Модификация структуры и свойств сверхпроводящего материала YBaCuO при комбинированном радиационном воздействии Ибрагимова, Эльвира Меметовна

Введение к работе

Актуальность ираблемы. Около 12 лет назад была открыта высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) в сложных оксидах тяжелых металлов, содержащих либо примеси замещения, например Sr в матрице LaCuO,j [1]. либо кислородные (вакансии _в УВагСизОт-х [2], которые сложат донорами носителей. Их концентрация определяет критическую температуру сверхпроводящего (СП) перехода Т_с, плотность тока j_c и магнитное поле Н_с. Заманчивая перспектива повысить рабочую температуру соленоидов с 10 К до 77 К заменой матери&аа на YBajCihOy-x с Т_с= 92 К вызвала необходимость исследований радиационных воздействий на его структуру и свойства. Вскоре были обнаружены замечател'.ные радиационные эффекты: значительное усиление j_t (тока намагничивания) в интенсивном магнитном поле, обусловленное центрами пиннинга (захвата), наведенными облучением быстрыми нейтронами [3], а также резистивные и диамагнитные переходы при і 50, 200, 290 К [4]. Следует отметить, что возможность кратною увеличения Т_с интерметаллндов \-15 после облучения была теоретически предсказана еще в 70-х наряду с ожидаемой радиационно-индуцированной деградацией структуры и сверхпроводимости [5]. Интенсивные экспериментапьные и теоретические исследования привели к выводу, что в переносе заряда и сверхпроводимости в I^a, Y, Ві, П кулратах со слоистой аншотроп ой структурой определяющую роль играют дырки в кислородной подрешетке СиОз плоскостей, получена зависимость Т_с от содержания кислорода или примеси катиоиного замещения, а также от магнитного поля и упорядочения [б]. Среди многих методов исследования структуры и свойств ВТСП [6.7], радиационные методы обладают важным преимуществом - возможностью дозированного введения дефектов струк-

туры в различных зарядовых состояниях не только для исследования механизмов ВТСП, чо и для целенаправленной модификации структуры.

Недостаток ВТСП в том, что исходно высокая j_c~l0⁶-10⁷ А'см² при 4-20 К быстро падает с ростом температуры до 77 К или магнитного поля Н до 1 Тесла [7], СП-переход также деградирует в сильных магнитных и электрических полях, что пока отраничивает применение В ГСП в электромоторах. Стандартная порошковая технология синтеза керамик и ее различные модификации (провода, ленты) не удовлетворяют современным энергетическим требованиям к j_cm намагничивания ~ 10* А/см² при 77 К в поле выше 1 Тесла, транспортного тока }_л - К)³ А/см² при 77 К, поэтому разработаны расплавные методы синтеза текстурированной керамики, которая обедает jon - JO⁵ А/см² и j_ct ~ Ю' А/см² при 77 К, но она кеоднофаз-ная, з потому нестабильная [8]. Разрабатываемое сейчас направление синтеза ВТСП материалов под ионными пучками позволяет получать тонкие ппенк.. с отличными характеристиками, но этот метод не применим для кристаллом, проводов и других изделий. Обнаруженный радпционно-наведенный гнпшинг мог бы стать решением этой проблемы, однако, наводимая нейтронами радиоактивность материала является серьезным препятствием на пути использования такой технологии изготовления ВТСП про-зодов .для энергетики, линз в электронных микроскопах [9]. Поэтому следует искать другие радиационные технологии.

Фундаментальное понимание явления ВТСП и его микроскопических механизмов ешс не достигнуто, продолжается спор между БКШ и нефо-нонными теориями о типах носителей (фермиопы. бозоны, поляроны и др.) и потенциалах -взаимодействи; между частицами или квазичастицами [іОДІ]. Следующие актуальные проблемы еще ожидают своего решения электронная фазоидя диаграмма купратов как функция допирования, линейная температурная зависимость сопротивления по с-осн при Т ~-~ Т,. условия раскрытия псевдощели выше Т. СП-перехода, s- или d-снммеірия

сверхпроводящего параметра порядка, статическая и динамическая физика магнитных вихрей в СП и смешанном состоянии, стабилизация критических параметров при внешних воздействиях.

