DE68925294T2 - Supraleitende Oxid-Materialien - Google Patents

Supraleitende Oxid-Materialien

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Description

  • Diese Erfindung betrifft supraleitende Oxidstoffe.
  • Im Zusammenhang mit durchgeführten und noch laufenden Experimenten und Untersuchungen wurde in jüngster zeit von Oxiden der YBaCuO Art als supraleitende Stoffe berichtet. Folglich hat sich erwiesen, daß diese Stoffe unbeständig sind und große Unterschiede zwischen den Ausgangs- und Abschlußtemperaturen der supraleitenden Zustände aufweisen. Außerdem ist der Kostenpunkt für diese Stoffe hoch, weil sie nennenswerte Anteile rarer Erdelementen enthalten; der Kostenpunkt dieser ist nicht nur hoch sondern ist gleichfalls nennenswerten Schwankungen ausgesetzt.
  • Anschließend wurden supraleitende Oxiden der SrBiCuO Art beschrieben, wie beispielsweise in Z. Phys.B - Condensed Matter, Ausg. 68, S.421-423 (1987); C. Michael u.a., "Superconductivity in the Bi-Sr-CuO System", Nr.5, 1. Februar 1988, S 5, R. Dagani, "New class of superconductors discovered".
  • Die grundsätzliche Zielsetzung dieser Erfindung liegt darinu verbesserte supraleitende Oxidstoffe zu vermitteln, insbesondere Oxidstoffe der SrBiCuO Art.
  • Überraschenderweise konnten wir feststellen, daß durch Modifikation der Zusammensetzung solcher Oxide, so daß diese anstelle von reinem Sr eine Mischung aus wenigstens einem Mg und Ca sowie wenigstens einem Sr und Bi enthalten sowie durch Auswahl von Mischungen, bei denen die atomaren Verhältnisse in einen festgelegten Bereich eines ternären Mischungsbildes fallen, Stoffe mit relativ hohen supraleitenden Sprungtemperaturen bezogen werden.
  • Laut dieser Erfindung wird ein supraleitender Oxidstoff bezogen, bestehend, wenigstens teilweise, aus ABiCuO, wobei A eine Mischung aus wenigstens einem Mg und Ca sowie wenigstens einem Sr und Ba darstelt, das atomare Verhältnis von A/Bi/Cu in einen fünfseitigen Bereich eines ternären Mischbildes von A, Bi und Cu fällt, das durch Punkte 3/2/3, 5/3/5, 6/3/5, 4/2/3 und 6/4/5 bestimmt wird und der Stoff eine supraleitende Sprungtemperatur über 84ºK aufweist.
  • Es ist festgelegtes Merkmal der Oxidstoffe dieser Erfindung, daß sie alkalische Erdmetallatome mit einem Ionenradius unter 0,1 nm, Mg und/oder Ca sowie alkalische Erdmetallatome mit einem Ionenradius über 0,1 nm, SR und/oder Ba enthalten. Dieses Merkmal vermittelt einen ausreichenden Atom-Atom-Abstand in der kristallischen Struktur und es wird davon ausgegangen, daß dieses Merkmal zu den vorteilhaften Eigenschaften des Materials führt.
  • Im Vorfeld der Entwicklung des Stoffes dieser Erfindung haben wir YBaCuO- artige Oxide untersucht. Wir konnten feststellen, daß die bevorzugten Oxide dieser Art mit atomarem Verhältnis von Y/BA/Cu von 1/2/3 (das s.g. 123-Verhältnis) eine Sprungtemperatur von über 90ºK aufweisen und der Temperaturunterschied bei fast 10ºK liegt, d.h. einem äußerst großen Unterschied. Wenn die Zusammensetzung des Oxids etwas modifiziert wird, um die Merkmale des Materials zu ändern, läßt sich feststellen, daß sich eine nicht wünschenswerte Unreinheitsphase bildet. Diese Nachteile sind den Oxidstoffen dieser Erfindung nicht eigen, wie aus der nachfolgenden Beschreibung der von uns durchgeführten Experimente hervorgeht.
