Высокотемпературный сверхпроводник YBCO: свойства и модификация поверхности.
Yttrium barium copper oxide
YBCO: высокотемпературный сверхпроводник, открытый выше точки кипения жидкого азота (77K). Состав, структура и применение YBa₂Cu₃O₇₋δ. Сверхпроводимость.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Оксид иттрия, бария и меди (YBCO) – это семейство кристаллических химических соединений, демонстрирующих высокотемпературную сверхпроводимость; оно включает в себя первый материал, когда-либо обнаруженный, который становится сверхпроводящим выше точки кипения жидкого азота [] – примерно при 77 К. Первые образцы имели состав Y1.2Ba0.8CuO4, однако это был средний состав для двух фаз: черной и зеленой. Сотрудники лабораторий Белла идентифицировали черную фазу как сверхпроводник, определили ее состав YBa2Cu3O7−δ и синтезировали ее в виде однофазного материала.
Yttrium barium copper oxide (YBCO) is a family of crystalline chemical compounds that display high temperature superconductivity; it includes the first material ever discovered to become superconducting above the boiling point of liquid nitrogen [] at about The first samples were Y1.2Ba0.8CuO4, but this was an average composition for two phases, a black and a green one. Workers at Bell Laboratories identified the black phase as the superconductor, determined its composition YBa2Cu3O7−δ and synthesized it in single phase
YBCO был первым материалом, ставшим сверхпроводящим при температуре выше 77 К, точки кипения жидкого азота, в то время как для большинства других сверхпроводников требуются более дорогие криогенные охладители. Тем не менее, YBCO и многие связанные с ним материалы пока не заменили сверхпроводники, требующие охлаждения жидким гелием.
YBCO was the first material found to become superconducting above 77 K, the boiling point of liquid nitrogen, whereas the majority of other superconductors require more expensive cryogens. Nonetheless, YBCO and its many related materials have yet to displace superconductors requiring liquid helium for cooling.
Структура
YBCO кристаллизуется в дефектной перовскитной структуре, состоящей из слоев. Граница каждого слоя определяется плоскостями квадратных плоских CuO4-единиц, совместно использующих 4 вершины. Эти плоскости могут быть слегка волнистыми. Это (проводность в медных плоскостях) ограничивает проводимость плоскостями a b, и наблюдается значительная анизотропия в транспортных свойствах. Вдоль оси c нормальная проводимость в 10 раз меньше, чем в плоскости a b. Для других купратов того же класса анизотропия еще больше, а межплоскостной транспорт сильно затруднен. Более того, сверхпроводящие характеристики проявляют аналогичную анизотропию как по глубине проникновения (λab ≈ 150 нм, λc ≈ 800 нм), так и по длине когерентности (ξab ≈ 2 нм, ξc ≈ 0,4 нм). Хотя длина когерентности в плоскости a b в 5 раз больше, чем вдоль оси c, она значительно меньше, чем у классических сверхпроводников, таких как ниобий (где ξ ≈ 40 нм). Эта небольшая длина когерентности означает, что сверхпроводящее состояние более чувствительно к локальным нарушениям, вызванным интерфейсами или дефектами порядка одной элементарной ячейки, например, границей между сдвоенными кристаллическими доменами. Эта чувствительность к малым дефектам затрудняет изготовление устройств на основе YBCO, а материал также подвержен деградации под воздействием влажности.
