Содержание к диссертации
Введение
1. ВТСП в электрических, магнитных и механических полях (обзор литературы).
1.1 Особенности характеристик S-N перехода и структуры ВТСП. 4
1.2 Поведение ВТСП в магнитном поле. 15
1.3 Влияние электрического поля на ВАХ ВТСП керамик. 21
1.4 Влияние объемного сжатия на свойства сверхпроводящих керамик. 22
1.5 Механические свойства ВТСП. 24
1.6 Влияние S - N перехода на деформационные характеристики классических (металлических) сверхпроводников . 28
1.7 Постановка задачи 33
2 Методика эксперимента.
2.1 Измерение температурной зависимости сопротивления. 36
2.2 Измерение ВАХ в магнитном поле и при одноосном сжатии . 36
2.3 Измерение деформационных характеристик при помощи лазерного интерферометра 39
2.3.1 Принцип действия интерферометрической приставки 40
2.3.2 Метод спектров скоростей малых неупругих деформаций 49
2.4 Используемые образцы и методика их приготовления 51
3 Исследование влияния структуры и внешних полей различной природы на свойства ВТСП .
3.1 Изменение скорости деформации при S-N переходе 54
3.2 Влияние одноосного сжатия на критический ток и ВАХ в магнитном поле разной величины 68
3.3 Зависимость сверхпроводящих свойств от структурных особенностей ВТСП керамик. 81
3.4 Особенности механических свойств ВТСП керамики, легированной серебром...104
3.5 Гистерезис ВАХ керамик с захваченным магнитным потоком 110
4. Заключение и выводы 145
5. Литература 151
- Влияние S - N перехода на деформационные характеристики классических (металлических) сверхпроводников
- Измерение ВАХ в магнитном поле и при одноосном сжатии
- Метод спектров скоростей малых неупругих деформаций
- Влияние одноосного сжатия на критический ток и ВАХ в магнитном поле разной величины
Влияние S - N перехода на деформационные характеристики классических (металлических) сверхпроводников
Попытки построения вольтамперных характеристик, основываясь на других функциях распределения по критическим токам, а также численные методы расчета ВАХ трехмерной сетки джозефсоновских контактов [46] приводят опять же к степенной функции. По всей видимости, степенной характер ВАХ ВТСП керамик - проявление фундаментального свойства системы, состоящей из большого числа элементов с разбросом параметров.
Как отмечалось ранее, магнитное поле, существенно влияя на критические токи одиночных контактов, модифицирует также функцию распределения контактов по критическим токам, причем, характер указанного перераспределения определяется структурными особенностями одиночных контактов. Соответственно, для вольтамперных характеристик влияние магнитного поля выражается в сдвиге в область меньших токов и одновременном изменении показателя степенной функции у ( в терминологии (1.1.8)).
Керамики с малым критическим током имеют более "толстые" границы, в которых распределение плотности критического тока по контакту можно считать относительно однородным вследствие сильного фактора O!N/,N В выражении (1.1.3). Как было показано раньше, в этом случае функция распределения контактов существенно видоизменяется и, следовательно, показатель степени у претерпевает существенное изменение. В свою очередь, контакты керамик с высокими значениями критического тока более чувствительны к структурным неоднородностям материала в области слабых связей и, следовательно, пространственное распределение плотности критического тока в них можно рассматривать как случайно-неоднородное. В этом случае изменение показателя у под действием магнитного поля будет менее заметным вследствие другого характера эволюции функции распределения f(ic).
