Bizmut stront wapń tlenek miedzi

Kawałek miedzianu bizmutu i strontu: ten kawałek to sześcian o krawędzi prawie 1 mm.

Tlenek miedziowo-wapniowo-strontowo-bizmutowy ( BSCCO , wymawiane bisko ) jest rodzajem nadprzewodnika miedzianowego o uogólnionym wzorze chemicznym Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4+ x , przy czym n = 2 jest najczęściej badanym związek (chociaż n = 1 i n = 3 również otrzymały znaczną uwagę). Odkryty jako klasa ogólna w 1988 roku, BSCCO był pierwszym nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym , który nie zawiera pierwiastka ziem rzadkich .

Jest to nadprzewodnik miedzianowy , ważna kategoria nadprzewodników wysokotemperaturowych o dwuwymiarowej strukturze warstwowej ( perowskit ) (patrz rysunek po prawej) z nadprzewodnictwem zachodzącym w płaszczyźnie tlenku miedzi. BSCCO i YBCO to najlepiej zbadane nadprzewodniki miedzianowe.

Określone typy BSCCO są zwykle określane przy użyciu sekwencji liczb jonów metali. Tak więc Bi-2201 jest n = 1 ( Bi 2 Sr 2 Cu O 6+ x ), Bi-2212 jest związkiem n = 2 ( Bi 2 Sr 2 Ca Cu 2 O 8+ x ), a Bi-2223 jest związek n = 3 ( Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+ x ).

Rodzina BSCCO jest analogiczna do rodziny taliowych nadprzewodników wysokotemperaturowych określanych jako TBCCO i mających wzór ogólny Tl 2 Ba 2 Ca n −1 Cu n O 2 n +4+ x , oraz rodziny rtęci HBCCO o wzorze Hg Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +2+ x . Istnieje wiele innych wariantów tych rodzin nadprzewodzących. Ogólnie rzecz biorąc, ich temperatura krytyczna, w której stają się nadprzewodnikami, wzrasta dla kilku pierwszych członków, a następnie spada. Zatem Bi-2201 ma T c ≈ 33 K, Bi-2212 ma T c ≈ 96 K, Bi-2223 ma T c ≈ 108 K, a Bi-2234 ma T c ≈ 104 K. Ten ostatni element jest bardzo trudny do syntezy .

Druty i taśmy

W praktycznych zastosowaniach BSCCO jest prasowane metalem srebrnym w taśmę w procesie proszku w tubie

BSCCO był pierwszym materiałem HTS, który został użyty do wykonania praktycznych drutów nadprzewodzących. Wszystkie HTS mają wyjątkowo krótką długość koherencji , rzędu 1,6 nm. Oznacza to, że ziarna w drucie polikrystalicznym muszą mieć wyjątkowo dobry kontakt – muszą być atomowo gładkie. Ponadto, ponieważ nadprzewodnictwo występuje zasadniczo tylko w płaszczyznach miedź-tlen, ziarna muszą być wyrównane krystalograficznie. BSCCO jest zatem dobrym kandydatem, ponieważ jego ziarna można wyrównać albo przez obróbkę w stanie stopionym, albo przez odkształcenie mechaniczne. Podwójna warstwa tlenku bizmutu jest tylko słabo związana siłami van der Waalsa. Podobnie jak grafit lub mika , odkształcenie powoduje poślizg na tych płaszczyznach BiO, a ziarna mają tendencję do odkształcania się w wyrównane płytki. Ponadto, ponieważ BSCCO ma n = 1, 2 i 3 członków, mają one naturalną tendencję do dostosowywania się do granic ziaren o niskim kącie, tak że rzeczywiście pozostają atomowo gładkie. Tak więc przewody HTS pierwszej generacji (określane jako 1G) są produkowane od wielu lat przez firmy takie jak American Superconductor Corporation (AMSC) w USA i Sumitomo w Japonii, chociaż firma AMSC porzuciła obecnie przewód BSCCO na rzecz przewodu 2G na bazie YBCO . [ potrzebne źródło ]

Zazwyczaj proszki prekursorowe są pakowane w srebrną rurkę, którą następnie wytłacza się w celu zmniejszenia średnicy. Są one następnie przepakowywane w postaci wielu rurek w srebrną rurkę i ponownie wytłaczane w celu zmniejszenia średnicy, a następnie rozciągane w większym rozmiarze i zwijane w płaską taśmę. Ostatni krok zapewnia wyrównanie ziarna. Taśmy są następnie poddawane reakcji w wysokiej temperaturze, tworząc gęstą, wyrównaną krystalograficznie wielowłókienkową taśmę przewodzącą Bi-2223, odpowiednią do nawijania kabli lub cewek do transformatorów, magnesów, silników i generatorów. Typowe taśmy o szerokości 4 mm i grubości 0,2 mm obsługują prąd 200 A w temperaturze 77 K, co daje krytyczną gęstość prądu we włóknach Bi-2223 wynoszącą 5 kA/ mm2 . To znacznie wzrasta wraz ze spadkiem temperatury, tak że wiele zastosowań jest realizowanych w temperaturze 30–35 K, mimo że T c wynosi 108 K.