  • In unserer EP-A-0331292, aus der dieser Antrag abgeleitet wurde, haben wir einen supraleitenden Oxidstoff beschrieben und beansprucht, der, wenigstens teilweise, aus ABiCuO besteht, wobei A eine Mischung aus wenigstens einem Mg und Ca und wenigstens einem Sr und Ba besteht, während das ABiCuO eine kristallische Phase bildet, in der das atomare Verhältnis von A/Bi/Cu größtenteils 3/2/2 ist und das Material eine supraleitende Sprungtemperatur über 77ºK aufweist. Nachfolgend beschreiben wir die Zubereitung einiger supraleitender Oxidstoffe dieser Art sowie einiger Stoffe gemäß dieser Erfindung und anderer Vergleichsstoffe. In der nachfolgenden Beschreibung werden Sprungtemperaturen und Temperaturunterschiede (dem Unterschied zwischen der Ausgangs- und der Abschlußtemperatur des supraleitenden Zustands) in ºK angegeben, während andere Temperaturen, d.h. Ausglüh- und Sintertemperaturen, in ºC angegeben werden.
  • Mischungen abgewogener Mengen von einem oder beiden Mangan- und Kalziumoxiden, einem oder beiden Strontium- und Bariumoxiden, Wismut- und Kupferoxid wurden so gebildet, daß sich atomare Verhältnisse A/Bi/Cu von 5/3/5 oder 3/2/2 sowie anderer A/Bi/Cu-Verhältnisse bildeten. Die Oxidstoffe wurden gründlich vermischt. Die Mischung wurde auf 800 bis 850ºC ausgeglüht, gemahlen, geformt und dann auf 830 bis 870ºC gesintert.
  • Die Zusammensetzung und Merkmale der bezogenen Stoffe sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Tabelle 1 Zusammensetzung Sprungtemperatur Temperatur unterschied Phase Einzel Plural
  • Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, hatten alle Zusammensetzungen mit A/Bi/Cu-Verhältnis von 5/3/5 oder 3/3/2 Temperaturunterschiede von 5ºK oder geringer sowie Sprungtemperaturen über 100ºK.
  • In weiteren Prüfungen wurden die Zusammensetzungen in Tabelle 1 einen Monat lang unter Bedingungen angehobener Temperatur und hoher Luiffeuchte (60º, 60%) gehalten und mit den YBaCuO-Stoffen verglichen, die unter den gleichen Bedingungen gehalten wurden. Am Ende dieser Frist ließ sich feststellen, daß sich die YBaCuO-Stoffe größtenteils zersetzt hatten und insgesamt weiß geworden waren, während sich die Zusammensetzungen aus Tabelle 1 als äußerst beständig erwiesen und nur geringfügiges Weißwerden verzeichneten.
  • Die Merkmale der Zusammensetzungen 2, 3, 4, 5 und 14 aus Tabelle 1 waren besonders gut; befriedigende Merkmale ließen sich gleichfalls für Zusammensetzungen 10, 11 und 12 verzeichnen, in denen ein Teil des primären alkalischen Erdelements Sr durch Ba (Zusammensetzung 10) und ein Teil der Elemente Sr und Ca jeweils durch Ba und Mg (Zusammensetzungen 11 und 12) ersetzt wurden.
  • Röntgenanalyse der Zusammensetzungen mit A/Bi/Cu-Verhältnissen von 3/2/3 und 5/3/5 zeigten, daß sie einen nennenswerten Anteil einer kristallischen Phase enthielten. Während diese kristallinische Phase weiter untersucht wird, lassen vorläufige Indikatoren darauf schließen, daß sie aus einer pseudotetragonalen Überstruktur mit einer Einheitszelle von 0,54 nm besteht. Angesichts dieser Feststellung und der Resultate einer Untersuchung mit einem Transmissions- Elektronenmikroskop läßt sich darauf schließen, daß sich das Kristall nominell als orthorhobmisch mit den Strukturkonstanten a = 0,54 nm, b = 0,54 x 5 = 2,7 nm und c = 1,53 x 2 = 3,06 nm ausdrücken läßt. Diese kristallinische Phase läßt sich auf der C- Ebene leicht spalten.
