ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

Кафедра физики твердого тела

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по курсу «Физика низких температур»

для студентов направления 140400 «Техническая физика»

очной формы обучения

Воронеж 2008

Составитель канд. физ.-мат. наук Н. А. Андреева.

УДК 530.1

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физика низких температур» для студентов направления 140400 «Техническая физика» очной формы обучения / ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"; сост. Н.А. Андреева. Воронеж, 2008. 52 с.

В методических указаниях кратко приводится теоретический материал по темам, изучаемым в лабораторных работах, описание экспериментальных стендов для изучения поведения твердых тел в области низких температур. Приведен примерный список контрольных вопросов, рекомендуемая литература.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 140400 «Техническая физика».

Предназначено для студентов третьего курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе Microsoft Word 97 и содержатся в файле ФНТ 1. doc.

Ил. 1. Библиогр.: 5 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук доц. В. А. Юрьев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ГОУВПО«Воронежский

государственный технический университет», 2008

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по курсу «Физика низких температур»

для студентов направления 140400 «Техническая физика»

очной формы обучения

Составитель

Андреева Наталья Александровна

В авторской редакции

Подписано к изданию 08.12. 2008.

Уч.-изд. л. 3,2. «С»

ГОУВПО "Воронежский государственный

технический университет"

394026 Воронеж, Московский просп., 14

ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

СПРАВОЧНИК МАГНИТНОГО ДИСКА

(кафедра физики твердого тела)

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Физика низких температур» для студентов специальности 140400 «Техническая физика»

очной формы обучения

Составитель: Н. А. Андреева

ФНТ 1. doc 523 КБ 08.12.2008 3,2 уч.-изд. л.

(наименование файла) (объем файла) (дата) (объем издания)

Лабораторная работа № 1 высокотемпературные сверхпроводники. Керамическая технология их изготовления

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Познакомиться с одной из распространенных технологий получения высокотемпературных сверхпроводников и научиться изготовлять образцы YB₂Cu₃O₇-.

2. ОБОРУДОВАНИЕ. Исходные ингредиенты BaCO_3, CuO, Y₂O₃, аналитические весы типа WА33, агатовая ступка с пестиком, керамическая ступка, ручной гидравлический пресс, пресс-форма, муфельная печь типа СНОЛ 1625V или типа МП-2УМ, баллон с сжатым воздухом, редуктор.

3. ТЕОРИЯ. В 1980-х годах ряд ученых обратились к новому классу материалов, где при низкой плотности состояний N (O) существует сильная связь и высокие критические температуры Тк могли быть получены в соединениях с большой величиной электрон-фононного взаимодействия <q²>. В исследованных металлах с высокой плотностью электронов матричный элемент электрон-фононного взаимодействия (q) ослаблен за счет сильной экранировки и не может иметь больших значений. Учитывая это обстоятельство, Беднорц и Мюллер обратили внимание на оксидные сверхпроводники. Благодаря сильной поляризуемости ионов кислорода и слабой экранировке кулоновского взаимодействия из-за низкой плотности носителей в них, можно было ожидать сильной электрон-фононной связи.

Беднорц и Мюллер в январе 1986г. в соединениях с барием обнаружили резкое уменьшение сопротивления при 35К. Впоследствии было подтверждено наличие сверхпроводящего перехода в металлооксидах L-М-Сu-О, где М=Bа, Sr, Са. В 1987г., группой Чу и группой Ву, заменившими лантан на иттрий (Y), были получены многофазные керамические образцы с Т_к90К. Сверхпроводящая фаза этого соединения имеет структуру слоистого перовскита YB₂Cu₃O₇- с дефицитом по кислороду.

Основным достоинством новых сверхпроводников явилось то, что был сменен хладоагент с жидкого гелия и водорода на значительно более дешевый азот, температура кипения которого составляет 77К. Это и позволило назвать новые сверхпроводники высокотемпературными (ВТСП).

Основные типы высокотемпературных сверхпроводников представлены в таблице №1.

