Высокотемпературная сверхпроводимость 2 (стр. 1 из 7)
Зміст.
Вступ..........................................................................................................2
Розділ І. Огляд літератури......................................................................3
1.1. Високотемпературні надровідники..................................................3
1.2. НВЧ властивості плівок ВТНП
1.3. Поняття поверхневого імпедансу................................................5
1.4. Залишковий поверхневий НВЧ опір..........................................9
1.5.
1.6. Поведінка тонких плівок ВТНП у магнітному полі. Модель Коффі - Клема.............................................................................13
Розділ ІІ. Методична частина...............................................................18
2.1. Методика вимірювання поверхневого імпедансу і аналіз вимог до вимірювальних резонаторів......................................................
2.2. Атестація плівок по НВЧ втратам...........................................18
2.3. Опис експерементальної установки..........................................20
Висновки.................................................................................................25
Література..............................................................................................26
Вступ.
Відкриття у 1986 році високотемпературної надпровідності та нового класу металооксидних надпровідників дало потужний поштовх дослідженням в цій області. Досягнуте в 1987 році підвищення критичної температури до Т>90К створило принципово нові можливості для надпровідникової електроніки. Практичне використання надпровідників для створення НВЧ пристроїв дозволяє одержувати унікальні показники характеристик (добротності,чутливості, швидкодії,затухання та інших),які не можливо отримати при використанні звичайних металевих провідниів.
Для успішного дослідження високотемпературних (ВТНП) матеріалів,особливо при відсутності задовільних теоретичних моделей процесів,що в них відбуваються, велике значення має створення по можливості більш точних методів і засобів вимірювання їх характеристичних параметрів,із яких одним з основних являється поверхневий імпеданс на НВЧ. Його активна компонента характеризує співвідношення спарених і одиничних носіїв заряду , а уявна компонента- глибину проникнення магнітного поля в ВТНП , а значить , довжину корреляції і вільного пробігу спарених електронів.
Із можливих методів вимірювання поверхневого імпедансу найменшу похибку мають резонансні методи, оскільки вони побудовані на основі вимірювань частоти і фази, похибка в визначенні яких значно менша, ніж при амплітудних вимірюваннях.
РОЗДIЛ I. Огляд літератури.
1.1. Високотемпературні надпровідники.
В даний час до високотемпературних надпровідників ( ВТНП) відносяться з’єднання, які основані на оксидах міді і мають температуру надпровідного переходу в області азотних температур.. Зараз відомо більше двох десятків високотемпературних надпровідників, які є купратами різних металів. По основному металу вони відповідно називаються ітриєвими (наприклад, YBa2Cu3O7-d, Тс»90К ), вісмутовими ( Bi2Sr2CaCu2O8, Тс»95К ), талієвими (Tl2Ba2CaCu2O8, Тс»110К ), ртутними (HgBa2CaCu2O8, Tc»125K ) ВТНП.
Практично всі ВТНП мають слоїсту структуру типу перовскіта з площинами із атомів Cu і O. На рис1.1.1 показана структура типового широко розповсюдженого високотемпературного надпровідника - ітриєвого з’єднання YBa2Cu3O7-d.
 |
Рис.1. Кристалографічна структура YBa2Cu3O7-d.
Результати багаточисленних експерементів підтверджують припущення , що площини з киснем є основним об’єктом в кристалографічній гратці, вони відповідають як за провідність цих оксидних з’єднань, так і за винткнення в них надпровідності при високих температурах.
Високотемпературні надпровідники є типовими представниками надпровідників ІІ роду з дуже великим співвідношенням лондоновської довжини до довжини когерентності - порядку де-кількох сотень. Тому друге критичне поле Нс2 має дуже високе значення. На приклад, у Ві 2212 воно становить примірно 400Тл, а Нс1 рівне де-кільком сотням ерстед ( в залежності від орієнтацій поля відносно кристала ).
В монокристалах високотемпературних надпровідників в магнітних полях, більше Нс1, спостерігається вихрьова структура, подібна тій, що раніше була знайдена в традиційних надпровідниках ІІ роду.