  • Eine weitere Anzahl von Zusammensetzungen der ABiCuO Art wurde auf gleiche Weise, wie oben beschrieben, hergestellt. Die gründlich vermischten Oxidstoffe wurden auf 800 bis 850ºC ausgeglüht, wonach die Mischung gemahlen, geformt und auf 850ºC gesintert wurde.
  • Die Zusammensetzungen und Merkmale der bezogenen Stoffe gehen aus Tabelle 2 hervor. Tabelle 2 Zusammensetzung Sprungtemperatur Temperaturunterschied Phase Feuchtigkeitswiderstand Einzel Plural Gut
  • Aus der Tabelle läßt sich erkennen, daß Zusammensetzungen 1-5, 9 und 10 einen Temperaturunterschied von 5ºK oder geringer sowie eine Sprungtemperatur im Bereich 80 bis 85º K hatten. Alle diese Zusammensetzungen hatten gleichfalls guten Feuchtigkeitswiderstand bei Prüfungen mit den gleichen Vorgangsweisen wie schon beschrieben, d.h. einen Monat bei 60ºC und 60% relativer Luftfeuchte.
  • Röntgenanalyse von Zusammensetzung 1 mit einem ABiCuO-Verhältnis von 3/2/2 deutet darauf hinu daß sie sich aus einer pseudotetragonalen Überstruktur mit einer Einheitszelle von 0,54 nm bildete. Angesichts dieser Feststellung und der Resultate einer Untersuchung mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop läßt sich darauf schließen, daß sich die kristallinische Phase nominell als orthorhobmisch mit den Strukturkonstanten a = 0,54 x 2 x 2 = 1,53 nm und b = c = 0,54 x 2 x 3 = 2,29 nm oder a = 0,54 nm, b = 0,54 x 5 = 2,7 nm, c = 1,53 x 2 = 3,06 nm ausdrücken läßt.
  • Eine dritte Reihe von Zusammensetzungen der ABiCuO Art wurde ergestellt. Abgewogene Mengen einer oder beider Mangan- und Kalziumoxiden, einem oder beiden Strontium- und Bariumoxiden, Wismuth- und Kupferoxiden, wurden zum Bilden einer Mischung kombiniert, in der das A/Bi/Cu-Verhältnis ungefähr bei 3/2/2 lag - dabei handelt es sich um Mischungen A. Mischungen abgewogener Mengen alkalischer Erdmetall- und Kupferoxiden wurden gleichfalls erstelltu bei denen das A/Bi/Cu-Verhältnis bei 1/0/2 lag - hierbei handelt es sich um Mischungen B. Abgewogene Menge von Mischungen A und B wurden kombiniert und die resultierenden Mischungen gründlich vermischt. Die Zusammensetzungen wurden auf 800 bis 850ºC ausgeglüht, gemahlen, geformt und dann für 6 Stunden auf 850ºC gesintert, auf 820ºC gehalten und dann langsam in Schritten von 50ºC/h abgekühlt.
  • Die Zusammensetzungen und Merkmale der so bezogenen Stoffe gehen aus Tabelle 3 hervor. Zusammensetzung Sprungtemperatur Temperaturunterschied
  • Anhand der Tabelle läßt sich feststellen, daß alle Zusammensetzungen einen Temperaturunterschied von 6ºK oder geringer aufwiesen und daß alleu mit Ausnahme von Zusammensetzung 5, Sprungtemperaturen über 100ºK hatten, wobei die höchste Sprungtemperatur, nämlich 112ºK, von Zusammensetzung 3 verzeichnet wurde, in der das A/Bi/Cu-Verhältnis bei 2/1/2 lag.
  • Alle diese Zusammensetzungen hatten gleichfalls guten Feuchtigkeitswiderstand bei Prüfungen mit den gleichen Vorgangsweisen wie schon beschrieben, d.h. einen Monat bei 60ºC und 60% relativer Luftfeuchte.
