способ получения сверхпроводящих монокристаллов на основе bi₂sr₂cacu₂o₈

Формула изобретения

Способ получения сверхпроводящих монокристаллов на основе соединения Bi₂Si₂CaCu₂O₈, включающий расплавление шихты, содержащей оксид висмута и меди и карбонаты стронция и кальция, с последующей кристаллизацией расплава, отличающийся тем, что кристаллизацию проводят из шихты, содержащей дополнительно карбонат марганца в пересчете на соединение Bi₂Sr₂CaСu_2-хMn_хO₈, где 0,1х 0,3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения монокристаллов высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), в частности Bi₂Sr₂CaCu₂O₈-2212, для использования в СВЧ-технике.

Использование ВТСП-материалов в качестве активных элементов СВЧ- приборов, например усилителей, генераторов, может быть основано на когерентном взаимодействии отдельных джозефсоновских переходов. Экспериментально это взаимодействие может проявляться в виде сужения линии СВЧ-излучения при нестационарном эффекте Джозефсона, наблюдавшемся на монокристаллах 2212 очень маленького размера 30х30 мкм [1] а также в виде периодических модуляций добротности резонатора при внесении в него ВТСП образца в нулевом магнитном поле в области СВЧ-частот. Экспериментально наблюдаемое на кристаллах Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ проявление когерентного взаимодействия отдельных Джозефсоновских переходов связывают с возможностью образования в этих кристаллах сверхструктуры [2]

Известен способ получения монокристаллов Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, включающий выращивание кристаллов спонтанной кристаллизацией, механическое извлечение кристаллов из затвердевшей массы и послеростовую термообработку [3] Для выращивания кристаллов шихта, представляющая собой смесь соединений Bi₂O₃, SrCO₃, CaCO₃ и CuO, взятых в количествах, соответствующих стехиометрии 2212, помещалась в корундовый тигель, выдерживалась при температуре 1010 - 1045^oC и охлаждалась со скоростью 2 5 град/час. Кристаллы, извлеченные из затвердевшей массы, достигали размера 3х4 мм в плоскости (ab) и имели значения температуры перехода в сверхпроводящее состояние T^e_c^nd 40 60К. При помещении извлеченных кристаллов в резонатор периодического изменения добротности резонатора на частоте 10 ГГц не наблюдалось. Это можно объяснить тем, что выросшие кристаллы оказались недостаточно совершенными, например, вследствие дефицита кислорода в решетке, что подтверждается низкими значениями T^e_c^nd После термообработки на воздухе температура перехода кристалла в сверхпроводящее состояние возрастала и достигала температур 94 87К, однако возникающие в процессе выращивания структурные несовершенства устранить термической обработкой в достаточной степени, видимо, не удавалось, так как периодического изменения добротности резонатора в нулевом магнитном поле при внесении в него термообработанного образца по-прежнему не наблюдалось. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Задача изобретения состоит в том, чтобы получить монокристаллы типа Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, обладающие размерами и сверхпроводящими свойствами, близкими к прототипу ( T^e_c^nd >80К, размеры в плоскости (ab) 2.3х2.3 мм), но при перемещении которых в резонатор наблюдалось бы периодическое изменение добротности резонатора в СВЧ-диапазоне длин волн и нулевом магнитном поле.

Задача решена путем выращивания монокристаллов Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ как в способе [3] но из шихты, содержащей помимо карбонатов кальция, стронция и оксидов висмута и меди карбонат марганца в пересчете на соединение Bi₂Sr₂CaCu_2-xMn_xO₈ при x= 0,1 0,3. Так как марганец имеет переменную валентность, то, как полагают авторы, его присутствие в исходной шихте в количестве 0,1 0,3 формульных единиц обуславливает уменьшение, по данным химического анализа, содержания ионов Cu¹⁺ в затвердевших массах, что приводит, по-видимому, к росту более совершенных, чем в прототипе, кристаллов. Это подтверждается тем, что сразу после роста кристаллы имели T^e_c^nd84 85К вместо 40 60К по прототипу и демонстрировали эффект периодических модуляций добротности резонатора на f=10 ГГц. Таким образом, введение в шихту MnCO₃ дает еще и дополнительное преимущество перед прототипом исключается послеростовая термообработка кристаллов. Добавление в шихту MnCO₃ менее 0,1 формульной единицы не приводит к достижению желаемого эффекта.

Добавление в шихту MnCO₃ более 0,3 формульных единиц приводит к прекращению роста кристаллов в выбранных условиях.

Пример.

Исходные компоненты Bi₂O₃, SrCO₃, CaCO₃, CuO, MnCO₃, взятые в количестве 100 г и в соотношениях, необходимых для получения соединения Bi₂Sr₂CaCu_2-xMn_xO₈, где x= 0,1 0,3, помещались в корундовый высокоплотный тигель. Смесь нагревалась до температуры 1010 1045^oC, выдерживалась при этой температуре 8 16 часов и охлаждалась со скоростью 2 град/час.

Результаты экспериментов сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что предложенный состав шихты является оптимальным.