Для більшості ВТНП характерна сильна анізотропія, що призводить до дуже незвичного характеру залежності магнітного момента цих речовин від величини поля у випадку, коли поле нахилено до основних кристалографічних осей. Суть ефекту полягає в тому, що внаслідок значної анізотропії вихрьовим лініям спочатку енергетично вигідно розміщуватись між шарами CuO2 в площині (ab) ( в площині шарів ) і лиш потім, після перевищення де-якого поля, починають пронизувати ab-площини.
| З’єднання | ТС, К | Кількість CuO-шарів | la,b, нм | lt, нм | x a,b, нм | xlt, нм |
| La1.85Sr0.15CuO4 | 40 | 1 | 80 | 430 | 3,7 | 0,7 |
| YBa2Cu3O7 | 95 | 2 | 27 | 180 | 3,1 | 0,4 |
| Bi2Sr2CaCu2O8 | 95 | 2 | 25 | 500 | 3,8-1,8 | 0,2 |
| Bi2Sr2Ca2Cu3O10 | 115 | 3 | <25 | >500 | 3,0 | <0,2 |
Таб.1.1.1. Параметри ВТНП-матеріалів
Із-за малої довжини когерентності x»( 1-30 )A вихрі слабо закріплені на дефектах зразка і можуть легко переміщатися по ньому як і при пропусканні через зразок струму, так і при наявності інгрідієнта температури. Рис.1.13 служить якісною ілюстрацією механізма руху вихрів. Потенціальний рельєф для вихрів у зразку визначає силу пінінга (рис.1.13 а).
Рис.1.1.3. Схематичне зображення потенціального рельєфу, який призводить до пінінгу і його зміна при протіканні струму через зразок.
Якщо через зразок пропускати струм, то із-за сили Лоренца [ J´B ], яка діє на вихрі потенціальний рельєф зміниться (рис.1.1.3 б і в). При критичному струмові Jc всі вихві починають вільно рухатись по зразку, тобто пінінг в цьому випадку відсутній. Однак при кінечній температурі існує ймовірність руху вихрів і при J< Jc. Дійсно, ймовірність проникнення вихрів через бар’єр висотою U
W = W0 exp ( -U / kT ). (1.1.1)
При наявності струму
U = U0 ( 1 - J / Jc ), (1.1.2)
і тому
(1.1.3)Вирішуючи цей вираз відносно J, отримуємо
. (1.1.4)Таким чином, якщо в надпровіднику ІІ роду з пінінгом можливий надпровідний струм, то він буде затухати з часом. В традиційних надпровідниках U0/kT велике, і цей ефект практично відсутній. В ВТНП величина U0/kT»0,1, і рух вихрів легко спостерігати.
Цей ефект легко спостерігається шляхом вимірювання часової залежності встановлення стану рівноваги магнітного моменту після різкої зміни зовнішнього магнітного поля або температури. Швидкість релаксації намагнічення в ВТНП може коливатись від декількох секунд до десятків годин в залежності від температури.
Перші ВТНП були отримані спіканням відповідних хімічних елементів з послідуючим відпалом в атмосфері кисня. В результаті отримується керамічний сплав, який складається з спечених гранул. Тому такі ВТНП називають керамічними або гранулярними. Характерний розмір складає біля 10 мкм. Перші експеременти проводились саме на таких керамічних зразках, і лише потім навчилися вирощувати монокристалічні зразки, що до цього є досить важкою технологічною задачою. Гранулярні надпровідники представляють собою середовище з слабкими джозефсоновськими зв’язками, які визначають незвичайні його електродинамічні властивості.
1.2. НВЧ властивості плівок ВТНП.
Основою феноменологічної моделі, котра широко застосовується при розрахунках поверхневого опору на НВЧ, є двухрідинна модель надпровідника. В рамках цієї моделі зв’язок струму і поля має вигляд
(1.2.1)де
, 
, 
(1.2.2)nN i nS - концентрація носіїв при Т<Tc.
Для полів, які міняються по гармонічному закону, використання рівнянь Максвела разом з (1.2.1-1.2.2) дозволяє ввести ефективну діелектричну проникність середовища
. (1.2.3)Тут e¢ - відносна діелектрична проникність кристалічної гратки; lL - лондонівська глибина проникнення [ 14 ]. Для аналізу електродинаміки надпровідника потрібно визначити хвильвий опір W i хвильове число k для плоскої хвилі, яка розповсюджується в надпровіднику. В випадку розповсюдження хвилі в вакуумі
, 
.Підставляючи сюди замість e0 співвідношення (1.2.3) для eeff і опускаючи в ньому член, який містить e¢, отримаємо