  • Eine Röntgenanalyse von Zusammensetzung 3 zeigteu daß sie zwei Kristallphasen enthielt. Die erste setzte sich aus Material mit einem A/Bi/Cu-Verhältnis von 3/2/2 und das zweite aus Material mit einem A/Bi/Cu-Verhältnis von 1/0/2 zusammen. Diese Phasen waren in gleichen Mengen vorhanden, so daß die Gesamtzusammensetzung ein Verhältnis von 4/3/4, d.h. 2/1/2 hatte. Die Röntgenanalyse deutet an, daß die erste (3/2/2) Phase aus einer pseudotetragonalen Überstruktur mit einer Einheitszelle von 0,54 nm bestand. Angesichts dieser Feststellung und der Resultate einer Untersuchung mit einem Transmissions- Elektronenmikroskop läßt sich darauf schließen, daß sich die kristallinische Phase nominell als orthorhobmisch mit den Strukturkonstanten a = 1,53 nm, b = c = 2,29 nm oder a = 0,54 nm, b = 2,7 nm, c = 3,06 nm ausdrücken läßt.
  • Die zweite Phase bestand aus Ca, Cu 203. Die zwei kristallinischen Phasen wurden übereinander gelagert, d.h. sie bildeten abwechselnde Schichten in einer Sandwichanordnung und bildeten eine dünne Trennschicht in den gesinterten Partikeln der Zusammensetzung. Es ist eine mathematische Forderung, daß die spezifischen Merkmale dieses Stoffes auf das Phänomen zurückzuführen ist, daß an der Schnittstelle beider Kristallphasen auftritt.
  • Mehrfache, abwechselnde Schichten dieser Phasen werden künstlich durch Magnetronsputtern von Mischungen A und B oben erzeugt, aus denen Zusammensetzung 3 in Tabelle 3 bestehtu d.h. Mischungen mit Verhältnissen von jeweils 3/2/2 und 1/0/2. Das Magnetronsputtern wurde unter Verwendung von Mischung A und Mischung B durchgeführt. Dünner Filme beider wurden in einer Edelgasatmosphäre von 4% Sauerstoff abwechselnd auf ein Substrat aufgelegt, während die Substrattemperatur auf 550ºC gehalten wurde.
  • Mehrere Prüflinge wurden zubereitet, bei denen die Stärke der einzelnen Schichten zwischen 20 und 100 nm variierten. Die Mehrzahl der Prüflinge hatte eine Sprungtemperatur von 100ºk oder höheru obwohl eine kleiner Menge Sprungtemperaturen, wahrscheinlich wegen Anwesenheit einer Unreinheitsphase, von ca. 80ºK aufwiesen.
  • Da die Dispositionstemperatur niedrig gehalten wurde, wird angenommen, daß es zu geringer interlaminarer Diffusion gekommen ist, was durch elektronenmikroskopische Untersuchung der Schnitte der Prüflinge nachgewiesen wurde.
  • Festgestellt wurde, daß optimale Leistung bei einem Dickeverhältnis von größtenteils 1/1 realisiert wurde.
  • Aus dem Geschilderten läßt sich erkennen, daß die supraleitenden Stoffe laut dieser Erfindung hohe Sprungtemperaturen (generell über 100ºK), geringe Temperaturunterschiede (allgemein ca. 5ºK oder geringer), guten Feuchtigkeitswiderstand, einen breiten, soliden Lösungsbereich sowie bestechende Beständigkeit und Wiederholbarkeit aufweisen. Sie lassen sich auf breiter Basis in Supraleitapplikationen verwenden.

Claims (1)

1. Ein supraleitender Oxidstoff, bestehend aus wenigstens ABiCuO, wobei A eine Mischung aus wenigstens einem Mg und Ca und wenigstens einem Sr und Ba bestehtv während das atomare Verhältnis von A/Bi/Cu in einen fünfseitigen Bereich eines ternären Zusammensetzungsbildes von A, Bi und Cu fällt, das durch die Punkte 3/2/3, 5/3/5, 6/3/5, 4/2/3 und 6/4/5 bestimmt wird und das Material eine supraleitende Sprungtemperatur über 84ºK aufweist.
DE68925294T 1988-02-05 1989-02-03 Supraleitende Oxid-Materialien Revoked DE68925294T2 (de)

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