Жоғары температуралы күшті өткізгіштер отбасысы (Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x)
Bismuth strontium calcium copper oxide
Жоғары температуралы BSCCO супепроводниктері: құрамы, қасиеттері, ашылу тарихы. Би2Sr2Can−1CunO2n+4+x формуласы, YBCO-мен салыстыру, ғылыми зерттеулер.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жоғары температуралы суперөткізгіштер отбасы
Family of high temperature superconductors
Бисмут стронций кальций мыс оксиді (BSCCO, «биско» деп айтылады) – жалпы формуласы Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x болатын купрат суперөткізгіштің бір түрі, мұнда n = 2 ең көп зерттелген қосылыс (бірақ n = 1 және n = 3 де маңызды назар аударды). 1988 жылы жалпы класс ретінде ашылған BSCCO, сирек элементсіз алғашқы жоғары температуралы суперөткізгіш болды. Бұл купрат суперөткізгіш, жоғары температуралы суперөткізгіштердің маңызды санаты, екі өлшемді қабатты (перовскит) құрылыммен (оң жақтағы суретті қараңыз) ортақ және суперөткізгіштік мыс-оксид жазықтығында жүзеге асады. BSCCO және YBCO ең көп зерттелген купрат суперөткізгіштері. BSCCO-ның нақты түрлері әдетте металл иондарының сандары тізбегі арқылы белгіленеді. Осылайша, Bi 2201 – n = 1 қосылысы (Bi2Sr2CuO6+x), Bi 2212 – n = 2 қосылысы (Bi2Sr2CaCu2O8+x), ал Bi 2223 – n = 3 қосылысы (Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x). BSCCO отбасы, TBCCO деп аталатын таллий отбасымен және жалпы формуласы Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x, сондай-ақ формуласы HgBa2Can−1CunO2n+2+x болатын сынап отбасы HBCCO-ға ұқсас. Бұл суперөткізгіш отбасыларының көптеген басқа түрлері де бар. Жалпы алғанда, олардың суперөткізгіштікке көшетін критикалық температурасы алғашқы бірнеше мүшелер үшін артады, содан кейін төмендейді. Мысалы, Bi 2201 үшін Tc ≈ 33 K, Bi 2212 үшін Tc ≈ 96 K, Bi 2223 үшін Tc ≈ 108 K, ал Bi 2234 үшін Tc ≈ 104 K. Бұл соңғы мүшені синтездеу өте қиын.
Bismuth strontium calcium copper oxide (BSCCO, pronounced bisko), is a type of cuprate superconductor having the generalized chemical formula Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x, with n = 2 being the most commonly studied compound (though n = 1 and n = 3 have also received significant attention). Discovered as a general class in 1988, BSCCO was the first high temperature superconductor which did not contain a rare earth element. It is a cuprate superconductor, an important category of high temperature superconductors sharing a two dimensional layered (perovskite) structure (see figure at right) with superconductivity taking place in a copper oxide plane. BSCCO and YBCO are the most studied cuprate superconductors. Specific types of BSCCO are usually referred to using the sequence of the numbers of the metallic ions. Thus Bi 2201 is the n = 1 compound (Bi2Sr2CuO6+x), Bi 2212 is the n = 2 compound (Bi2Sr2CaCu2O8+x), and Bi 2223 is the n = 3 compound (Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x). The BSCCO family is analogous to a thallium family of high temperature superconductors referred to as TBCCO and having the general formula Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x, and a mercury family HBCCO of formula HgBa2Can−1CunO2n+2+x. There are a number of other variants of these superconducting families. In general, their critical temperature at which they become superconducting rises for the first few members and then falls. Thus Bi 2201 has Tc ≈ 33 K, Bi 2212 has Tc ≈ 96 K, Bi 2223 has Tc ≈ 108 K, and Bi 2234 has Tc ≈ 104 K. This last member is very difficult to synthesize.