Как было показано выше, магнитное поле существенно влияет на критический ток слабых связей, следовательно, в присутствии магнитного поля вместо изначального распределения контактов по значениям критических токов f(ic) возникает модифицированная функция f (ic)5 форма которой существенным образом зависит от значения приложенного магнитного поля. При этом следует учитывать, что, как отмечалось выше, на магнитополевую зависимость критического тока одиночного контакта (а следовательно, и эволюцию функции f(ic)) влияет характер пространственного распределения тока в контакте. Форма кривой распределения претерпевает существенное изменение в области сильных магнитных полей по данным [47], где рассматривалась модель неравномерного распределения тока по контакту. Первоначальное распределение, описываемое (1.1.4), вырождается в сильных магнитных полях в кривую с ярко выраженным резким пиком (как было сказано ранее, критические токи контактов в этом случае стремятся к ненулевому значению). В то же время, случай однородного распределения тока по контакту приводит к качественно другому результату в сильных магнитных полях [45] - наличию плато на кривой f(ic) в области малых значений критического тока. На рис. 1.1.4 (данные работ [45, 47]) изображена эволюция функции распределения в случае различного пространственного распределения тока по контакту. Величина магнитного поля характеризуется безразмерным параметром Ь=2яА,оаВ/Фо, где а - средний размер контакта, Хс-глубина проникновения магнитного поля, Фо - квант потока. В качестве первоначального (Ь=0) распределения взято соотношение (1.1.4) с п=2. критического тока, б - случайно-неоднородное.
Экспериментальные зависимости критического тока от магнитного поля по данным работы [48] приведены на рисунке 1.1.5. Можно наблюдать резкое падение критического тока образца при первоначальном увеличении магнитного поля. Характерным для ВТСП керамик является также наличие гистерезиса на кривой зависимости критического тока от магнитного поля. Указанное явление находит свое объяснение в терминах захвата магнитного потока образцом.
Следует отметить, что в случае ВТСП керамики мы имеем дело со слабосвязанной средой. Соответственно, слабые связи характеризуются своим значением критического поля HJci, которое определяет момент начала проникновения джозефсоновских вихрей в структуру слабых связей. Отметим, что однозначно определить значение HJci довольно проблематично, однако, оценки приводят, как правило, к величинам 10" -10" Э. В работе [49] показано, что верхний предел величины HJci - 2Э. Таким образом, вполне вероятно, что "нулевое" поле (т.е. магнитное поле Земли 0,2 Э) может проникать в структуру керамики по слабым связям. Так как ВТСП керамики являются типичными представителями сверхпроводников II рода, то при достижении внешним магнитным полем значения нижнего критического поля гранул (НёС[) начинается проникновение абрикосовских вихрей в структуру зерен, и в них возникает смешанное состояние. Значения величины Hgci для материала зерен ВТСП керамики однозначно определить также довольно сложно. Данные, полученные различными методами, существенно разнятся. Кроме того, не стоит забывать об изначальной неоднородности и анизотропии материала зерен. Тем не менее, большинство авторов оценивают Hgci величиной нескольких десятков - ста эрстед при 77 К [50]. Соответственно, верхнее критическое поле зерен HgC2 имеет существенно более высокие значения. Известно, что структура ВТСП материала содержит большое число центров пиннинга, в роли которых могут выступать дефекты, связанные с неоднородностью распределения кислорода в решетке, границы двойников, дислокации, другие структурные дефекты. В [48, 51, 52] обсуждается механизм, ответственный за необычное гистерезисное поведение критического тока в магнитном поле. Согласно [48, 51], при убывании поля от значений, необходимых для захвата зерном потока, захваченные в гранулы абрикосовские вихри создают за счет своих полей рассеяния магнитное поле в контакте, противоположно направленное приложенному полю.
Измерение ВАХ в магнитном поле и при одноосном сжатии
Исследования, описанные в работе [82], обнаружили существование нескольких пиков в температурном спектре скоростей неупругой деформации. Отметим, что в общем случае наличие максимума свидетельствует о включении или выключении в указанной температурной области некоторого механизма, тормозящего деформацию (например, закрепление дислокаций стопорами различной природы). Несмотря на то, что положение пиков не являлось фиксированным и менялось от образца к образцу, один из них, наблюдавшийся на всех образцах, находился в области критической температуры Тс , что позволяло предположить его обусловленность процессами, происходящими в керамике вследствие сверхпроводящего перехода. Заметим, что вблизи Тс наблюдались аномалии температурных зависимостей модуля упругости [83-87], декремента колебаний [87, 88], коэффициента линейного расширения [89] ВТСП. Выше точки сверхпроводящего перехода отмечались особенности в поведении затухания звука и модуля упругости [86, 87, 90-96], качественно совпадающие с особенностями температурного спектра скоростей деформации.
