Введение к работе
Актуальность темы. Открытие в 1986 году высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) явилось важнейшим событием в физике твердого тела последних лет. С тех пор ВТСП стали предметом исследований большого числа научных работ. Оказалось, что они обладают многими уникальными свойствами и представляют собой интереснейший физический объект. Поэтому, независимо от перспектив дальнейшего применения, интерес к ним продолжает оставаться.высоким.
Одним из наиболее быстро развивающихся и привлекающих к себе наибольшее внимание направлений изучения ВТСП являются их макроскопические магнитные свойства. Однако, несмотря на огромное число публикаций, посвященных этой проблеме, самосогласованных представлений, позволяющих из первых принципов получать поведение основных характеристик ВТСП, находящихся в хорошем согласии со всем набором экспериментальных данных, пока не существует. Одной из причин, тормозящих процесс понимания, является сильная зависимость магнитных свойств ВТСП от их микроструктуры и отсутствие исчерпывающих данных о механизмах их взаимосвязи на уровне "микроструктура - свойство". Поэтому целенаправленное изучение особенностей магнитного поведения мелкозернистых ВТСП представляет особый интерес как в научном плане, так и в плане возможного расширения границ практического применения этих объектов.
В мелкозернистых поликристаллических ВТСП с размерами зерен порядка 1 мкм возможны существенные изменения свойств вследствие того, что линейные размеры зерен оказываются соизмеримыми с такой фундаментальной характеристикой сверхпроводника как лондоновская глубина проникновения магнитного поля. Действительно, из результатов работ, выполненных еще для классических сверхпроводников, известно о существенном влиянии поверхности на формирование вихревой структуры и магнитные свойства в целом. Однако, для случая ВТСП подобные вопросы изучены мало.
Необходимость исследования магнитных свойств поликристаллических ВТСП образцов, имеющих характерные размеры зерен D, соизмеримые с лондоновской глубиной проникновения магнитного поля А., определяется, преаде всего, возможностью получения информации о фундаментальных характеристиках данного класса ВТСП (таких как величины критических полей, глубины проникновения магнитного поля, параметры вихревой структуры и т.п.), необходимых для формирования целостной картины о свойствах ВТСП и, в частности, для решения вопроса о том, до какой степени макроскопические магнитные свойства ВТСП соответствуют (или не соответствуют) свойствам обычных классических сверхпроводников.
Цель диссертационной работы состояла в систематическом изучении магнитных свойств и, прежде всего, намагниченности мелкозернистых поликристаллических ВТСП состава YBa2Cu307._e с размерами зерен D-A, и выявлении механизмов взаимосвязи их магнитных свойств с реальной микроструктурой.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
экспериментальное изучение полевых зависимостей намагниченности М(Н) в широком диапазоне температур и магнитных полей для ряда поликристаллических ВТСП состава YBaCuO с различной микроструктурой, в том числе, и мелкозернистой, с размерами зерен В~Х;
теоретическое исследование особенностей структуры вихревой решетки для случая D-X со свойственными изучаемым образцам параметрами \ и ж с учетом распределения зерен по размерам;
анализ влияния размерного фактора (отношения D/A.) на вид кривых намагниченности М(Н), на величины первых критических полей, величины как внутри-, так и межзеренных токов;
построение модели, адекватно описывающей магнитные свойства мелкозернистых поликристаллических ВТСП.
Научная новизна. В диссертации впервые проведено систематическое изучение полевых зависимостей намагниченности поликристаллических ВТСП состава YBaCuO с различным размером зерен, в том числе, мелкозернистых (D-Я), обнаружены размерные эффекты и выявлена их природа. Конкретно, научную новизну
выполненной работы определяют следующие результаты, которые выносятся на зашиту:
1. Показано, что в случае сопоставимости размеров зерен D и
лондоновской глубины проникновения магнитного поля \ в области
достаточно высоких температур, когда влияние пиннинга невелико,
имеет место эффект существенного смещения положения максимума
намагниченности М(Н) в область более высоких полей.
2. Проанализированы особенности формирования начальной
вихревой структуры в ВТСП малого размера. Показано, что в случае
D-Л. имеет место эффект значительного увеличения полей
образования не только первого, но и последующих абрикосовских
вихрей. Рассчитаны величины соответствующих пороговых полей.