Цель работы состоит в систематическом экспериментальном исследовании терморадиационного и комбинированного воздействия быстрыми частицами и гамма-квантами на структуру, маї нитные и электрические свойства YBa^CujCb-x для выяснения природы носителей и условий епри-вания при температурах выше Т,., роли кислородных дефектов в радиацн-онно- наведенных центрах пиннинга, а также для стабильного улучшения критических параметров Т_с. J_t, И, кристаллов и керамик.

Задачи исследования

1. Влияние генерации и локализации носителей на кислородных дефектах на СП-переход и проводимость монокристаллов при гамма-облучении при 80 К и 300 К при интенсивностях от 20 до 2000 Р/с и дозах ЮМО'' Р.

2. Взаимодействие гетеровалентной примеси (А1) замещения меди с кислородными вакансиями и междоузлиями, наведенными в YBaCuO комбинированным гамма- и нейтронным облучением, сравнение с поведением границы раздела металл-оксид А1:А1_чО> и облученного монокристалла диэлектрика YAIO? со структурой перовскита.

3. Эффекты раздельного и комбинированного воздействия ионизирующего гамма-облучения (экситонный механизм дефектообразования) и пучка электронов с энергией 300 кэВ (ударного смещения кислорода) на СП-переход, критический ток (пиннинг, парамагнитный эффект Мейсснера) при 80К и намагничивание в нормальном состоянии.

4. Определение энергии электронов, создающих центры гганяинга сильного поля только в кислородной иодрешетке. Используя комбинированное воздействие 1 МэВ-электронов, быстрых нейтронов и гамма-квантов на СП-переход и высокополевон пиннинг и определить вклад раднационно

.5

наведенных кислородных дефектов в намагничивание.

5. Воздействие гамма-облучения при 80 К и в интервале от 300 до 1200 К и (інтенсивностях 20-2000 Р/с в широком интервале доз 10-10" Р на структуру, кислородную стехиометрию и парзметры СП-перехода в изотропных и текстурированных керамиках в резистивных и магниторезистив-ны\ измерениях, а также бесконтактным методом. Нахождение условия индуцирсванно" еверхпроводнмосш

6. Определение фактора тексгуры, размеров и формы кристаллитов и меж-зеренных контактов методами рентгеновской и неіітронной дифракции, а также микроскопией. Сравнение вкладов радиационных дефектов в обь-еме и на поверхности на примере модельною стекловолокна и ВТСЛ-керамики с разной зернистостью

7. Транспортный и магнитный кріпток в импульсном режиме 10"'с и на постоянном токе в процессе гамма-облучения при 80 К и после воздействия направленного пучка 18 МэВ-протонов Связь между величиной Л . фактором текстуры, размерами зерен и межзеренных контактов.

8 Вклад кислородных дефектов в деградацию СП-перехода и проводимо
сти при комбинированном облучении керамики нейч_дюначи с энергиями

0.1 МзВ и ірмма-лучами ""Со.

9 Выяснение физических основ и разработка радиационных методов син
теза и спекания текстурированных керамик с СП- параметрами, удовле
творяющими техническим требованиям.

10. Применение поляронной теории и автолокализации носителей для описания высокотемпературного спаривания в условиях умеренного кислородного разунорядочения, созданною комбинированным ударным и ионизирующим воздействием в \'Ва;СнЮ?._ч.

Объекта ми исследован»» служили разные морфологические типы

сверхпроводян -то состава YBa^CujO^: 1) монокристаллы, вырпшенные в Институте кристаллофафии АН СССР. Аргонской Национальной Лаборатории. Иллинойском Университете, Оксфордском Университе, и различающиеся между собой материалом тигля и режимами синтеза и окисления, 2) крупнозернистая (>!0 цт) и мелкозернистая (3-5 цт; текстуриро-ванная керамика, изготовленная в лабораторних условиях методом кристаллизации или синтеза в полях гамма-излучения, и 3) мелкозернистая (< 10 цт) керамика промышленного производства (ПОЗ Гиредмет" В.Пышма Свердловской обл.)- Контролировался фазовый состав, уровень примесей, содержание кислорода (методами нейтронноіі активации) и электрические параметры. Для измерений выбирались образцы одной - партии, имеющие Т_с > 90 К. ширину перехода < 2 К и р(100 К) - mQ cm, что соответствует среднему уровню качества образцов, описанных в литературе [6-8].

