авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Эволюция кристаллической структуры высокотемпературных сверхпроводников в интервале температур 80 – 300 к

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Пряничников Степан Викторович

ЭВОЛЮЦИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ В ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР 80 300 К

Специальность

02.00.04 – физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

химических наук

Екатеринбург 2011

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте металлургии Уральского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Титова Светлана Геннадьевна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Черепанов Владимир Александрович

Кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Васильев Виктор Георгиевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН)

Защита состоится 14 октября 2011 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Учреждении Российской академии наук Институте металлургии Уральского отделения РАН по адресу 620016, Екатеринбург, Амундсена, 101

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждении Российской академии наук Институте металлургии Уральского отделения РАН.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

Диссертационного совета

д.т.н. А.Н.Дмитриев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) является одним из величайших в ХХ веке, поскольку применение сверхпроводников при температуре кипения жидкого азота открывает новые перспективы для энергетики, техники, электроники. В настоящее время уже разработаны и применяются линии электропередачи, моторы, генераторы, токовводы и другие устройства, в которых носителями тока являются ВТСП-материалы. Прогнозы показывают, что рынок продукции, использующей высокотемпературную сверхпроводимость, будет расти экспоненциально. Основная масса ВТСП-проводников изготавливается по двум технологиям – так называемые провода I и II поколений. Изделия I поколения выполняются по схеме «порошок в серебряной трубе», где в качестве носителя тока используется ВТСП-система Bi2Sr2Can-1CunOy. II поколение - «плёнка на ленте», носителем тока является система YBa2Cu3Oy, а в качестве подложки используется нержавеющая сталь, сплавы никеля, соединения YSZ со сложными буферными слоями. При этом в обоих случаях важно, чтобы при введении в рабочий режим (охлаждении от комнатной температуры до температуры кипения жидкого азота и ниже) сверхпроводящий материал имел коэффициент теплового расширения (КТР) равный или близкий КТР подложки.

Известно, что высокотемпературные сверхпроводники демонстрируют аномальное поведение в интервале температур 150 – 250 К. Это выражается в том, что температурные зависимости параметров элементарной решётки и/или КТР являются немонотонными, а величины КТР – отрицательны. Величина эффекта зависит от химического состава вещества. При этом в литературе нет систематических исследований температурных зависимостей структуры и/или КТР высокотемпературных сверхпроводников с различным содержанием сверхстехиометрического кислорода и/или неизовалентно замещённых катионов. Поэтому важной задачей является проведение таких исследований.



В работе исследованы три ВТСП-системы: Bi2Sr2Can-1CunOy (Hg,Tl)Ba2Ca2Cu3Oy, и (Y,Ca)Ba2Cu3Oy. Системы на основе висмута (n=2) и иттрия являются наиболее часто применяемыми для создания технических устройств. Системы на основе ртути имеют наибольшие температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Интерес к материалам на основе ртути вызван также тем, что приложение внешнего давления способно намного повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние в них (до 165 К). Соединение Bi2Sr2CuOy практически не применяется на практике, но представляет интерес как модельная система со сравнительно простой кристаллической структурой.

Целью работы является изучение температурной эволюции кристаллической структуры ВТСП-соединений Bi2Sr2Can-1CunOy (n=1,2), (Y,Ca)Ba2Cu3Oy и (Hg,Tl)Ba2Ca2Cu3Oy в зависимости от факторов, определяющих температуру перехода в сверхпроводящее состояние (концентрация сверхстехиометрического кислорода, неизовалентной примеси и приложенное внешнее давление).

.

Для достижения цели решались следующие конкретные задачи:

  • Синтез и аттестация образцов системы BSCCO: Bi2Sr2CuO6+, Bi2Sr2CaCu2O8+ с различным содержанием кислорода;
  • Синтез и аттестация образцов системы YBCO: Y1-xCaxBa2Cu3O6+ с различными содержанием кислорода и степенью неизовалентного замещения (Y,Ca);
  • Исследования кристаллической структуры полученных ВТСП-соединений в интервале температур 80-300 К;
  • Исследования структуры Hg0.8Tl0;2Ba2Ca2Cu3O8,33 при варьировании внешнего давления в диапазоне 0-20 ГПа в интервале температур 100-300К.

