DE68913749T2 - Supraleitende metalloxid-zusammensetzungen. - Google Patents

Supraleitende metalloxid-zusammensetzungen.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue supraleitende Zusammensetzung, die eine kristalline Metalloxid-Phase in dem Bi-Sr-Y-Cu-O-System umfaßt.
    • Literaturangaben
  • Bednorz und Muller, Z. Phys. B64, 189 (1986) offenbaren eine supraleitende Phase in dem La-Ba-Cu-O-System mit einer Supraleitungs-Übergangstemperatur von etwa 35 K. Diese Offenbarung wurde anschließend von einer Reihe von Forschern bestätigt [siehe beispielsweise Rao und Ganguly, Current Science 56, 47 (1987), Chu et al., Science 235, 567 (1987), Chu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 405 (1987), Cava et al., Phys. Rev. Lett. 58, 408 (1987), Bednorz et al., Europhys. Lett. 3, 379 (1987)]. Die supraleitende Phase wurde als die Zusammensetzung La1-x(Ba,Sr,Ca)xCuO4-y mit der tetragonalen Struktur des K&sub2;NiF&sub4;- Typs identifiziert, worin x typischerweise etwa 0,15 ist und y Sauerstoff-Leerstellen bezeichnet.
  • Wu et al., Phys. Rev. Lett. 58, 908 (1987), offenbaren eine supraleitende Phase im Y-Ba-Cu-O-System mit einer Supraleitungs- Übergangstemperatur von etwa 90 K. Cava et al., Phys . Rev. Lett. 58, 1676 (1987), haben diese supraleitende Y-Ba-Cu-O-Phase als orthorhombischen, verzerrten, ein Sauerstoff-Defizit aufweisenden Perowskit YBa&sub2;Cu&sub3;O9-δ identifiziert, worin δ ewa 2,1 ist, und präsentieren das Röntgenbeugungs-Pulverdiagramm und die Gitter-Parameter.
  • C. Michel et al., Z. Phys. B - Condensed Matter 68, 421 (1987), offenbaren eine neue Familie supraleitender Oxide in dem Bi-Sr-Cu-O-System mit einer Zusammensetzung nahe bei Bi&sub2;Sr&sub2;Cu&sub2;O7+δ. Eine reine Phase wurde für die Zusammensetzung Bi&sub2;Sr&sub2;Cu&sub2;O7+δ isoliert. Das Röntgenbeugungs-Diagramm für dieses Material zeigt eine gewisse Ähnlichkeit mit demjenigen von Perowskit, und das Elektronenbeugungs-Diagramm zeigt die Perowskit-Unterzelle mit den orthorhombischen Zell-Parametern a = 5,32 Å (0,532 nm), b = 26,6 Å (2,66 nm) und c = 48,8 Å (4,88 nm). Das aus ultrareinen Oxiden hergestellte Material hat einen Supraleitungs-Übergang mit einem Mittelpunkt von 22 K, bestimmt aus Widerstands-Messungen, und einen Widerstand von Null unter 14 K. Das aus Oxiden technischer Qualität hergestellte Material hat einen Supraleitungs-Übergang mit einem Mittelpunkt von 7 K.
  • H. Maeda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 27, L209 (1988), offenbaren ein supraleitendes Oxid in dem Bi-Sr-Ca-Cu-O-System mit der ungefähren Zusammensetzung BiSrCaCu&sub2;Ox und einer Supraleitungs- Übergangstemperatur von etwa 105 K.
  • Die übertragene, am 8. Februar 1988 eingereichte Anmeldung "Superconducting Metal Oxide Compositions and Process for Making Them", S.N. 153 107, eine teilweise Fortführung (Continuation- In-Part) der am 4. Februar 1988 eingereichten Anmeldung S.N. 152 186, offenbart supraleitende Zusammensetzungen der nominellen Formel BiaSrbCacCu&sub3;Ox, worin a etwa 1 bis etwa ist, b etwa 3/8 bis etwa 4 ist, c etwa 3/16 bis etwa 2 ist und x = (1,5 a + b + c + y), worin y etwa 2 bis etwa 5 ist, mit der Maßgabe, daß b + c etwa 3/2 bis etwa 5 ist, wobei die Zusammensetzungen Supraleitungs-Übergangstemperaturen von etwa 70 K oder darüber haben. Sie offenbart auch die supraleitende Metalloxid- Phase mit der Formel Bi&sub2;Sr3-zCazCu&sub2;08+w, worin z etwa 0,1 bis etwa 0,9, vorzugsweise 0,4 bis 0,8 ist und w größer als Null, jedoch kleiner als etwa 1 ist. M.A. Subramanian et al., Science 239, 1015 (1988) offenbaren auch den Supraleiter Bi&sub2;Sr3-zCazCu&sub2;08+w.