Aplikacje

Przesył energii elektrycznej:

Elektromagnesy i ich wyprowadzenia prądowe:

Odkrycie

BSCCO jako nowa klasa nadprzewodników została odkryta około 1988 roku przez Hiroshi Maedę i współpracowników z Narodowego Instytutu Badawczego Metali w Japonii, chociaż w tamtym czasie nie byli oni w stanie określić jego dokładnego składu i struktury. Niemal natychmiast kilka grup, a przede wszystkim Subramanian et al. w Dupont i Cava i in. w AT&T Bell Labs zidentyfikowano Bi-2212. Członek n = 3 okazał się dość nieuchwytny i został zidentyfikowany dopiero mniej więcej miesiąc później przez Tallona i in. w rządowym laboratorium badawczym w Nowej Zelandii. Od tego czasu wprowadzono tylko niewielkie ulepszenia tych materiałów. Kluczowym wczesnym osiągnięciem było zastąpienie około 15% Bi przez Pb, co znacznie przyspieszyło tworzenie i jakość Bi-2223.

Kryształowa komórka elementarna BSCCO-2212, składająca się z dwóch powtarzających się jednostek przesuniętych o (1/2,0,0). Inni członkowie rodziny BSCCO mają bardzo podobne struktury: 2201 ma o jeden CuO 2 mniej w górnej i dolnej połowie i nie ma warstwy Ca, podczas gdy 2223 ma dodatkową warstwę CuO 2 i Ca w każdej połowie.

Nieruchomości

BSCCO musi być domieszkowane dziurami przez nadmiar atomów tlenu ( x we ​​wzorze), aby uzyskać nadprzewodnictwo. Jak we wszystkich nadprzewodnikach wysokotemperaturowych (HTS), Tc jest wrażliwa na dokładny poziom domieszkowania: maksymalna Tc dla Bi-2212 (jak dla większości HTS) jest osiągana przy nadmiarze około 0,16 dziur na atom Cu . Nazywa się to optymalnym dopingiem. Próbki z niższym domieszkowaniem (a tym samym niższym Tc ) są generalnie określane jako niedomieszkowane, podczas gdy te z nadmiarem domieszkowania (również z niższą Tc ) są przedomieszkowane. Zmieniając zawartość tlenu, T c można zatem dowolnie zmieniać. Pod wieloma względami [ wyjaśnienie ] wymagane przedomieszkowane HTS są silnymi nadprzewodnikami, nawet jeśli ich Tc jest mniejsza niż optymalna, ale niedodomieszkowane HTS stają się wyjątkowo słabe. [ potrzebne źródło ]

Zastosowanie ciśnienia zewnętrznego na ogół podnosi Tc w niedomieszkowanych próbkach do wartości , które znacznie przekraczają maksimum przy ciśnieniu otoczenia. Nie jest to w pełni zrozumiałe, chociaż efektem wtórnym jest to, że ciśnienie zwiększa doping. Bi-2223 jest skomplikowany, ponieważ ma trzy odrębne płaszczyzny miedziowo-tlenowe. Dwie zewnętrzne warstwy miedziowo-tlenowe są zwykle bliskie optymalnemu domieszkowaniu, podczas gdy pozostała warstwa wewnętrzna jest wyraźnie niedomieszkowana. Tak więc zastosowanie ciśnienia w Bi-2223 powoduje wzrost Tc do maksimum około 123 K dzięki optymalizacji dwóch zewnętrznych płaszczyzn. Po dłuższym spadku, Tc ponownie wzrasta do 140 K z powodu optymalizacji płaszczyzny wewnętrznej. Kluczowym wyzwaniem jest zatem określenie sposobu jednoczesnej optymalizacji wszystkich warstw miedzi i tlenu.

BSCCO to nadprzewodnik typu II . Górne pole krytyczne Hc2 w próbkach polikrystalicznych Bi-2212 w temperaturze 4,2 K zostało zmierzone jako 200 ± 25 T (porównaj 168 ± 26 T dla próbek polikrystalicznych YBCO) . W praktyce HTS są ograniczone polem nieodwracalności H *, powyżej którego wiry magnetyczne topią się lub rozprzęgają. Mimo że BSCCO ma wyższe górne pole krytyczne niż YBCO, ma znacznie niższe H * (zwykle mniejsze o współczynnik 100), co ogranicza jego zastosowanie do wytwarzania magnesów o dużym polu. Z tego powodu przewodniki YBCO są preferowane niż BSCCO, chociaż są one znacznie trudniejsze do wytworzenia.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bismuth_strontium_calcium_copper_oxide&oldid=1140526828 ”