12htsc (Презентации лекций)

Высокотемпературныесверхпроводники (ВТСП)-История открытияОсобенности кристаллохимииКритические параметры ВТСПМетоды получения объемных ВТСППути повышения критических характеристикОбласти применения ВТСП-материаловЛекция 12. ВТСПОткрытие ВТСПЕ.В.Антипов, С.Н.Путилин и др.:Hg-ВТСПTc ~ 4+130 K“химическая”J.G.Bednorz, K.A.MullerNobel Prize 1987эволюцияKamerling Onnes:Жидкий He, “плохой металл” HgTc ~ 4 KЛекция 12. ВТСПОсновные свойства1.Нет сопротивленияниже TcИдеальные диамагнетики(эффект Мейснера-Оксенфельда)2.Эффект Джозефсона (туннелирование черездиэлектрическую прослойку): сильная зависимостьтока через джозефсоновский контакт от внешнегомагнитного поляЛекция 12.

ВТСПМеханизм сверхпроводимостиБКШБозе-конденсация (ф.п.2 рода):возможность коллективногодвижения «безспиновых»носителей заряда («бидырки»,поляроны, «спиновый мешок»),находящихся в одном и том же(квантовом) состоянииЛекция 12. ВТСПКонцентрация носителейУвеличение концентрации дырок - перенос заряда в СП плоскости – достижениеоптимальной концентрации – максимальная ТсЛекция 12. ВТСПСмешанное состояниеПоле (между первым и вторым критическим) частично проникает в образец ввиде нитей Абрикосова. Центр вихря – нормальная фаза.

При перемещении(«плавлении») «вихревой решетки» возникает сопротивление (превышаетсязначение критического тока).Лекция 12. ВТСППиннингНесовершенства структуры (размер ~ длинекогерентности 0.2 нм, T, энергия пиннинга):-несверхпроводящие включения,-нанофлуктуации состава,-треки (нейтроны и пр.),-легирование Zn,-двойники, дислокации, микротрещины,малоугловые границы...Лекция 12. ВТСПФизическая фазовая диаграммаТеоретический максимумРЗЭ-бариевые купраты имеют высокие СПхарактеристики, обеспечивающие реальныеперспективы их практического применения.Лекция 12. ВТСПАнизотропияJca’aαCРазориентация кристаллитов даже в плоскости СП плоскостей приводит кпадению межкристаллитного тока на порядки величины.Лекция 12.

ВТСПТипы границМодельWeak links(слабые связи)Tilt/twist boundary(поворотные и«перекрученные»границы)"Brick-wall"(модель“кирпичнойстены”)"Railway switch"(модель"железнодорожных стрелок")Модель площади"сильносвязанных"участков,HABLE - highangle-but-lowenergy boundaryОписаниеПадение критического тока награницах разориентированныхзерен керамики, или при наличиитонких диэлектрических прослоек,сквозь которые возможно«туннелирование» криттокаКлассификация высокоугловыхграниц на параллельные оси с (tiltboundary) и перпендикулярные осис (twist boundary)Для формирования высокоготранспортного тока важноезначение имеют поворотныеграницы, образующиемаксимальную поверхностьконтакта между кристаллитамиПротекание тока черезмежкристаллитные границы поплоскостям, вместе с током,проходящим через поворотныеграницы, связи формируюттрехмерную сеткуВеличина криттока зависит отплощади "сильно связанных"участков межкристаллитнойграницы, вероятность "сильнойсвязи" между двумя взаимноориентированными кристаллитамизначительно выше, чем в случае ихвзаимной разориентацииПреимущества и недостаткиОписывается физической моделью«сверхпроводящего стекла», применима теорияполевой зависимости падения криттока вовнешнем магнитном поле для джосефсоновскихконтактов, хорошо применима длямелкокристаллических спеченных керамикОснованна на значительнойкристаллографической анизотропии 123 фазы ианизотропии ее физических свойствСтруктурный критерий - соразмерность длиныкогерентности с расстоянием междусверхпроводящими плоскостями, поэтомумодель объясняет различия в значении криттоковдля аксиальнотекстурированных ВТСП(особенно основе висмутовых материалов),однако не учитывает прохождение тока черезвысокоугловые границы вдоль плоскости abНаиболее применима для висмут-содержащихсильнотекстурированных материаловВозможен рассчет суммарного протекающегокриттока, основанный на учете вкладаразличных ансамблей кристаллитов с различнойориентацией зерен и энергии межкристаллитныхграниц, который коррелирует сэкспериментальной визуализациейраспределения криттока в различных ВТСП спомощью магнитооптических измеренийЛекция 12.