Отметим, что, безусловно, особенности механических свойств ВТСП соединений определяются составом и структурой образцов, которая в свою очередь, зависит от технологии их изготовления. Однако можно отметить, что, несмотря на количественные отличия параметров [97-102], характерные черты поведения совпадают.
Интересно, что при повышении температуры характер деформации иттриевых керамик изменяется. В районе точки фазового превращения из орторомбической в тетрагональную фазу они, как правило, начинают пластически деформироваться [97, 98, 100], при дальнейшем увеличении температуры испытаний кривые деформации приобретают характерный вид с зубом текучести. При этом существенным образом снижается значение предела прочности образцов.
Согласно [97, 98] исследования иттриевой керамики с различным содержанием кислорода приводит к заключению, что увеличение кислородного дефицита способствует их пластификации в орторомбической и, наоборот, уменьшает пластичность тетрагональной фазы.
Деформация керамики сопровождается процессом трещинообразования в области границ при межзеренном скольжении [103]. Именно границы зерен как наиболее слабые места по данным металлографических исследований [100, 103] ответственны за процессы деформации в сверхпроводящих керамиках. Деформационные процессы в зернах выражены более слабо. В то же время в зернах было зафиксировано изменение дислокационной и двойниковой структуры [97, 104-106] в результате прохождения деформационных процессов. Мы уже упоминали выше о наблюдении дислокационной структуры деформированных ВТСП образцов методами ТЭМ [24-28]. Напомним, что наблюдались как дислокационные полосы, так и дислокации с выраженными краевыми и винтовыми компонентами. Сообщалось, что для иттриевои керамики характерны дислокации с вектором Бюргерса типа 100 .
Как мы уже подчеркивали выше, двойники являются одним из характерных структурных элементов ВТСП [24, 27, 104-107]. Очевидно их существенное влияние на механические свойства материалов. В экспериментах наблюдались как процессы раздвойникования, так и зарождения новых двойников в области отпечатков индентора при измерении микротвердости. Данные о взаимодействии дислокаций с системой двойников в ВТСП различны в разных работах. Так если в [24] отмечена его существенность, то результаты [28], говорят о противоположном.
Исследования локальных механических характеристик ВТСП образцов могут быть выполнены при помощи мшфоиндентирования, которое позволяет провести измерения как в области кристаллитов, так и межзеренных границ. Указанная методика использовалась при исследовании керамик и монокристаллов [104, 108-111]. Исследования микротвердости [98] подтвердили выводы об определяющей роли межзеренных границ в процессе деформации ВТСП керамик. Оказывается, что микротвердость зерен, измеренная в их центральной части, существенно выше, чем в приграничной области, и сравнима по значению с микротвердостью монокристаллов.
Таким образом, с механической точки зрения ВТСП керамики являются твердыми материалами, склонными к хрупкому разрушению при комнатных и низких температурах. В то же время использование прецизионных методов исследовании процессов деформации и данные электронной микроскопии указывают на склонность материала к микропластической деформации, обусловленной по всей видимости движением дислокаций. Стоит подчеркнуть также определяющую роль, которую играют межзеренные границы в отношении механических свойств ВТСП керамик.
Практически сразу же после открытия явления сверхпроводимости начались работы по изучению влияния сверхпроводящего перехода на механические свойства металлов. Было обнаружено, что N-S переход сопровождается незначительным изменением упругих констант. Так, например, для ванадия N-S переход в районе ЗК приводит к относительному изменению модуля С44 лишь на 9-Ю"5. Таким образом, долгое время считалось, что сверхпроводящий переход не влияет на механические свойства металлов. И только десятилетия спустя было обнаружено существенное изменение предела текучести свинца в области N-S перехода [112].
Дальнейшие эксперименты, в которых разрушение сверхпроводимости осуществлялось при помощи магнитного поля при одинаковой температуре позволили исключить гипотетическое влияние температурного фактора и однозначно связали эффект с переходом в сверхпроводящее состояние. На рис. 1.6.1 показана кривая деформации монокристаллов свинца при 4.2К в нормальном и сверхпроводящем состоянии по данным работы [113].