Сымдар мен таспалар
BSCCO практикалық суперөткізгіш сымдар жасау үшін қолданылған алғашқы HTS материалы болды. Барлық HTS-тің когеренттік ұзындығы 1,6 нм шамасында өте қысқа. Бұл поликристалл сымдағы түйіршіктердің өте жақсы жанасуда болуын білдіреді – олар атомдық деңгейде тегіс болуы керек. Сонымен қатар, суперөткізгіштік негізінен мыс-оттек жазықтықтарында орналасқандықтан, түйіршіктер кристаллографиялық тұрғыдан дұрыс бағытталған болуы тиіс. BSCCO осы себепті жақсы кандидат, өйткені оның түйіршіктерін балқыту процесі немесе механикалық деформация арқылы бағыттауға болады. Қос висмут оксидінің қабаты ван дер Ваальс күштерімен ғана әлсіз байланысқан. Сондықтан, графит немесе мика сияқты, деформация осы BiO жазықтықтарында сырғанауға алып келеді, нәтижесінде түйіршіктер бағытталған пластиналарға айналады. Бұдан әрі, BSCCO-да n = 1, 2 және 3 мүшелері болғандықтан, олар табиғи түрде төмен бұрышты дән шекараларын қабылдауға бейім, осылайша атомдық тегіс күйін сақтайды. Осылайша, бірінші буын HTS сымдары (1G деп аталатын) АҚШ-тағы American Superconductor Corporation (AMSC) және Жапониядағы Sumitomo сияқты компаниялармен көп жылдар бойы өндірілді, бірақ AMSC қазір YBCO негізіндегі 2G сымдарына көшті. Әдетте, прекурсор ұнтақтары күміс түтікшеге салынып, содан кейін диаметрі кішірейтіледі. Олар күміс түтікшеге бірнеше түтікше ретінде қайта салынып, диаметрі тағы да кішірейтіледі, содан кейін өлшемі одан әрі азайтылып, жазық лентаға оралады. Соңғы қадам түйіршіктердің бағытталуын қамтамасыз етеді. Содан кейін ленталар жоғары температурада реакцияға түсіріліп, трансформаторлар, магниттер, қозғалтқыштар және генераторлар үшін кабельдерді немесе орамдарды орауға жарамды, тығыз, кристаллографиялық бағытталған Bi 2223 көпжілді өткізгіш лентасын құрайды. 4 мм ені және 0,2 мм қалыңдығы бар стандартты ленталар 77 К температурада 200 А ток күшін қабылдай алады, бұл Bi 2223 жіпшелерінде 5 кА/мм2 критикалық ток тығыздығын қамтамасыз етеді. Температура төмендеген сайын бұл көрсеткіш айтарлықтай артады, сондықтан көптеген қолданыстар 30–35 К температурада жүзеге асырылады, тіпті Tc 108 К құрайтын болса да.
BSCCO was the first HTS material to be used for making practical superconducting wires. All HTS have an extremely short coherence length, of the order of 1.6 nm. This means that the grains in a polycrystalline wire must be in extremely good contact – they must be atomically smooth. Further, because the superconductivity resides substantially only in the copper oxygen planes, the grains must be crystallographically aligned. BSCCO is therefore a good candidate because its grains can be aligned either by melt processing or by mechanical deformation. The double bismuth oxide layer is only weakly bonded by van der Waals forces. So like graphite or mica, deformation causes slip on these BiO planes, and grains tend to deform into aligned plates. Further, because BSCCO has n = 1, 2 and 3 members, these naturally tend to accommodate low angle grain boundaries, so that indeed they remain atomically smooth. Thus, first generation HTS wires (referred to as 1G) have been manufactured for many years now by companies such as American Superconductor Corporation (AMSC) in the USA and Sumitomo in Japan, though AMSC has now abandoned BSCCO wire in favour of 2G wire based on YBCO. Typically, precursor powders are packed into a silver tube, which is then extruded down in diameter. These are then repacked as multiple tubes in a silver tube and again extruded down in diameter, then drawn down further in size and rolled into a flat tape. The last step ensures grain alignment. The tapes are then reacted at high temperature to form dense, crystallographically aligned Bi 2223 multifilamentary conducting tape suitable for winding cables or coils for transformers, magnets, motors and generators. Typical tapes of 4 mm width and 0.2 mm thickness support a current of 200 A at 77 K, giving a critical current density in the Bi 2223 filaments of 5 kA/mm2. This rises markedly with decreasing temperature so that many applications are implemented at 30–35 K, even though Tc is 108 K.
Ашылу
BSCCO жаңа суперөткізгіш класы ретінде 1988 жыл шамасында Хироси Маэда және оның әріптестері, сондай-ақ Dupont және Cava et al. AT&T Bell Labs-те Bi 2212 деп анықталды. n = 3 мүшесін табу қиын болды және ол бір айдай кейін Жаңа Зеландиядағы мемлекеттік зерттеу зертханасында Таллон және басқалар анықтады. Содан бері бұл материалдарға елеулі жақсартулар енгізілген жоқ. Бастапқы маңызды жетістіктердің бірі – Bi құрамының шамамен 15%-ын Pb-мен алмастыру болды, бұл Bi 2223 құралуы мен сапасын күрт жақсартты.
BSCCO as a new class of superconductor was discovered around 1988 by Hiroshi Maeda and colleagues et al. at Dupont and Cava et al. at AT&T Bell Labs, identified Bi 2212. The n = 3 member proved quite elusive and was not identified until a month or so later by Tallon et al. in a government research lab in New Zealand. There have been only minor improvements to these materials since. A key early development was to replace about 15% of the Bi by Pb, which greatly accelerated the formation and quality of Bi 2223.