Научная новизна работы состоят в следующем:

1. Использование комбинированного и/или последовательного ооху-чечня частицами высоких энергий и гамма-лучами, позволяющее создаг.ать дефекты с.руктуры либо с неоднородным распределением ударным механизмом (з нодрешетках О, Си, Y, Ва в зависимости от энергии часгиц), либо ионизационным (равномерно по объему, но преимущественно з кислородной подрешетке с участием механизма переноса и локализаии'' зарядов в дефектах а также радиационного отжига дефектов).

2. Выделение вклада кислородных дефектов б пяти неэквивалентных решеточных узлах 0(1)-0(5) в критическую температуру СП-перехода и плотность тока }_т (радиашюнно-наведенный пиннинт) и j^ при 77 К,

3. Обнаружение пара-диамагнитных переходов при 125, 200 и 230 К в условиях кислородного разупорядочення, вызванного облучением 300 юВ-электронами или комбинированным нейтрон-гамма-облучением, или с ге-тероватентной АІ примесью.

КИЄ -МШЧеіІІІЯ Кри.І!ЧЄСЬ"ОН ПЛОТНОСТИ TOKL! НііМшННЧІШаКі!; liJ.'WX '-.

Тесла.

6) Экспериментальное разделение вкладов в критические точности чокоь (намаїничіїБания и пропускаемого чере<. HTCTlj от кристаллитов и межчеренных контактов с учетом их формы, рачмероп и кчапмной ориентации.

Няучіпіу; и нраїліічегігая шчінисп. ра*)і>>м

Нссл кованы физические мсчаїчнмі.і кпмі'чшированкої о радиационного и чепморадпаннонного вімдеиеівип Ни сір»кг\р\. магничные и элек-ірнческис харакчеппсіикп сверхировочмінсіо. смешанною і; нормального еосіояпия В 1 ("і 1 как слопстиго мпої о.чомпоі:енп;оі о океи.уюг" материала

Полученные її р.ійоїе экепернменцпвние релльл.иы п модели, такие каїс диамагнитный переход нри.2'Я) К в :ірис\ ісівпи кислородного ра'лпорядо-чения и авчолокачичдиии носителей, сосуществование анндагропноп прыжковой и металлической проводимости, магнитный пиинннг па примесных и собственных дефектных центрах, имеют наунг.ю ценность .для сочдания исфононпой нюляронной или еншкчиинп |5. ii] teopmt ВЫСОКО-темперачурноіі сверхпроводимости к-упратов

Поскольку предполагается их применение в качестве накопителей энергии космического оачирования. для удержания плачмы в реакторах ядерною синтеза, магнитных линч для электронных пучков необходимо моделировать эксплуатационные условия и исследовать поведение этого

материала. Предложенные методы представляют практическую ценность:

- комбинированное облучение электронами (протонами) высоких энегпга с
последующим гамма-облучением в сверхпроводящем состоянии позволяег
получить стабильную дефектную структуру для пиннинга интенсивных
магнитных полей;

- порошковый синтез для спекания текетурированных сверхпроводянаіх
керамик и других изделий в процессе гамма-облучения, обладающих
улучшенными критическими параметрами (криттоком, температурой пере
хода и пнннингом интенсивных магнитных потоков), а также радиацион
ной стойкостью.

В отличие от предлагаемых способов повышения криттока пугем облучения нейтронами реактора или нонами высоких энергий, а также применения технологий получения текетурированных керамик из расплава [3,7,8], предложенные здесь методы обладают существенными преимуществами: отсутствием у материалов наведенной радиоактивности, укороченным и упрощенным технологически^--! процессом, доступностью и относительной дешевизной. Поэтому их можно рекомендовать для изготовления проводов и других устройств сильноточной энергетики.

Основные результаты и положения, выносимые на заннпу

1. Идентификация радиащюнно-наведенных дефектов в кислородных и ка-тионных подрешетках сложной слоистой структуры YBa;Cn-,07-h высокотемпературного сверхпроводника методом комбинированных и последовательных радиационных воздействий потоков быстрых частиц и ионизирующего гамма-излучения при разі лх условиях.