Исследования показали, что при N-S переходе происходит понижение не только предела текучести, но и деформирующего напряжения на всей кривой упрочнения [114]. Так, если в процессе деформации переводить сверхпроводник из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно, то N-S переход сопровождается уменьшением деформирующего напряжения и, наоборот, разрушение сверхпроводимости в образце приводит к его упрочнению. Однако, величина эффекта и тонкие особенности его проявления различны для различных металлов. На рис. 1.6.2 (работа [115]) приведены кривые деформации монокристаллов свинца, таллия и индия, многократно переводившихся в процессе деформации из нормального в сверхпроводящее состояние и обратно. Как видно из рисунка, для всех металлов N-S переход характеризуется облегчением пластической деформации. Описанные выше явления наблюдаются как для моно- так и для поликристаллов, причем для монокристаллов явления обычно выражены сильнее.
Метод спектров скоростей малых неупругих деформаций
Как мы отмечали выше, первые работы, посвященные исследованиям процессов деформации в ВТСП керамиках [80, 82, 119], показали, что они обладают заметной микропластичностью и при сверхпроводящем переходе наблюдается аномалия их деформационных свойств, в частности при разрушении сверхпроводящего состояния электрическим током ВТСП обнаруживали замедление деформации и, наоборот, деформация ускорялась при обратном N-S переходе. Ситуация качественно напоминала эффекты, наблюдавшиеся ранее при исследовании влияния сверхпроводящего перехода на деформацию металлических сверхпроводников (см.п. 1.6) . Поэтому предстояло детально исследовать эффекты изменения деформационной способности ВТСП керамик, возникающие при S-N и N-S переходах. При этом для понимания механизмов, ответственных за эффект и подтверждения предположения о сходстве ситуации с классическими сверхпроводниками следовало проследить за реакцией образцов на возмущения, вносимые не только электрическим током, но и магнитным полем.
Другим направлением исследований стало изучение обратных явлений, то есть влияния механического воздействия на электрические характеристики ВТСП керамик. Согласно п. 1.6 объемное сжатие существенным образом увеличивает критический ток образцов. Было также обнаружено [119], что аналогичного эффекта можно достичь, подвергая образец одноосному сжатию вдоль направления протекания тока. Поскольку изменение критического тока при механическом нагружении объясняется воздействием последнего на слабые связи, представляло интерес проследить за изменением эффекта для керамик различного типа при изменении их состава.
В связи с описанным выше отдельной задачей стало изучение влияния нагрузки на критический ток (и ВАХ) керамики, находящейся во внешнем магнитном поле. Дело в том, что помещенный во внешнее магнитное поле образец становится анизотропным. Воздействие одноосным сжатием на него представляет из себя нетривиальную задачу. Кроме того, при условии того, что и нагрузка и магнитное поле действуют на слабые связи, представляет интерес проследить будет ли аддитивен эффект одновременного действия нагрузки и магнитного поля. В случае воздействия на одни и те же структурные элементы аддитивность может нарушаться.
Как мы отмечали в пункте 1.1, сверхпроводящие свойства ВТСП определяющим образом зависят от содержания в них кислорода, однако, влияние изменения содержания металлов оставалось практически не изученным. Актуальным был также вопрос об исследовании зависимости свойств керамики от таких характеристик ее структуры, как размер зерна и пористость. Представляло интерес, воздействуя на процессы синтеза, получить образцы с заранее заданными параметрами и систематически изучить их электрические и механические свойства.
Одним из основных препятствий на пути практического применения ВТСП материалов до сих пор остается недостаточность их механических свойств, что приводит к сложности их обработки и опасности разрушения изделий из них. Как известно, легирование - один из наиболее продуктивных способов создания материалов с улучшенными механическими свойствами. В случае высокотемпературных сверхпроводников в силу особенностей их структуры к хорошим результатам приводит использование серебра в качестве легирующей добавки. Поэтому мы уделили особое внимание изучению механических свойств серии керамик с разным процентным содержанием Ag. Вопрос приобретает особую актуальность в связи с разработкой и эксплуатацией нового класса материалов - ВТСП соединений в серебряной матрице.