ВТСПМатериалыИдеальная ВТСП-керамика: центры пиннинга в матрице + крупные зерна +чистые границы + взаимная ориентация зерен (двуосная)Лекция 12. ВТСПМетоды исследованияМногокомпонентность, многообразие фазовых превращений и пр. обуславливаютнеобходимость использования комбинированных методов исследования структуры исвойств ВТСП.Лекция 12. ВТСПОсновные семейства ВТСПСП – плоскости+«резервуар заряда»-структуры срастания-гомологиЛекция 12. ВТСПГомологиHgBa2CanCun+1Oz-оптимальная концентрация заряда всверхпроводящих плоскостях,-оптимальное количествосверхпроводящих плоскостей.Многие ВТСП фазы имеют гомологи(«вставка» СП-плоскостей):-Y123, 247, 124,-Bi2201, 2212, 2223,-…Лекция 12.

ВТСП«123» (РЗЭ-бариевые купраты)Кислород-дефицитная «трехблочная» структура перовскитаЛекция 12. ВТСПФазовые диаграммы(многокомпонентные системы)TlBiHgЛекция 12. ВТСПВлияние рО2 (Y-Ba-Cu-O)Лекция 12. ВТСПВлияние РЗЭ (R-Ba-Cu-O)-”Точечная фаза” R123 (R:Ba:Cu = 1:2:3, R = Y, Dy, Ho, Er, Yb, Lu)-Образование твердых растворов замещения R1+xBa2-xCu3Oz (R=La, (Pr), Nd,Sm, Eu, Gd),-Изменение типа фаз в трехфазных равновесиях (PrBaO3 вместо Y2BaCuO5),-Отсутствие фазы R123 для R(IV) (Ce, …)Лекция 12. ВТСПТермическая стабильностьСтабилизация структуры:RO8 (R=Nd, Sm, Eu, …), BaO10Дестабилизация: YO8Лекция 12. ВТСПНадсолидусная область-сложность построения диаграмм-ошибки в определении поверхности ликвидуса-неравновесные состояния-...

повышение эффективности разработки новых методов получениямонокристаллов, толстых пленок и керамикиЛекция 12. ВТСПОбразование твердого раствораДвухфазная область Nd123ss+L:при заданных рО2 и температуре состав расплаваопределяет состав (и, следовательно, свойства)твердой фазыЛекция 12. ВТСПКонтроль состава тв.фазыСостав кристаллизующейся фазыопределяется изменением положения конноди коэффициентов взаимной диффузиикомпонентов с температуройЛекция 12. ВТСПРост кристалловОсновные методы выращивания кристаллов ВТСП:спонтанная кристаллизация, вытягивание затравки израствора в расплаве, зонная плавкаЛекция 12.

ВТСПКрупные кристаллыРаспределение температури концентраций (рост поЧохральскому)Лекция 12. ВТСПКислородная нестехиометрия (Y123)-определенная концентрация «дырок» (Cu(I)-Cu(II)/Cu(III)), проводимость + ВТСП-фазовый переход 2 рода (тетрагональная – ромбическая модификация), изменениетеплоемкости, коэффициентов диффузии и пр.Лекция 12. ВТСПКислородная нестехиометрия(твердый раствор)Взаимосвязь катионного ианионного упорядоченияЛекция 12. ВТСППеритектический распадHTSC = S1 + S2 + L + O2C=К-Ф+2-αK = 4,…, Ф = 4,…, рО2 = constДля определенного катионного состава (Y123– точечная фаза, x=const для Nd1+xBa2-xCu3Oz)температура перитектического распада будетпостоянной (характеристической) величиной.Лекция 12. ВТСПТвердофазный распадУпорядоченная фаза – старениепри пониженных температурахРазупорядоченная фаза – упорядочениепри повышенных температурахЛекция 12.