2. Экспериментальное доказательство, что гамма-облучение не создает дефектов смещения в катионных и кислородных подрешетках 0(2) и 0(."Ч, ответственных за высокополевой пиннинг при 77 К, что пороговая энергия электронов, создающих кислородные пиннинг-центры в СиСЬ-

плоскости, равна 350 кэВ,

3. Экспериментальное доказательство существенного вклада заряженных кислородных дефектов в высокополевой ниниинг на дефектных катион-анионных комплексах, созданных умеренными потоками І МэВ- электронов и быстрых (>0,1 МэВ) нейтронов, а также радиационного отжига кислородных дефектов при комбинированном облучении.

4. Экспериментальное обнаружение пара-диамагнитного перехода при 200 К после комбинированного облучения 300 кзВ-Электронами и гамма-лучами или около кластера примесного металла с кислородным дефектом, конкурирующего со СП-переходом при 90 К. Диамагнитное спаривание локализованных молекулярных поляронов От' "при температурах »Т_С в условиях кислородного разупорядочения..;.

5. Механизмы терморадиационной модификации текстуры керамик при спекании и синтезе в процессе гамма-облучения для достижения высокого транспортного и магнитного критического тока.

0. Эмпирическая формула расчет критгока намагничивания с учетом размеров кристаллитов и контактов между ними, оцененных по гистерезису в полях 1-5 Тесла, рентгенограммам и электронной микроскопией.

7. Индуцированная прогонным облучением текстура керамики и анизотропия проводимости, обусловленная модификацией и упрочнением межзе-ренных контактов

В результате проведенных исследований заложены основы нового научного направления: целенаправленная модификация структуры и с эйств высокотемпературных сверхпроводников при комбинированных радиационных и термораднанионных воздействиях.

Публикации и личный вклад соискателя. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 работах. Соискателем сформулированы и

обоснованы ц? и и задачи исследования. Все приведенные в работе эксперименты выполнены либо лично соискателем, либо при ее непосредственном участия. Вклад соискателя в объяснение приведенных в работе результатов является определяющим.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной' работы докладывались и обсуждались на пленарных и костерных сессиях международных научных конференций, симпозиумов и семинаров по высокотемпературной сверхпроводимости (Моокаа-1990,1998, Свердловск-1001. Веймар-1991, Кембридж-1992, Чикаго-Урбана-1993, і 996, Вена-1994, То-кио-1997), радиационной физике твердого тела (Ташкент-19S9, Самарканд-1997, Бухара-1999, Заречный-і 990, і 993, Снежннск-1997,1999, Париж--1994,1997, Лльбукерк-1995,), а также на совещаниях Международного общества материаловедения (Бостон-1994.1995,1996).

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения. 5 глав, снабженных выводами, заключения и библиографии. Содержание изложено на 262 страницах текста и пцедстаїїлено на 75 рисунках и 9 таблицах, список ш'-круемоґі литературы содержит 255 наименований.

Похожие диссертации на Модификация структуры и свойств сверхпроводящего материала YBaCuO при комбинированном радиационном воздействии

Модификация структуры и свойств металлических материалов под действием плазмы тлеющего разрядаОбидина Ольга Васильевна

Инжекционная деградация и модификация структур металл-диэлектрик-полупроводник при сильнополевых и радиационных воздействияхАндреев Владимир Викторович

Модификация структуры и свойств соединений InSb, MnBi сверхбыстрой закалкой из расплаваГусакова, София Викторовна

Электронно-пучковая модификация структуры и свойств поверхности электровзрывного легирования стали 45Ионина, Анна Валерьевна

Гетероструктуры поликристаллический алмаз/кремний: тепловые свойства структуры и модификация кремния при осаждении алмазаАминев, Денис Фагимович

Особенности структуры и свойств материалов с сильным электрон-фононным взаимодействиемТитова Светлана Геннадьевна

Структура и сверхпроводящие свойства материалов на основе фазы Bi2Sr2Ca1Cu2O8+x, подвергнутых интенсивной горячей пластической деформацииДаминов Рустам Римович

Фазообразование и связи состав – структура – свойства в сегнетоактивных материалах на основе ниобатов натрия и феррита висмутаСадыков Хизир Амирович

Развитие методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования электрофизических свойств материалов наноэлектроники и структур на их основеЧуприк Анастасия Александровна

Влияние потоков заряженных частиц высокой плотности на структуру и механические свойства конструкционных материаловБеленко Владимир Алексеевич