Таблица №1

Высокотемпературные сверхпроводники

Исходное соединение	Сверхпроводящий оксид	Тк (макс) К
Lа2Cu3O4 BаBiO3	Трехкомпонентные соединения Lа2-х BаCu04 Bа1-x Кх BiO3	36 30
R Bа2Cu3O6+x R=Y,Lа,Nd,Sm	Четырехкомпонентные соединения Y Bа2Cu3O7- YBа2Cu3,5O8-	102 87
BiRSrCuO TRBа CuO	Пятикомпонентные соединения BiCаSrCuO 2021,2122,2223 TCа BаCuO 2021,2122,2223	110 125

В данной работе выбран четырехкомпонентный сверхпроводник YBà₂Cu₃O_7- , т.е. с соотношением компонент 1:2:3. Физические свойства его меняются в широких пределах без существенного изменения структуры при изменении содержания кислорода.

Структура Y Bà₂Cu₃O_7-. Исходное соединение YBа₂Cu₃O_7- наблюдается в двух модификациях: в орторомбической фазе и в тетрагональной фазе, элементарные ячейки которых, содержащих одну формульную единицу, показаны на рис.1. Основные структурные параметры в орторомбической фазе (при комнатной температуре) следующие (в А): постоянные решетки: а =3,828; b=3,888; с=11,65; длины связей: Cul-O1~Cu1-O4=1,94; Cu2-O2=1,92; Cu2-O3=1,96; Cu2-O4=2,3. Длина связей Cu -O для ближайших к меди четырех ионов кислорода как в плоскости, Сu2-О2,О3, так и в цепочках, Сu1-01-04, примерно одинаковы и соответствуют длинам связей в плоскости СuО₂ для соединений LMCO. Расстояние же Сu2-04 в пирамиде CuO₅ меньше соответствующего расстояния Сu-О2 вдоль оси z в LMCO, что может играть определенную роль в повышении Т_с в YBCO соединениях по сравнению с LMCO. Это расстояние Сu2-04 (как и постоянная решетки c) наиболее сильно меняется при уменьшении содержания кислорода и перехода в тетрагональную фазу, как это обсуждается ниже (см.рис. 2). Остальные параметры структуры в тетрагональной фазе близки к параметрам орторомбической фазы. Орторомбическая фаза наблюдается при низких температурах и содержании кислорода 7-≥6,4, а тетрагональная фаза при температурах Т≥500⁰С, когда происходит уменьшение содержания кислорода 7-≥6,4 и распределение его в плоскости Сu1-01, как показано на рис. 1б.

В идно, соединения YBCO имеет характерную слоистую перовскитоподобную структуру, содержащую две плоскости СuO₂, разделенные слоем ионов Y, которые связаны слоями Bà04, Cul-01, Ва04. Кислород 02, 03 сильно связан с Сu2 в плоскостях СuО₂ в отличие от слабосвязанного кислорода 01 в цепочках Сu1-01. При нагревании выше 500⁰С последний легко покидает образец, что и позволяет плавно менять содержание кислорода от х =7 (=0) до х =6 (=1), где х = 7 -  ,когда весь кислород типа 01 уходит из соединения. В последнем случае всегда возникает тетрагональная фаза. Для промежуточных значений х структура соединения зависит от способа удаления кислорода. При закалке из высокотемпературной фазы для х  6,5 эта тетрагональная фаза с разупрочненным положением О1 в плоскости Сu1-01 сохраняется. Если же отжиг кислорода проводить при низких температурах (с помощью циркониевого газопоглотителя), то орторомбическая фаза может сохраняться вплоть до х  6,2. При этом возникает несколько модификаций орторомбической фазы: помимо фазы 01, показанной на рис.1, когда все цепочки Сu1-01 заполнены, х = 7, возможно появление фазы 0II, когда каждая вторая цепочка в плоскости Сu1-01 оказывается пустой для х = 6,5. Наблюдаются и более сложные фазы при промежуточных значениях х, как, например, фаза 2 х 2 при х 6,35, когда наполовину заполненные цепочки чередуются с цепочками, заполненными на 1/4. Теоретические расчеты фазовой диаграммы в плоскости х-Т предсказывают появление ряда более сложных фаз с периодическим заполнением цепочек, с образованием цепочек конечной длины и т.д. Экспериментальное исследование этих фаз продолжается. Физические свойства соединений на основе Y BàCu₃O_7- существенно зависят от содержания кислорода: металлическая фаза с высокой Тк  90 К при у=0 переходит в полупроводниковую фазу при   0,6, в которой возникает дальний антиферромагнитный порядок с максимальной температурой Нееля Т_N500 К при  = 1.

В связи с большой временной емкостью работы, которая связана с отжигом и синтезом порошков длительностью по 4 часа, они делится на две части по 4 часа каждая.