Structurasupraconductorilor cu temperature criticridicat

Braovean LaureniuFizic TehnologicAn IV

Cuprins

Introducere

Temperaturile critice ale Supraconductorilor

Clasificarea supraconductorilor cu temperature critice nalte

Tipuri de supraconductori

Structuri de supraconductori

Descoperiri noi

Bibliografie

2

Introducere

Supraconductorii au dou proprieti unice care i pot face din punctdevedere tehnologic foarte importani:

n primul rnd rezistena lorelectric nul permitetransportul de curent frpierderi.

In al doilea rndsupraconductorii resping tot fluxul magnetic din interiorullor i sunt expulzai de un cmpmagnetic.

3

Temperaturile critice ale Supraconductorilor

In 1908 KammerlingOnnes a reusit sa lichefiezeheliul, ceea ce a deschis drumul a numeroase experiente asupracomportamentului materialelor la temperatura joas.

n 1911 Onnes msurndvariaia conductivitii mercuruluin funcie de temperatur, a fostsurprins s constate c la 4,2 K rezistena se anuleaz brusc .

Timp de 20 de ani s-au pus n eviden mai mult de 20 de elemente metalice i de aliaje care pot prezenta fenomenul de supraconductibilitate.

4

Cercetrile inaugurate de Bednorz si Mller asupra roluluivalenelor mixte ale metalelor de tranziie i-au determinat pe acetias-i ndrepte atenia spre o nouaclas de compui, compuii oxidicisupraconductori.

Pornind de la compuiioxidici de cupru coninnd La i Ba, prin variaia raportului La3+ i Ba2+

au obinut pentru ceramica de tipul

LaMCuO, unde M=Ba, Sr, Ca la temperatura de 35 K fenomenul de supraconductibilitate.

In februarie 1987, nlocuindLa cuY a fost obinut Tc=90K.

Temperaturile critice ale Supraconductorilor

Faza supraconductoare a noului compus YBa2Cu3O7 (YBCO) cu deficit de oxigen avea structura perovskitic.

5

Clasificarea supraconductorilor cu temperature critice nalte

Aceast descoperire, n care temperatura de tranziie este deasupra temperaturiiazotului lichid (77K), a dus la apariia unei noi clase de supraconductori denumiisupraconductori de temperaturi nalte (HTS) care se pot clasifica in trei clase :

Compui oxidici necuprai cu structurperovskitic,de tipul BaBiO3.

Compuii oxidici cuprai perovskitici de tipul ABX3, din care fac parte sistemeleYBaCuO, BiSrCaCuO, TlBaSrCaCuO iHgBaSrCaCuO.

Compui oxidici cuprai cu structurpseudo-perovskitic de tipul A2BX4 din care fac parte compuii M2CuO4, cu M=Nb, Ce, Sr.

6

Structuri de supraconductori

7

Structura atomic determin legtura chimic i o serie de proprieti fizice. O mic schimbare n structur aduce adesea schimbri majore n proprietile electroniceale solidului. Investigarea structurii cristaline, influenele temperaturii, presiunii icompoziiei, joac un rol deosebit att n nelegerea mecanismului supraconductibiliti de temperatur nalt ct i n modalitilor posibile pentru obinerea de noi compui.

Pornind de la familiile perovskiilorABX3 i a pseudo-perovskiilor A2BX4 , unde A i B sunt cationi iar X este anion,structuraperovskiticn ABX3 este un cub n care atomii de tip A,ocup colurile cubului,atomii de tip B ocup centrul cubului (A i B sunt metalici), iar X ocup centrul feelor.

8Structura familiilor de cuprai conin plane CuO2 care sunt foarte importante,acestea formnd reele infinite, uni-,bi- sau tridimensionale.

Formulele generale sunt (AX)mBnX3n sau (AX)mBnX3n1, cu B = Cu. Din acestea se pot ndeprta civa atomi de tipul X = O, formndu-se locuri vacante de oxigen. O astfel deconstrucie permite conversia materialului ntr-un metal i un posibil supraconductor.

Reprezentarea schematic a modului de formare a reelei cristaline a compuilor YBa2Cu3O7n (n= 0 sau 1)care este un compus supraconductor cu deficit de oxygen .

9Atomul de ytriu are coordinaie de ordinul 8 i este situat n centrul uneiprisme, n timp ce atomul de bariu are coordinaie 10, cu doi atomi de oxigen lips. Atomii de cupru sunt situai n dou poziii neechivalente, astfel Cu(1) are coordinaieplanar,n care unitatea CuO2 formeaz lanuri pe direcia axei b, iar atomii Cu(2), au coordinaie piramidal CuO5, cu patru atomi de oxigen n plan (O(2) i O(3)) i unoxigen apical O(1).

