Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Физика, 3 семестр. РТФ / ФОЭ / Книги / Основы ВТСП 69.doc
Скачиваний:
107
Добавлен:
27.04.2015
Размер:
2.32 Mб
Скачать

2.5.3. Критический ток

Наиболее важным свойством сверхпроводников с точки зрения их практического применения является плотность транспортного критического токаjс. Большое значение имеет также изменениеjсво внешнем магнитном поле.

Исследования ВТСП показали, что достижение в них высоких плотностей критического тока, в особенности в приложенном магнитном поле, является непростой научной и технологической задачей.

Установлено, что токонесущая способностьобразцов ВТСП зависит от их микроструктуры и, следовательно, от метода получения, как уже отмечалось (п. 1.2). Это обстоятельство является характерным и для низкотемпературных сверхпроводников, посколькуjс(H) определяется главным образом силой взаимодействия вихрей Абрикосова с дефектами кристалла, т.е. силой пиннинга – закрепления вихрей на структурных несовершенствах. ВТСП материалы имеют сравнительно низкую концентрацию носителей, что приводит к существенным отличиям в поведении их электрических и магнитных свойств. Мы уже говорили об этих особенностях (п. 1.7), ниже покажем, как влияют на плотность критического тока сильная анизотропия кристаллической структуры и физических свойств, аномально малая длина когерентности (ξ0), склонность к переходу металл – изолятор.

Склонность к фазовому переходуметалл – изолятор характерна для металлоокисных соединений. Такие фазовые переходы сопровождаются исчезновением сверхпроводимости и могут происходить как при изменении температуры (T>Tс), так и при изменении концентрации компонентов (п. 2.5.1). Вследствие низкой концентрации носителей и анизотропии кристаллической структуры, металлический характер зонной структуры постоянно находится под угрозой, т. к. существование зон свободных носителей обусловлено вполне определенной координацией атомов меди и кислорода в слояхCuO2и цепочкахCuO. Любое нарушение этой координации ведет к локальному переходу металл – изолятор или металл – полупроводник. Поэтому структурные дефекты сильно снижают транспортные свойства металлоокисных ВТСП. Наиболее серьезным оказывается влияние планарных дефектов, пересекающих медь-кислородные слои (плоскостиab) кристаллов ВТСП. Это могут быть микротрещины, границы зерен, дислокационные стенки и двойниковые границы доменов с индексами (110). Вследствие малой длины когерентности, меньшей, чем толщина дефекта, дефект становится непрозрачным для транспорта электронов. Так, между зернами ВТСП возникают «слабые связи», которые ведут себя подобно джозефсоновскому контакту, а сам образец называют джозефсоновской средой. Поэтому и говорят овнутризеренной(jCG) имежзеренной(jCJ) критической плотности тока, причемjCG >>jCJ.

Высокие температуры перехода в сверхпроводящее состояние являются главной, наиболее привлекательной особенностью ВТСП материалов. Однако при достижении достаточно высоких температур тепловая энергия (~kT) становится сравнимой по величине с энергией пиннинга потока, что вызывает термически активированное движение вихрей Абрикосова путем перескока из одной потенциальной ямы в другую (крип потока). Этот процесс, в свою очередь, ограничивает транспортные свойства сверхпроводника.

ВТСП материалы можно разделить на три большие группы: монокристаллы, пленки и поликристаллические ВТСП. Последние, в свою очередь, по текстуре делятся на керамические и сплавленные монолитные образцы. Характер токопереноса в этих материалах сильно изменяется в соответствии с их структурными различиями.

Монокристаллыв этом ряду выделяются тем, что являются, по-видимому, самыми совершенными массивными объектами. Результаты, полученные на них, наиболее подлинны и доступны для понимания. Кроме того, вероятно, можно считать, что зерна поликристаллов подчиняются закономерностям, полученным для монокристаллических образцов.

Рассмотрим монокристалл ВТСП, включенный в цепь постоянного тока. На рис. 2.18 приведена вольт-амперная характеристика такой цепи.

Рис. 2.18. Вольт-амперная характеристика разрушения сверхпроводимости током (схема)

При увеличении тока до IС1падение напряжения на сверхпроводнике остается равным нулю.IС1 – первый критический ток, соответствующий началу перехода в нормальное состояние. На сверхпроводнике появляется падение напряжения, которое увеличивается при увеличении тока в цепи доIC2, когда переход в нормальное состояние заканчивается. Если на образец наложить магнитное поле (H>0), переход закончится при меньшем токе IC2’<IC2. ГрафикNсоответствует ВАХ для нормального состояния образца (T>TС), и его наклон определяется сопротивлением материала.