Научная новизна заключается в следующем:

  • Впервые для монокристаллов Bi2Sr2CaCu2O8+ показано, что существует температурный интервал (110 250 К), в котором коэффициент теплового расширения отрицателен при охлаждении. Эффект имеет объёмный характер, наблюдается при охлаждении материала и не воспроизводится при нагреве; определён диапазон содержания кислорода = (0,1 0,15), в котором проявляется эффект отрицательного КТР.
  • Для материала Y0,9Ca0,1Ba2Cu3O6,6 впервые обнаружен максимум на температурной зависимости параметра а при охлаждении при температуре ~160 K.
  • Повышение внешнего давления выше 1 ГПа вызывает в составах Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8,33 изменение знака величины с(zO-zCu), характеризующей искажение сверхпроводящих CuO2-плоскостей (с – параметр элементарной ячейки, z – координата вдоль направления с).

На защиту выносятся:

    1. Температурные зависимости параметров элементарной ячейки в диапазоне температур 80 – 300 К высокотемпературных сверхпроводников Bi2Sr2CuO6+, Bi2Sr2CaCu2O8+ (1), Y1-xCaxBa2Cu3O6+ (2), Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8+ (3) при различном содержании кислорода (1,2), концентрации кальция, замещающего иттрий (2), приложенном внешнем давлении (3).
    2. Рассчитанные по температурным зависимостям параметров ячейки коэффициенты теплового расширения от содержания кислорода, неизовалентного замещения, внешнего давления.

Практическая значимость работы: данные о температурных зависимостях линейных коэффициентов теплового расширения ВТСП-соединений востребованы при проектировании сверхпроводящих изделий на их основе.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях и совещаниях: 6 Молодежный семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (г. Екатеринбург, 2005 г.); IX и X Междисциплинарный международный симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» ODPO (г. Сочи, 2006, 2007 гг.); XVI Международное совещание по кристаллохимии и рентгенографии минералов (Миасс, 2007); 6-я летняя Школа Института Пауля Шеррера (PSI Summer School) (г. Зуос, Швейцария, 2007); VI Национальная конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ-2007, Москва); 25-я Международная конференция по физике низких температур LT25 (г. Амстердам, Нидерланды, 2008); III Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» (г. Звенигород, 2008); Совещание «Химия твердого тела и функциональные материалы» (г. Екатеринбург, 2008); VII национальная конференция «Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии» РСНЭ–НБИК (г. Москва, 2009); Международная конференция «Сверхпроводимость, исследуемая в экспериментах по рассеянию нейтронов» SENSE (г. Гренобль, Франция, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых российских и международных журналах, 12 тезисов докладов и статей в научных сборниках.

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии. Автором проведён синтез образцов, выполнены все дифракционные эксперименты, измерения EXAFS и XANES, их обработка и интерпретация.

Образец Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8,33 предоставлен проф. Ингрид Бринтце, лаборатория Аррениуса, Университет Стокгольма.

Монокристалл Bi2Sr2CaCu2O8.14 предоставлен к.х.н. Г.А. Калюжной, ФИАН, Москва. Эксперимент по дифракции на монокристалле выполнен в ИОС УрО РАН к.х.н. Слепухиным П.А. при непосредственном участии автора.

Эксперимент по дифракции с применением камеры высокого давления был выполнен в Японии, синхротрон Spring-8 Титовой С.Г. и Ohishi Y.

Эксперименты по EXAFS-спектроскопии и дифракции нейтронов выполнены в РНЦ «Курчатовский институт» Зубавичусом Я.В., Вылегжанином А.А (EXAFS, XANES) и Яковенко Е.А., Агафоновым С.С. (нейтронография) при непосредственном участии автора.

Работа выполнена в лаборатории статики и кинетики процессов Учреждения Российской академии наук Институте металлургии УрО РАН с использованием оборудования ЦКП “Урал-М» в рамках Программы Президиума РАН «Физико-химические свойства систем на основе оксидов 3d- и 4f-металлов с кристаллической структурой перовскита, шпинели и граната в равновесных, метастабильных и наноразмерных состояниях» (шифр 5.1), междисциплинарного проекта УрО РАН “Структура, свойства и стабильность функциональных сверхпроводящих материалов» № 09-М-23-2009, Государственного контракта Минобрнауки РФ № 16.552.11.7017.

Объём и структура диссертации: Диссертация изложена на 117 страницах текста, иллюстрирована 4 таблицами и 77 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 78 ссылок. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и задачи, показаны научная новизна и практическая значимость исследований.