Astfel apar planele 2D de CuO2 perpendiculare pe axa c, oxigenul fiind uordeplasat de la planul ideal.Atomii de oxigen din aceast structur prezint patru poziii O1a, O2b,O3b i O4c, i o poziie posibil O(5) la (1/2, 0, 0) care este goal de obicei la temperatura camerei.

Din studiile de difracie de neutroni, reiese c n compusulYBa2Cu3O7 (n=0) poziia O(4) este ocupat.

10

Odata cu creterea temperaturii, oxigenul este pierdut n mod constanti sistemul trece din faza ortorombic (supraconductoare) n cea tetragonal (normal).

n condiii normale faza ortorombic este stabil pentru 0

11

Structura fazei tetragonale depinde si de modul n care oxigenul este nlturat. Rcirea brusc la peste 500oC pstreaz faza tetragonal cu poziiile dezordonate ale oxigenului O(1) n planele Cu(1)-O(1) n timp ce nclzirea moderat, n vid, menine faza ortorombic pn la n=0.

n funcie de concentraia de oxigen (parametrul n) sunt posibile urmtoarele dou modificri ale fazei ortorombice: orto I n= 0 pentru YBa2Cu3O7 cu Tc = 93 K, dac lanurile Cu(1)-O(1) sunt golite alternativ orto II n= 0,5 pentru YBa2Cu3O6,5 cu Tc = 60 K,fazele sunt mai complicate n cazul n care lanurile umplute pe jumtate alterneaz cu lanuri umplute pe sfert.Din aceast cauz lanurile Cu(1)-O(1) joac un rol important n proprietile electronice ale supraconductibilitii.

La modul general, pentru compusul Y2Ba4Cu6+nO14+n, o sa avem nfuncie de parametrul n urmtoarele tipuri de structuri din sistemulYBaCuO: n = 0, Y2Ba4Cu6O14 2YBa2Cu3O7 Y123 cu Tc = 93K; n = 1, Y2Ba4Cu7O15 Y247 cu Tc = 45K; n = 2, Y2Ba4Cu8O16 2YBa2Cu4O8 n Y124 cu Tc = 80K.

Structura cristalin a compuilor BSCCO

12

Alt categorie important a clasei oxizilor perovkitici cuproi supraconductori este cea a structurilor din sistemul Bi-Sr-Ca-Cu-O. Aceti compui au formula general A2B2Can1CunO2n+4, unde A=Bi i B=Sr, i prezint treifaze supraconductoare n funcie de valoarea n (care d numrul planelor de CuO2):

Faza 2201 pentru n=1, avem Bi2Sr2CuO6 cu Tc < 23K;

Faza 2212 pentru n=2, avem Bi2Sr2CaCu2O8 cu Tc = 85K;

Faza 2223 pentru n=3, avem Bi2Sr2Ca2Cu3O10 cu Tc = 110K.

Caracteristica comun oxizilor supraconductori pe baz de bismut este structura lor stratificat. Fiecare strat este de tipul MO (M=Bi sau Sr), MO2 (M=Cu) sau M (M=Ca). Astfel, fiecare plan de cationi coine ioni de oxigen (aproape) n acelai plan, excepie facnd calciul.

13

n acest material ntlnim dou structuri comune: structura perovskitic de tipul (SrO CuO2 Ca CuO2 SrO) i structura de tip rock salt ce conine straturile duble de (BiO)-(BiO).n consecin cele trei faze supraconductoare pe baz de bismut conin straturi duble de BiO i 1, 2 sau 3 straturi consecutive de CuO2:

faza 2201 are un singur strat de CuO2 cu secvent de mpachetare BiO SrO CuO2 SrO BiO;

faza 2212 conine dou straturi de CuO2 cu secvent de mpachetare BiO SrO CuO2 Ca CuO2 SrO BiO;

faza 2223 conine trei straturi de CuO2 cu secvent de mpachetare BiO SrO CuO2 Ca CuO2 Ca CuO2 SrO BiO.

Descoperiri noi

14

Conform site-ului Superconductors.ORG , temperature critica a fost atinsa la 350K ,adica 77 Celsius, cu descoperireacompusului Tl7Sn2Ba2MnCu10O20+ . Aceasta temperatur critic extrem de ridicat, a fost obtinut prin inlocuirea cu mangan a atomilor de titan din compusul anunat in ianuarie 2014 ca fiind un supraconductor cu temperatura critica de 65 Celsius.

Aceasta substituire creste constanta dielectrica (K) a anionului din structura H212 cu doua ordine de marime.

V MULUMESC !

Bibliografie

15

Introducere n fizica supraconductorilor Caner V. Supraconductibilitate la temperaturi nalte (Simion Simon,

Mircea Crisan) Studies of High Temperature Superconductors: advances in

Research and Application

http://www.superconductors.org http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html http://www.apph.tohoku.ac.jp/low-temp-lab/e-

newmate.html