В реальном кристалле критическое состояние четко не определено: при отличной от нуля температуре Tвсегда существует вероятность срыва абрикосовских вихрей, соответствующая термоактивизированному крипу потока. В результате, данные при значениях транспортного тока ниже критического, существует отличное от нуля напряжение, которое при низких температурах определяется выражением:

Bd exp[-EcpkT(1-jjc)], (2.13)

где j<jc– плотность транспортного тока;

  напряженность электрического поля;

B– индукция магнитного поля;

  характерная частота колебаний вихревой нити;

d– расстояние между центрами пиннинга;

Ecpсредняя энергия связи вихря на центре пиннинга.

Обычно, вклад в общее напряжение члена (2.13) мал, но при малых напряжениях его нужно учитывать, особенно, при определении IC1.Для описания поведения критической плотности тока в широком интервале температур используют эмпирическую зависимость:

jc(T)=jc(0)[exp(-T/T0)-exp(-Tc/T0)], (2.14)

где T0– параметр ВТСП материала.

Выражение (2.14) имеет экспоненциальный характер при низких температурах и линейную зависимость в условиях (Tc-T)<<T0.

Как уже отмечалось, критический ток низкотемпературных сверхпроводников зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Это справедливо и в случае ВТСП, однако зависимость является более сложной, поскольку материал анизотропен. В первом приближении можно воспользоваться выражением (2.15) с учетом того, что параметр B0имеет разные значения для разных кристаллографических направлений и зависит от температуры.

Jс(0) =jс(0)exp(b-b0). (2.15)

В итоге, величину критической плотности тока удобнее записывать в виде тензора с учетом направления магнитного поля.

В поликристаллических образцах картина протекания транспортного тока оказывается сложнее, чем в монокристаллах, вследствие влияния межзеренных границ, хотя общие тенденции сохраняются. Мы уже говорили о существовании внутригранульной (jCG) и межгранульной (jCJ) плотностях критического тока. Эффективная критическая плотность jCJ оказывается на несколько порядков меньше чем jCG. Кроме того, температурные зависимости этих параметров оказываются тоже различными.

Для поведения jCGхарактерна так же, как и в случае монокристаллов, экспоненциальная зависимость (2.14), причем параметрыjCG(0) иT0Gоказываются близкими к параметрам монокристаллов. Температурная зависимость межгранульного тока близка к линейной при высоких температурах и насыщается при понижении температуры. Анализ зависимостей межгранульного тока более детально удается провести с помощью модели джозефсоновской среды.

Еще одной характерной особенностью межгранульного критического тока является его сильная зависимость от магнитного поля, что не удивительно, если вспомнить о характере действия поля на переход Джозефсона (п. 2.3). Для описания этой зависимости предложено выражение:

jCJ=jCJ(0)/(1+B2/B02). (2.16)

Для повышения критического тока керамики были использованы расплавные методы (п. 2.3). Применение этих технологий позволило существенно увеличить плотность критического тока. В частности, на рис. 2.19 приведена зависимость плотности критического тока от магнитного поля для метода QMG.

Рис. 2.19. Зависимость плотности тока от магнитного поля: T=4,2K; 1 –Y-123; 2 –Bi-2212

Хорошие результаты дают и другие расплавные технологии. Фирма IBMсообщила, что получает образцы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью при плотности тока порядка 109А/см2.

Характерной особенностью тонких пленокВТСП является высокая плотность критического тока (105–107А/см2) и слабая её зависимость от магнитного поля. Это относится к пленкам на основеY-123,Bi-2223,Bi-2212,Tl-2212. Характер полевой зависимости аналогичен зависимости для монокристаллов.

На рис. 2.20 приведена температурная зависимость плотности критического тока для тонкой пленки Y-123.

Рис. 2.20. Температурная зависимость плотности критического тока пленки Y-123

Температурная зависимость для тонких пленок оказывается более слабой, по сравнению с керамическим образцами. Было отмечено удовлетворительное согласие экспериментальной кривой на рис. 2.20 с зависимостью (2.15), полученной для монокристалла.

Очевидно, одна из причин высоких характеристик тонких пленок заключается в сходстве их текстур с текстурами монокристаллов. Кроме того, необходимо учитывать, что при малой толщине материал пленки более доступен для насыщения его кислородом.

Соседние файлы в папке Книги