Қасиеттері
BSCCO-ны суперөткізгіш болу үшін оттегі атомдарының (формуладағы x) артық болуымен тесіктеу қажет. Барлық жоғары температуралы суперөткізгіштерде (ЖТЖ) сияқты, Tc дәл допинг деңгейіне сезімтал: Bi 2212 үшін ең жоғары Tc (көптеген ЖТЖ-да сияқты) мыс атомы үшін шамамен 0,16 тесіктің артықшылығымен қол жеткізіледі. Бұл оптималды допинг деп аталады. Допингі төменгі мөлшері (сонымен қатар төменгі Tc) бар үлгілер, әдетте, жеткіліксіз допингтелген деп аталады, ал допингі артық мөлшері (сонымен қатар төменгі Tc) бар үлгілер - артық допингтелген деп аталады. Оттегінің мөлшерін өзгерту арқылы Tc қалауынша өзгертілуі мүмкін. Көптеген өлшемдер бойынша, артық допингтелген ЖТЖ күшті суперөткізгіштер болып табылады, тіпті олардың Tc оптималдыдан төмен болса да, ал жеткіліксіз допингтелген ЖТЖ өте әлсіз болады. Сыртқы қысымды қолдану әдетте жеткіліксіз допингтелген үлгілерде Tc-ті қоршаған орта қысымындағы ең жоғары мәннен асып түсетін деңгейге дейін көтереді. Бұл толыққанды түсіндірілмеген, бірақ қосымша әсері – қысым допингті арттырады. Bi 2223 күрделі, себебі оның үш түрлі мыс-оттегі жазықтығы бар. Сыртқы екі мыс-оттегі қабаты әдетте оптималды допингке жақын, ал қалған ішкі қабаты айқын жеткіліксіз допингтелген. Осылайша, Bi 2223-ке қысым қолдану екі сыртқы жазықтықты оңтайландыру нәтижесінде Tc-тің шамамен 123 K-қа дейін өсуіне әкеледі. Ұзақ төмендеуден кейін, Tc ішкі жазықтықты оңтайландыруға байланысты қайтадан 140 K-қа дейін көтеріледі. Сондықтан, басты міндет – барлық мыс-оттегі қабаттарын бір мезгілде қалай оңтайландыруды анықтау. BSCCO – II типті суперөткізгіш. 4,2 K температурада Bi 2212 поликристалды үлгілеріндегі Hc2 жоғарғы сыни өрісі 200 ± 25 T деп өлшенді (YBCO поликристалды үлгілері үшін 168 ± 26 T). Іс жүзінде ЖТЖ H* қайтарымсыздық өрісімен шектеледі, одан жоғары магниттік вортикстер балқиды немесе ажыратылады. BSCCO YBCO-ға қарағанда жоғары жоғарғы сыни өріске ие болғанымен, оның H*-і әлдеқайда төмен (әдетте 100 есеге кіші), сондықтан оны жоғары өрістік магниттер жасау үшін пайдалану шектеледі. Осы себепті YBCO өткізгіштері BSCCO-ға қарағанда артық таңдалады, бірақ оларды жасау әлдеқайда қиын.
BSCCO needs to be hole doped by an excess of oxygen atoms (x in the formula) in order to superconduct. As in all high temperature superconductors (HTS) Tc is sensitive to the exact doping level: the maximal Tc for Bi 2212 (as for most HTS) is achieved with an excess of about 0.16 holes per Cu atom. This is referred to as optimal doping. Samples with lower doping (and hence lower Tc) are generally referred to as underdoped, while those with excess doping (also lower Tc) are overdoped. By changing the oxygen content, Tc can thus be altered at will. By many measures, overdoped HTS are strong superconductors, even if their Tc is less than optimal, but underdoped HTS become extremely weak. The application of external pressure generally raises Tc in underdoped samples to values that well exceed the maximum at ambient pressure. This is not fully understood, though a secondary effect is that pressure increases the doping. Bi 2223 is complicated in that it has three distinct copper oxygen planes. The two outer copper oxygen layers are typically close to optimal doping, while the remaining inner layer is markedly underdoped. Thus the application of pressure in Bi 2223 results in Tc rising to a maximum of about 123 K due to optimization of the two outer planes. Following an extended decline, Tc then rises again towards 140 K due to optimization of the inner plane. A key challenge therefore is to determine how to optimize all copper oxygen layers simultaneously. BSCCO is a Type II superconductor. The upper critical field Hc2 in Bi 2212 polycrystalline samples at 4.2 K has been measured as 200 ± 25 T (cf 168 ± 26 T for YBCO polycrystalline samples). In practice, HTS are limited by the irreversibility field H*, above which magnetic vortices melt or decouple. Even though BSCCO has a higher upper critical field than YBCO it has a much lower H* (typically smaller by a factor of 100) thus limiting its use for making high field magnets. It is for this reason that conductors of YBCO are preferred to BSCCO, though they are much more difficult to fabricate.