  • T. Tamegai et al., Jpn. J. Appl. Phys. 27, L1074 (1988), offenbaren, daß Bi&sub2;Sr&sub2;YCu&sub2;O8,5 nicht ein Supraleiter, sondern stattdessen ein Halbleiter ist.
  • A. Manthiram et al., Appl. Phys. Lett. 53, 420 (1988) offenbaren die Ergebnisse einer Studie der Zusammensetzungen Bi&sub4;Sr&sub3;Ca3-xYxO16+δ. Proben mit 0,0 ≤ x ≤ 1,1 sind Supraleiter; diejenigen mit x 1,25 sind Halbleiter. Tc bleib in dem Bereich der Zusammensetzungen 0,0 ≤ x ≤ 0,5 nahezu konstant bei 86 K und fällt dann abrupt und monoton mit x für x > 0,5, wobei der Wart bei x von etwa 1,15, extrapoliert, Null ist.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung macht neue supraleitende Zusammensetzungen der nominellen Formel Bi&sub2;Sr3-xYxCu&sub2;O8+y verfügbar, worin x etwa 0,05 bis etwa 0,45 ist und y etwa 0 bis etwa 1 ist. Der Mittelpunkt des Übergangs zur Supraleitfähigkeit dieser Zusammensetzungen beträgt wenigstens 60 K.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Figur 1 zeigt eine Auftragung des Ausschlusses des Flusses durch eine Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung als Funktion der Temperatur.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die supraleitenden Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung können mittels des folgenden Verfahrens hergestellt werden. Mengen der Oxid-Reaktionspartner oder ihrer Vorstufen werden mit Atom-Verhältnissen Bi : Sr : Y : Cu von 2 : 3 - x : x : 2, worin x etwa 0,05 bis etwa 0,45 beträgt, ausgewählt und vermischt, beispielsweise dadurch, daß sie zusammen in einem Mörser verrieben werden. Das Pulvergemisch kann dann direkt erhitzt werden, oder es kann zuerst zu einem Pellet oder einem anderen Formgegenstand geformt und dann erhitzt werden. Das Pulver oder Pellet wird in einen Tiegel aus einem nicht-reaktionsfähigen Metall wie Gold gefüllt. Der Tiegel wird dann in einen Ofen gestellt und etwa 3 h oder mehr auf etwa 850 ºC bis etwa 925 ºC erhitzt. Dann wird die Energie des Ofens abgeschaltet, und der Tiegel wird in dem Ofen auf die Temperatur der Umgebung, etwa 20 ºC, abgekühlt. Der Tiegel wird dann aus dem Ofen entfernt, und das schwarze Produkt wird isoliert.
  • Wenn die Mengen der Reaktionspartner so gewählt werden, daß x etwa 0,3 bis etwa 0,4 ist, bildet das Produkt eine einzige Phase. Supraleitende Zusammensetzungen der vorliegenden Erfindung entsprechend kleineren Werten für x als 0,3 werden von dieser supraleitenden Phase umfaßt.
  • Die Supraleitfähigkeit kann durch die Beobachtung das Ausschlusses des magnetischen Flusses, d.h. den Meissner-Effekt, bestätigt werden. Dieser Effekt kann mittels der Methode gemessen werden, die in einem Artikel von E. Polturak und B. Fisher in Physical Review B, 36, 5586 (1987), beschrieben ist.