В первой главе содержится обзор литературных данных об основных свойствах и применении ВСТП-купратов; подробно рассмотрены кристаллическая структура, её зависимость от кислородной нестехиометрии, неизовалентных замещений и внешнего давления. Для систем на основе висмута сообщается о немонотонной зависимости параметров элементарной ячейки от концентрации носителей заряда.

Температура перехода в сверхпроводящее (Tc) состояние зависит от концентрации носителей заряда в сверхпроводящх плоскостях, которую можно контролировать различными способами: внедрением сверхстехиометрического кислорода, неизовалентными замещениями, внешним давлением. При этом наибольшая Тс достигается при определённом значении концентрации носителей заряда – такие образцы называются оптимально допированными. Составы, в которых содержание кислорода (концентрация неизовалентной примеси, приложенное давление) меньше оптимального, называют недодопированными, больше – передопированными.

Для систем на основе ртути при приложении внешнего давления Тс этих соединений, в отличие от других ВТСП-систем, повышается даже для передопированных составов вплоть до Р ~15 ГПа, что может быть связано с тремя факторами: а) перенос заряда из плоскостей HgO в сверхпроводящие плоскости CuO2, б) так называемый «внутренний фактор», связанный с уменьшением «гофрированности» CuO2 плоскостей, в) так называемый «геометрический» фактор, заключающийся в уменьшении расстояния dn между «сверхпроводящими» CuO2-слоями.

На температурных зависимостях параметров элементарной ячейки всех рассматриваемых ВТСП-систем в интервале температур T1 (170 K) – T2 (220 K) присутствуют структурные аномалии, выражающиеся в виде локальных минимумов (с наличием областей с отрицательным коэффициентом теплового расширения – далее КТР) или изломов при охлаждении; проявление аномального поведения зависит от химического состава образца. Так, в Bi-2212 эффект проявлялся только при 0.1 и не наблюдался для состава с = 0,19.

Во второй главе описаны используемые в работе методики синтеза образцов и способы варьирования концентрации носителей заряда в них; методы структурных исследований (рентгеновская порошковая и монокристальная дифрактометрия, нейтронография), уточнение кристаллической структуры методом Ритвельда, приведены исходные модели; рентгеновская спектроскопия края поглощения (EXAFS и XANES); измерения температурной зависимости магнитной восприимчивости, определения Тс. Список исследуемых образцов и условия их получения приведены в Таблице 1.





Синтез проводили по стандартной твердофазной технологии. Содержание кислорода в образцах определялось по литературным данным о зависимости кислородной нестехиометрии от температуры синтеза и состава атмосферы для систем Bi-2201 [1] и Bi-2212 [2]; для систем Y-123 и Hg,Tl-1223 содержание кислорода определялось на основе зависимости параметров элементарной ячейки от содержания кислорода [3,4]. Изменение содержания кислорода выполнялось с помощью отжига в контролируемой по кислороду атмосфере в вакуумной циркуляционной установке.

Табл. 1. Характеристики исследуемых образцов

Условия получения Содержание кислорода Тс, К
lg P(O2)/атм. Т, °С
Bi2Sr2CuO6+ (Bi-2201)
1 -1,7 700 6,147 8.0
2 -1,3 700 6,150 18.2
3 -1,0 700 6,153 15.0
4 -0,7 (воздух) 700 6,155 11.0
5 0 (кислород) 700 6,157 10.0
6 -3,0 700 6,125 -
Bi2Sr2CaCu2O8+ (Bi-2212)
1 Метод свободного роста в газовых кавернах раствора расплава КCl, монокристалл. 8,14 80
2 -0,7 775 8,14 80
3 -0,5 775 8,15 20
4 -2,5 775 8,105 92
YBa2Cu3O6+ (Y-123)
1 -0,7 (воздух) 700 6,6 51.5
2 -0,7 (воздух) 550 6,8 55.2
3 0 (кислород) 550 6,95 90.3
Y0,9Ca0,1Ba2Cu3O6+ (Y,Ca-123)
4 -0,7 (воздух) 700 6,6 53.0
5 -0,7 (воздух) 550 6,8 78.0
6 0 (кислород) 550 6,95 84.1
Hg0.8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8.33 (Hg,Tl-1223)
1 0 (кислород) 300 8.33 133


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.