Согласно трактовке, описанной в п. 1.2, характерная особенность ВТСП керамик -гистерезис критического тока в изменяющихся магнитных полях - может быть объяснен в терминах захвата магнитного потока в структуре зерен материала. При этом оставались неисследованными начальные участки вольтамперных характеристик образцов с захваченным магнитным потоком. В то же время они могут нести информацию о степени закрепления потока и процессах его перераспределения под действием транспортного тока в образце. И действительно, в [120] мы сообщили об обнаруженном нами гистерезисе В АХ керамик с захваченным магнитным потоком, изучение которого позволяет получить информацию о характере поведения слабосвязанной части последнего в образце. Детальные исследования обнаруженного гистерезиса и его особенностей стали частью настоящей работы.
Для записи температурной зависимости сопротивления образцов в области температур, близких к температуре кипения жидкого азота, была собрана оригинальная установка (рис. 2.1.1). Образец помещался в закрытую камеру, имевшую форму перевернутого стакана, погруженную в заполненный жидким азотом сосуд Дьюара. Нихромовая печка внутри объема камеры, управляемая с помощью прибора РЕПИД-1, давала возможность поддерживать температуру внутри камеры с точностью до 0,1 С. Сопротивление образца измерялось четырехзондовым методом с использованием нанесенных индиевых контактов. Медь-константановая термопара находилась в непосредственном контакте с образцом. Для исключения возможности влияния изменения температуры окружающей среды на результаты измерения вторая такая же, «опорная» термопара была погружена в жидкий азот, что позволяло измерять температуру не от подвижной комнатной, а от постоянной температуры кипения жидкого азота.
Изучение влияния одноосного сжатия на электрические характеристики ВТСП керамик, а также исследование сложного воздействия на образцы сжимающей нагрузки, тока и магнитного поля, потребовало создания установки из немагнитных материалов (рис.2.2.1). Учитывая небольшие размеры образцов и невысокое значение исследуемых нагрузок, основная часть была выполнена из дюралюминия. Пуансоны из ультрафарфора имели бронзовые лепестки для подвода тока на торцевые контакты образца, потенциальные контакты наносились на его боковую поверхность. Магнитное поле рассчитывалось по протекающему в катушке току, задаваемому источником постоянного тока Б5-50. Ток через образец задавался стабилизированным истопником постоянного тока П138. Измерения проводились при температуре жидкого азота, для чего образец и часть установки помещались в сосуд Дьюара.
Влияние одноосного сжатия на критический ток и ВАХ в магнитном поле разной величины
В [80], где исследовалась неупругая деформация ВТСП керамик, было обнаружено, что их микропластическая деформация может протекать существенное время. Она регистрируется при помощи прецизионных методов измерения и сверхпроводящий переход сопровождается аномалией деформационных свойств. При этом было установлено и описано замедление деформации при S — N переходе н ускорение ее при обратном переходе. Сверхпроводящее состояние в [80] достигалось понижением температуры до Т Тс _ а перевод в нормальное состояние осуществлялся транспортным током j, большим критического jc при данной температуре. В [80] приводятся также результаты контрольных опытов, показывающих, что изменение скорости деформации при воздействии током связано именно со сверхпроводящим переходом, а не с другими факторами, в частности разогревом образца. Так, если скорость неупругой деформации под нагрузкой была нулевой, то включение или выключение тока не приводило к ее появлению. Сравнение же изменений скорости при воздействии током для Т Тс и Т Тс показало отличие не только в величине эффекта, по и в его знаке, что доказывало решающее влияние именно S «-» N переходов на изменение скорости деформации при Т Тс. Изменение микропластичности ВТСП керамики при S — N переходе наблюдалось также авторами [81].
В работе [128] мы привели новые результаты исследования скоростей малых неупругих деформаций ВТСП керамик в области S - N переходов при воздействии не только транспортного тока, но и слабых магнитных полей, а также рассмотрели возможную дислокационную модель микропластичности.