-
Установлено, что наблюдающееся экспериментально смещение положения максимума намагниченности М(Н) в область более высоких полей обусловлено особенностями формирования начальной вихревой структуры в ВТСП зернах малого размера.
-
Показано, что в случае сопоставимости размеров зерен D и лондоновской глубины проникновения магнитного поля А. поликристаллический ВТСП образец характеризуется интервалом значений полей Н , при которых начинается образование абрикосовских вихрей; ширина этого интервала определяется разбросом зерен образца по размерам и находится между значениями Н 1 для самых крупных из имеющихся в образце зерен и полями, приблизительно соответствующими полю достижения максимума М(Н).
-
На основе информации о распределении зерен по размерам и величине лондоновской глубины проникновения магнитного ПОЛЯ (определенных для исследуемых образцов) в рамках модели, учитывающей взаимодействие абрикосовских вихрей с поверхностью и аппроксимирующей плотный мелкозернистый ВТСП образец набором длинных цилиндров, ориентированных вдоль приложенного поля, рассчитана обратимая кривая намагниченности М(Н) в широком интервале полей 0<Н«Н , оказавшаяся в хорошем количественном согласии с данными эксперимента. Сделан вывод о степени соответствия магнитных свойств мелкозернистых ВТСП при температурах, близких к Т свойствам обычных сверхпроводников II рода.
6. Выявлен дополнительный вклад в необратимость
намагниченности Ы(Н) мелкозернистых ВТСП, обусловленный
зависимостью потока вихря от близости его к поверхности.
Показано, что величина этого вклада может быть сопоставима с
наблюдающейся экспериментально необратимостью М(Н).
7. На основе анализа кривых намагниченности М(Н) в полях,
не превышающих первого критического поля зерен предложен способ
оценки аффективного размера зерен, пригодный для
поликристаллических ВТСП образцов, обладающих различной
микроструктурой.
-
Обнаружен эффект увеличения на порядок значений внутризеренных критических токов мелкозернистых ВТСП образцов.
-
Обнаружен эффект увеличения на порядок значений межзеренных критических токов мелкозернистых ВТСП образцов.
Полученные в диссертации результаты позволяют выявить механизмы влияния размерного фактора (отношения D/Л.) на намагниченность М(Н) поликристаллических ВТСП состава
Достоверность и научная обоснованность результатов обеспечивается использованием в работе высококачественных тщательно охарактеризованных как рентгеновским методом, так и электронной микроскопией образцов, проведением исследований на большом количестве образцов с контролируемыми размерами зерен, сравнением результатов с данными, получаемыми другими методами на тех же образцах, а также с опубликованными в литературе.
Практическая ценность. Использованные в настоящей работе модельные представления, позволяющие описывать магнитные свойства мелкозернистых ВТСП на количественном уровне, могут быть применены в других работах, касающихся изучения магнитного поведения мелкозернистых поликристаллических ВТСП.
Определенную практическую ценность представляют реализованные в работе методики определения величины транспортного критического тока и размеров зерен в поликристаллических ВТСП, основанные на анализе данных о намагниченности М(Н).
Обнаруженные эффекты увеличения критических токов мелкозернистых YBaCuO могут быть использованы для создания
материалов с улучшенными токонесущими свойствами.
Результаты диссертации могут быть использованы следующими организациями: Московским государственным университетом им. М.В.Ломоносова, Институтами физики твердого тела, общей физики, кристаллографии Российской академии наук, Всероссийским электротехническим институтом и другими.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 3-м Всесоюзном Совещания по ВТСП (Харьков, 1991), I Межгосударственной конференции "Материаловедение высокотемпературных сверхпроводников" (Харьков, 1993), 30-м Совещании по физике низких температур (Дубна, 1994), 7 Международном совещании по критическим токам в сверхпроводниках (Альпбах, Австрия, 1994), 4 Международной конференции по сверхпроводящим материалам и механизмам сверхпроводимости (J^S HTSC IV) (Гренобль, Франция, 1994), Международном семинаре "Магнитные и резистивные состояния в сверхпроводящих системах (MRSS'95)" (Черноголовка, 1995), Международной конференции "Сверхпроводимость. Физические аспекты (СФА'95)" (Харьков, . 1995).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 . печатных работ и 2 находится в печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа изложена на страницах машинописного текста, включающих 42 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит наименования.
Похожие диссертации на Магнитные свойства мелкозернистых поликристаллических ВТСП состава YBaCuO