YBCO crystallizes in a defect perovskite structure consisting of layers. The boundary of each layer is defined by planes of square planar CuO4 units sharing 4 vertices. The planes can sometimes be slightly puckered. This (conduction in the copper planes) confines conductivity to the a b planes and a large anisotropy in transport properties is observed. Along the c axis, normal conductivity is 10 times smaller than in the a b plane. For other cuprates in the same general class, the anisotropy is even greater and inter plane transport is highly restricted. Furthermore, the superconducting length scales show similar anisotropy, in both penetration depth (λab ≈ 150 nm, λc ≈ 800 nm) and coherence length, (ξab ≈ 2 nm, ξc ≈ 0.4 nm). Although the coherence length in the a b plane is 5 times greater than that along the c axis it is quite small compared to classic superconductors such as niobium (where ξ ≈ 40 nm). This modest coherence length means that the superconducting state is more susceptible to local disruptions from interfaces or defects on the order of a single unit cell, such as the boundary between twinned crystal domains. This sensitivity to small defects complicates fabricating devices with YBCO, and the material is also sensitive to degradation from humidity.
Изменение поверхности
Изменение поверхности материалов часто приводит к новым и улучшенным свойствам. Разработаны методы ингибирования коррозии, улучшения адгезии и нуклеации полимеров, создания органических трехслойных структур сверхпроводник/изолятор/сверхпроводник с высокой критической температурой, а также изготовления металлических/изоляторных/сверхпроводниковых туннельных переходов с использованием YBCO, модифицированного поверхностью. Эти материалы, состоящие из молекулярных слоев, синтезируются с помощью циклической вольтметрии. На данный момент получены слои YBCO с алкиламинами, ариламинами и тиолами, демонстрирующие различную стабильность молекулярного слоя. Предполагается, что амины выступают в роли оснований Льюиса и связываются с кислотными участками меди на поверхности YBa2Cu3O7, образуя стабильные координационные связи.
Surface modification of materials has often led to new and improved properties. Corrosion inhibition, polymer adhesion and nucleation, preparation of organic superconductor/insulator/high Tc superconductor trilayer structures, and the fabrication of metal/insulator/superconductor tunnel junctions have been developed using surface modified YBCO. These molecular layered materials are synthesized using cyclic voltammetry. Thus far, YBCO layered with alkylamines, arylamines, and thiols have been produced with varying stability of the molecular layer. It has been proposed that amines act as Lewis bases and bind to Lewis acidic Cu surface sites in YBa2Cu3O7 to form stable coordination bonds.
Массовое производство
В 1987 году, вскоре после открытия, физик и научный писатель Пол Грант опубликовал в британском журнале New Scientist простое руководство по синтезу сверхпроводников YBCO, используя широко доступное оборудование. Отчасти благодаря этой статье и подобным публикациям того времени, YBCO стал популярным высокотемпературным сверхпроводником, используемым энтузиастами и в образовательных целях, поскольку эффект магнитной левитации можно легко продемонстрировать, используя жидкий азот в качестве хладагента. В 2021 году компания SuperOx, российско-японское предприятие, разработала новый процесс производства проводов YBCO для термоядерных реакторов. Было показано, что этот новый проводник способен проводить от 700 до 2000 ампер на квадратный миллиметр. Компания смогла произвести 300 километров проволоки за 9 месяцев, в период с 2019 по 2021 год, что значительно увеличило производственные мощности. Компания использовала процесс плазменного лазерного осаждения на электрополированной подложке для изготовления ленты шириной 12 мм, которую затем разрезали на ленты шириной 3 мм.
In 1987, shortly after it was discovered, physicist and science author Paul Grant published in the U. K. Journal New Scientist a straightforward guide for synthesizing YBCO superconductors using widely available equipment. Thanks in part to this article and similar publications at the time, YBCO has become a popular high temperature superconductor for use by hobbyists and in education, as the magnetic levitation effect can be easily demonstrated using liquid nitrogen as coolant. In 2021, SuperOx, a Russian and Japanese company, developed a new manufacturing process for making YBCO wire for fusion reactors. This new wire was shown to conduct between 700 and 2000 Amps per square millimeter. The company was able to produce 186 miles of wire in 9 months, between 2019 and 2021, dramatically improving the production capacity. The company used a plasma laser deposition process, on a electropolished substrate to make 12 mm width tape and then slit it into 3 mm tape.