массового производства может быть очень простой, например, Изолятор Мотта Поверхность таблеток модифицирована BSCCO посредством MOVCD, а затем отожжена лазером в кислороде при очень специфическом наборе электростатических полей, температур и длин волн последовательно, с поляризацией, выровненной по границам зерен. Если использовать вариант 2223, то Tc может существенно увеличиться и, таким образом, сделать материал пригодным для квантовый датчик, КАЛЬМАР и другие приложения, которым требуются эти параметры. Эта идея была предложена в Твиттере, и в настоящее время готовится документ с дополнительной информацией для выпуска около 3 квартала 2018 г. и дальнейшего обсуждения на сайте 4HV.org. Первоначальная идея была вдохновлена ​​единственным светящимся атомом стронция, сидящим между электростатическими пластинами в вакууме, который, кстати, выиграл Аспирант, ответственный за награду.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Х. Маэда; Ю. Танака; М. Фукутуми и Т. Асано (1988). "Новый High-Tc Оксидный сверхпроводник без редкоземельного элемента ». Jpn. J. Appl. Phys. 27 (2): L209 – L210. Bibcode:1988ЯЯП..27Л.209М. Дои:10.1143 / JJAP.27.L209.
  2. ^ К. Л. Брайант; Э. Л. Холл; К. В. Лэй; И. Э. Ткачик (1994). «Микроструктурная эволюция BSCCO-2223 во время обработки порошком в трубке». J. Mater. Res. 9 (11): 2789–2808. Bibcode:1994JMatR ... 9.2789B. Дои:10.1557 / JMR.1994.2789.
  3. ^ Тимоти П. Билз; Джо Джатсон; Люк Ле Лей и Мишеле Мёльгг (1997). «Сравнение свойств обработки порошка в трубке двух (Bi2−ИксPbИкс) Sr2Ca2Cu3О10 + δпорошки ». J. Mater. Chem. 7 (4): 653–659. Дои:10.1039 / a606896k.
  4. ^ [http://at-mel-cf.web.cern.ch/at-mel-cf/html/HTS_materials.htm HTS-материалы для токоподводов LHC
  5. ^ М. А. Субраманян; и другие. (1988). «Новый высокотемпературный сверхпроводник: Bi2Sr3−ИксCaИксCu2О8+у". Наука. 239 (4843): 1015–1017. Bibcode:1988Научный ... 239.1015С. Дои:10.1126 / science.239.4843.1015. PMID 17815702.
  6. ^ Р. Дж. Кава; и другие. (1988). «Структура и физические свойства монокристаллов сверхпроводника 84-К Bi.2.2Sr2Ca0.8Cu2О8 + δ". Физический обзор B. 38 (1): 893–896. Bibcode:1988ПхРвБ..38..893С. Дои:10.1103 / PhysRevB.38.893. PMID 9945287.
  7. ^ Дж. Л. Таллон; и другие. (1988). "High-Tc сверхпроводящие фазы в серии Bi2.1(Ca, Sr)п+1CuпО2п+ 4 + δ". Природа. 333 (6169): 153–156. Bibcode:1988Натура.333..153Т. Дои:10.1038 / 333153a0.
  8. ^ М. Р. Пресланд; и другие. (1991). «Общие тенденции эффектов кислородной стехиометрии в сверхпроводниках Bi и Tl». Physica C. 176 (1–3): 95. Bibcode:1991PhyC..176 ... 95P. Дои:10.1016/0921-4534(91)90700-9.
  9. ^ Дж. Л. Таллон; и другие. (1995). «Типичное поведение сверхпроводящей фазы в высоких температурах.c Купраты: Tc изменение концентрации дырок в YBa2Cu3О7 − δ". Физический обзор B. 51 (18): (R) 12911–4. Bibcode:1995PhRvB..5112911T. Дои:10.1103 / PhysRevB.51.12911. PMID 9978087.
  10. ^ Головашкин А.И.; и другие. (1991). "Прямые измерения низких температур ЧАСc2 в ВТСП с использованием мегагауссных магнитных полей ». Physica C: сверхпроводимость. 185–189: 1859–1860. Bibcode:1991PhyC..185.1859G. Дои:10.1016/0921-4534(91)91055-9.
  11. ^ К. Тогано; и другие. (1988). «Свойства сверхпроводников Bi-Sr-Ca-Cu-O, легированных свинцом». Письма по прикладной физике. 53 (14): 1329–1331. Bibcode:1988АпФЛ..53.1329Т. Дои:10.1063/1.100452.
  12. ^ «Снято: свечение единственного парящего атома стронция».

внешняя ссылка