В работе исследовались керамические образцы УВагСизОу-х и YBaSrCu307-x, полученные из порошков Y2O3, СиО, ВаСОз и S1CO3 и прошедшие стандартную для керамической технологии термообработку (см. п.2.4). Образцы изготавливали в форме прямоугольных параллелепипедов с размерами от 2x2x4 до 4x4x8 мм. Температура сверхпроводящего перехода Тс для различных образцов составляла 90—93 К, а электросопротивление в нормальном состоянии вблизи Тс было порядка 103 Ом-см. Критический ток в отсутствие магнитного поля для разных режимов термомеханической обработки менялся в широких пределах от 10 до 250 А/см2. Для измерения электрических характеристик и осуществления S — N перехода на образец наносились индиевые контакты: токовые — на торцевые поверхности, потенциальные — на одну из боковых поверхностей. Расстояние между потенциальными контактами составляло 1—2 мм. Магнитное поле было направлено вдоль оси образца и создавалось катушкой с током, внутри которой находился образец. Нагружение образцов производилось путем сжатия вдоль максимального размера. Осевые напряжения а во время опыта оставались постоянными и находились в пределах 10—30 МПа, что составляло менее половины от средних разрушающих напряжений. Для измерения скорости є и величины є относительной деформации применялся подробно описанный в п.2.3.1 лазерный измеритель скорости ползучести, позволяющий производить прецизионное определение величины є при изменении длины образца на АІ-0.15 мкм. В [80] было показано, что если осуществлять S — N переход включением тока j jc- в момент, когда скорость неупругой деформации нагруженного образца отлична от нуля (є = ), то вначале наблюдается остановка деформации на какое-то время, а затем деформация продолжается с некоторой скоростью eN, меньшей siS. При выключении же тока наблюдался обратный эффект, который также осуществлялся в две стадии — на первой происходило кратковременное резкое ускорение деформации, а затем устанавливалась скорость деформации, близкая к в\ .В настоящей работе мы исследовали зависимость описанного эффекта от величины транспортного тока, включая область j jc. В результате было обнаружено (рис. 3.1.1), что:
- во-первых, эффект заметен уже с некоторого значения ji jc, измеренного по ВАХ при напряжении на контактах U=1MKB; во-вторых, чем больше величина тока, тем больше наблюдаемый эффект, если его оценивать, например, по изменению скорости или по времени задержки деформации после включения тока (рис. 3.1.1).
Последнее справедливо только для токов j J2, где j2 2jc . Затем влияние величины тока на скорость деформации пропадало, а при еще больших токах наблюдались эффекты, не связанные со сверхпроводящим переходом [80].
Заметим, что быстрое изменение тока даже на сравнительно небольшую величину, как правило, вызывало эффекты, аналогичные изображенным на рис. 3.1.1. На рис. 3.1.2 показано изменение скорости деформации при ступенчатом нарастании тока и быстром его выключении. Ступенчатое возрастание тока в интервале ji j j г оказывало такое же воздействие на скорость деформации, что и один большой по величине скачок тока.
Изложенные выше результаты можно, как нам кажется, объяснить с помощью следующей модели (рис. 3.1.3). Пластические свойства поликристаллических и керамических материалов в значительной степени определяются сопротивлением границ зерен движению носителей деформации, в первую очередь — дислокаций. Считается [129], что это сопротивление ть преодолевается за счет образования вблизи границ дислокационных скоплений, являющихся локальными концентраторами сдвиговых напряжений Xd (рис. 3.1.3, а). В первом приближении можно считать, что сопротивление границы будет преодолено, когда суммарные напряжения х = х + та (т—внешние приложенные напряжения) окажутся равными ть. Подобная ситуация продемонстрирована на рис. 3.1.3,а , где штриховой линией показано распределение суммарных напряжений вблизи границы, а вертикальная линия на границе соответствует уровню Ть.
В принципе, величина ть может зависеть от того, в каком состоянии находится граница — нормальном или сверхпроводящем. Судя по тому, что в металлических сверхпроводниках напряжения течения в сверхпроводящем состоянии меньше, чем в нормальном (см. п. 1.6), будет иметь место соотношение Хь хьЫ.
Исходя из описанных представлений, рассмотрим схему (рис. 3.1.3), на которой последовательно показаны различные состояния заторможенного границей дислокационного скопления, когда данный участок границы находится в S-состоянии (а), сразу после S — N перехода (б), в N-состоянии (в) и сразу после обратного N — S перехода (г). На рис. 3.1.3,а изображено некоторое равновесное положение, соответствующее равенству х = хь и отвечающее скорости неупругой деформации ёД В момент S —» N перехода (включение тока) сопротивление границы резко возрастает до величины xt,N x s (рис. 3.1.3, б) и деформация резко замедляется є N« t\