  • Die supraleitenden Zusammensetzungen der vorliegencten Erfindung können dazu benutzt werden, den Strom äußerst wirksam zu leiten oder ein magnetisches Feld für magnetische Abbildungen zu medizinischen Zwecken bereitzustellen. Auf diese Weise kann man durch Kühlen der Zusammensetzung in Form eines Drahts oder Stabes auf eine Temperatur unterhalb der Supraleitungs-Übergangstemperatur Tc in einer Weise, die Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt ist, und Einleiten des Flusses eines elektrischen Stroms einen solchen Fluß ohne irgendwelche Verluste durch einen elektrischen Widerstand erhalten. Zur Bereitstellung außergewöhnlich hoher magnetischen Felder mit minimalen Energie-Verlusten könnte der zuvor erwähnte Draht in Form einer Spule gewickelt werden, die unter Tc gekühlt wird, bevor irgendein Strom in der Spule induziert wird. Solche Felder können dazu benutzt werden, Gegenstände selbst von der Größe von Eisenbahn-Waggons zum Schweben zu bringen. Diese supraleitenden Zusammensetzungen sind auch in Josephson-Vorrichtungen wie SQUIDS (superconducting quantum interference devices) und in Instrumenten, die auf dem Josephson-Effekt beruhen, wie Hochgeschwindigkeits-Abtastschaltungen und Spannungs-Standards brauchbar
    • BEISPIELE DER ERFINDUNG BEISPIELE 1 - 4, EXPERIMENTE A - B
  • Zusammensetzungen entsprechend x = 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 und 0,8 in der Formel Bi&sub2;Sr3-xYxCu&sub2;O8+y wurden durch 30 min Verreiben der in der Tabelle I für jedes Beispiel und jedes Experiment angegebenen Mengen Bi&sub2;O&sub3;, SrO&sub2;, Y&sub2;O&sub3; und CuO in einem Achat-Mörser hergestellt. Pellets von 10 mm Durchmesser und etwa 3 mm Dicke wurden aus diesem Pulver-Gemisch für jede Zusammensetzung gepreßt. Jedes der Pellets wurde in einen Tiegel aus Gold gebracht. Der Tiegel wurde in einen Ofen gebracht und mit einer Geschwindigkeit von 5 ºC/min auf 900 C erhitzt und dann 24 h auf 900 ºC gehalten. Dann wurde die Energie-Zufuhr des Ofens abgeschaltet, und der Tiegel wurde in dem Ofen auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Der Tiegel wurde dann dem Ofen entnommen, und das schwarze Produkt wurde isoliert.
  • Die Röntgenbeugungs-Pulverdiagramme des Produkts jedes Beispiels zeigten, daß dann, wenn x 0,3 und 0,4 ist, dar Produkt im wesentlichen aus einer einzigen Phase besteht. Wenn x 0,1 und 0,2 ist, enthält das Produkt andere Phasen sowie die Phase, die nachgewiesen wurde, wenn x 0,3 und 0,4 ist. Die Röntgen-Daten wurden an einer pseudotetragonalen Einheits-Zelle indiziert, und die Gitter-Parameter sind in der Tabelle II angegeben.
  • Messungen des Meissner-Effekts wurden durchgeführt, und die Temperatur des Mittelpunkts des Supraleitfähigkeits-Übergangs sind in der Tabelle II aufgeführt. Die Ergebnisse für Beispiel 3, x = 0,3, sind in der Figur 1 dargestellt, worin der Ausschluß des Flusses als Funktion der Temperatur dargestellt ist. Die Produkte der Experimente A und B, x = 0,5 und x = 0, 8, waren bei so niedrigen Temperaturen wie 4,2 K nichtsupraleitend. Tabelle I Beispiel Bi&sub2;O&sub3;, g SrO&sub2;, g Y&sub2;O&sub3;, g CuO, g Experiment Tabelle II Gitter-Parameter Beispiel Experiment

Claims (6)

1. Supraleitende Zusammensetzung der nominellen Formel
Bi&sub2;Sr3-xYxCu&sub2;O8+y
worin
x etwa 0,05 bis etwa 0,45 ist und
y etwa 0 bis etwa 1 ist,
wobei die Zusammensetzung eine Übergangstemperatur der Supraleitung von wenigstens 60 K hat.
2. Supraleitende Zusammensetzung nach Anspruch 1, worin x etwa 0,3 bis etwa 0,4 ist, wobei die Zusammensetzung im wesentlichen einphasig ist.
3. Supraleitende Zusammensetzung nach Anspruch 2, worin x etwa 0,3 ist.
4. Supraleitende Zusammensetzung nach Anspruch 2, worin x etwa 0,4 ist.
5. Verfahren zum Leiten eines elektrischen Stromes innerhalb eines Leiter-Materials ohne elektrische Widerstands-Verluste, umfassend die Schritte des Abkühlens eines aus einer Zusammensetzung des Anspruchs 1 bestehenden Leiter-Materials auf eine Temperatur unterhalb von Tc der Zusammensetzung; des Veranlassens eines elektrischen Stromflusses im Inneren des Leiter-Materials, während dieses Material unterhalb der angegebenen Temperatur gehalten wird.
6. Verbesserte Josephson-Effekt-Vorrichtung, worin das supraleitende Material die Zusammensetzung des Anspruchs 1 umfaßt.
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