ВТСПМеханизмы т/ф распадаЛекция 12. ВТСПРасплавные методы полученияВТСП = S + L + O2 – Q: изменение T, pO2, состава L и дисперсности SЛекция 12. ВТСПЭффекты «предыстории»«Вспенивание» ВТСП при плавлении Cu(II)тв.ф. → Cu(I)ж.ф.Оптимальная микроструктурапри оптимальных рО2 и скоростиохлажденияРазмеры частиц вторичных фаз –важный фактор эволюции«расплавных технологий»получения ВТСП-материаловЛекция 12. ВТСПМетоды текстурирования-поля (концентрационные, температурные, магнитные)-затравки (одиночные или ориентированные)Лекция 12.

ВТСП-эффекты подложкиПрогрессЛекция 12. ВТСППленкиR123КерамикаR123ЛентыBi2223,R123/NiЛекция 12. ВТСПКонтрольные вопросы (30 б.)1.Какие СП фазы имеют критические температуры выше температур кипения (1) жидкогогелия, (2) жидкого водорода, (3) жидкого азота? Какой из хладогенов более дешев,безопасен и имеет более высокую теплоемкость?2.

Каковы основные признаки перехода в сверхпроводящее состояние?3. Какие существуют «электронные» ВТСП? Почему носители заряда в сверхпроводящемсостоянии не могут быть фермионами? Что является носителями заряда в YBa2Cu3O7выше и ниже критической температуры?4.

Способствует ли максимально возможное окисление фазы YBa2Cu3O6.5 достижениюмаксимальной температуры перехода в СП состояние и почему?5. Что такое СП 1 и 2 рода? Нарисуйте схему строения вихря Абрикосова, обозначив (1)нормальную фазу, (2) лондоновскую глубину проникновения, (3) длину когерентности,(4) квант магнитного потока.6. Как несверхпроводящие фазы с размером, значительно превышающим длинукогерентности, могут способствовать пиннингу магнитного потока? Какие известныприемы увеличения внутризереннего критического тока (включая пиннинг)?7.

С чем связана анизотропия физических (сверхпроводящих) свойств ВТСП? Почемудвуосное текстурирование улучшает критический ток и какие это должны быть оси(почему?)?8. Объясните формулу (микроструктурные особенности) «идеальной ВТСП-керамики», связавэто с фундаментальными свойствами ВТСП.9. Какие общие структурные мотивы характерны для ВТСП фаз? Что такое структурысрастания и гомологи?10. Почему твердые растворы R1+xBa2-xCu3Oz существуют только для РЗЭ подгруппы церия?Почему температуры плавления RBa2Cu3Oz возрастают с ростом радиуса РЗЭ?Лекция 12. ВТСПКонтрольные вопросы (продолжение)11.Рассмотрите системы/поля YBa2Cu3Oz+O2, YBa2Cu3Oz = Y2BaCuO5 + L + O2,R1+xBa2-xCu3Oz+O2, R1+xBa2-xCu3Oz+L, R1+xBa2-xCu3Oz + CuO = R2CuO4+L+O2 .Каково число компонентов в этих системах (и какие они)? Сколькими степенямисвободы обладают эти системы при рО2=const (и какие они)? Почему обычносчитается, что температура перитектического распада «фиксирована» и ейотвечает на кривой ДТА резкий пик?12.

Опишите кратко основные методы получения монокристаллов, керамики и пленокВТСП (не больше 1 стр.).13. Почему при твердофазном распаде NdBa2Cu3Oz образуется состояние снанофлуктуациями состава, а не термодинамически равновесная смесьNd1.05Ba1.95Cu3Oz и BaCuO2?14. Почему происходит увеличение пористости при плавлении ВТСП-материалов?Предложите способы, как можно избежать этого явления.15.

Какие существуют основные методы текстурирования ВТСП-материалов? Почему«затравки» обеспечивают образование монокристаллических областей вокругсебя? Почему градиент магнитного поля приводит к текстуре? Почему кнаправленному росту кристаллитов приводит градиент температуры?16. Приведите примеры (возможного) практического использования ВТСП. Какое изВТСП устройств в медицине использует эффект Джозефсона для измерениябиополей? Какие материалы используются для создания силовых кабелей ипостоянных магнитов?Лекция 12.