Надпровідність та надпровідні матеріали

Визначення і загальна характеристика

НАД­ПРОВІ́ДНІСТЬ ТА НАД­ПРОВІ́ДНІ МАТЕРІА́ЛИ Над­провід­ність (Н.) властива деяким чистим металам і сплавам, у яких електр. опір дорівнює нулю при охолоджен­ні їх до критич. т-р Т_с. При цьому зʼявляється абсолют. діамагнетизм (ефект Мейснера), від­критий 1933 у магніт. полях В, що знаходяться в області значень від нуля до В_с, термодинаміч. магніт. поля, у над­провід­никах (НП) I-го роду, та до В_с1 у НП II-го роду. В_с1 — поле, при якому в НП проникає перший магніт. вихор (вихор Абрикосова). У полях від В_с1 до В_с2 НП II-го роду пере­бувають у змішаному стані. Поля В_с і В_с1 порядку 10^-1 ÷ 1 кЕ, а В_с2 змінюються від 1 до 500 кЕ. Н. зникає, якщо через зразок проходить електр. струм з густиною, що пере­вищує критичну Jc, оскільки при цьому створюється магнітне поле, що пере­вищує критичне. Н. виявлено у 11-ти неперехід. (Be, Mg, Cd, Zn, Ga, Al, Tl, In, Hg, Pb i Sn) та 19-ти пере­хід. (W, Ir, Hf, Ti, Ru, Re, Os, Pa, Th, Zr, Mo, Ta, V, La, Tc, Nb, Lu, Rh i U) металах із різними кри­сталіч. структурами, із яких Hg, La, Ti, Hf, Sn, Th, U i Ga є поліморфними. Н. проявляється лише в металів з валентністю не нижче 2 і не вище 8. Крива залежності Т_с від числа валент. електронів Ne у пере­хід. металах I-го, II-го i III-го періодів Періодич. системи елементів Д. Менделєєва (ПСЕ) має 3 максимуми при Ne = 3,0; 5,0 i 7,0 електронів на атом (ел/ат), а у неперехідних монотон­но зро­стає з концентрацією від 0 до ~6 ел/ат. У Nb Т_с = 9,3 К.

У НП II-го роду в змішаному стані немає повного ефекту Мейснера, тому в них Н. існує в полях до значно більших значень, ніж В_с2. Оскільки В_с2 >> B_c та В_с1, то на практиці для виготовле­н­ня електр. кабелів використовують над­провід­ні сплави NbTi, NbSn i NbN з густиною струму 10⁴ ÷ 10⁷ А/см² за від­сутністю тепл. збитків. Ці значе­н­ня густини на декілька порядків вищі, ніж ті, що досягають у алюм. або мідних дротах. Це, а також дуже великі магнітні поля, що створюють за допомогою над­провід­ник. соленоїдів, роблять привабливим за­стосува­н­ня над­провід­ник. кабелів для по­стача­н­ня електр. струму від виробника до споживача, або створе­н­ня апаратів з магніт. під­вішува­н­ням. Хоча встановлено лише 30 над­провід. чистих металів, існує понад 1 тис. над­провід­ник. сплавів і сполук. Виявлено, що в простих неперехід. металів до­да­н­ня 3d пере­хід. елементів зменшує Т_с. У пере­хід. елементах залежність Т_с від концентрації домішок ускладнюється. Типові залежності Т_с можна поділити на 3 групи. При додаван­ні елемента з більш низьким значе­н­ням Т_с критична температура сплаву лінійно зменшується. Це спо­стерігається, коли в металах V-групи (V, Nd, Ta) роз­чиняються речовини з більшими значе­н­нями N_e, що знаходяться в VI-й, VII-й і VIII-й групах ПСЕ, тобто у сплавах Nb–W, V–Mo та ін. Існує мінімум у залежності Т_с від концентрації домішки в області їх серед. значень, що має місце в сплавах Nb–Mo. Значе­н­ня Т_с у деяких сплавах пере­вищує Т_с вихід. компонентів. Це від­бувається під час легува­н­ня металів з малими Т_с, що знаходяться в IV-й (Zr, Ts, Hf) i VI-й (Mo, W) групах ПСЕ, металами з більшими значе­н­нями Ne, тобто металами V-ї і VII-ї груп, від­повід­но, а також при легуван­ні металів V-ї (V, Nb, Ta) і VII-ї груп (Tc, Re) металами з меншими N_e, тобто в сполуках Zr–Nb, Nb–Hf та ін. Під час сплавле­н­ня пере­хід. металів, що знаходяться в одній групі ПСЕ (Ts–Zr, Mo–W), справджуються усі 3 типи ви­значених залежностей.

Серед метал. над­провід. сплавів зі структурою А-15 є НП з найвищими Т_с, напр., Nb₃(Al_0,763Ge_0,237) з T_c = 21,05 K. Вони знаходяться побл. 2-х інтервалів значень N_e: 4,50 ÷ 4,75 ел/ат і 6,25 ÷ 6,50 ел/ат. Не­значні додава­н­ня металів і неметалів дуже впливають на Т_с і Н_с та ін. властивості, що утворюють низку метал. фаз з ін. кри­сталіч. структурами, ніж у сполук А-15. Серед ін. кри­сталіч. структур фази Лавеса є найбільш числен. групою метал. сполук. Також існує великий клас потрій. НП, напр., фази Шевреля. Окрім металів, Н. виявлена і в ін. речовинах: НП GeTe, SnTe та ін. з Т_с < 5 K; НП з важкими ферміонами з Т_с = 0,5 (CeCu₂Si₂); НП з низькою концентрацією електронів з Т_с = 1 ÷ 10 К (La₃Se₄) залежно від концентрації носіїв заряду; неорганічні НП та над­провід­ні полімери типу (SN)_x.

Н. виявлено в металооксид. сполуках, або великотемператур. НП, тому що в них Т_с > 77 K. Перший оксид. НП SrTiO₂ мав дуже малу Т_с = 0,3 К. Потім в Ls1+xTi_2-xO₄ Т_с збільшено до 13 К, але цей НП був не­стійким. Стійким є металооксид. НП BaPb_1-xBi_xO₃ з T_c = 13,7 K. Цей НП має структуру шаруватого перовськіту та може бути ізолятором, напів­провід­ником або металом. Структура перовськіту є типу або АВХ₃, або АВ₂Х₃, де А та В — катіони (метали), а Х — аніони (пере­важно кисень, але є і фтор, і хлор та ін.). 1986 синтезовано дефіцитний за киснем окисел La₄BaCu₅O_13-δ, що складався зі суміші 3-х кри­сталогр. фаз. Одна із них перовськітна La_2-xBa_xCuO_4-δ була НП з початком пере­ходу в над­провід. стан при 30 К. Потім виявлені різні класи мідних великотемператур. НП з шарами АО та ВО₂, де А — великий перовськіт. іон (La, Sr, Ba), B — іон Cu. Для кількох катіонів у позиції А можливо їх упорядкува­н­ня (АВО₃)_m. Великотемпературні над­провід­ні сполуки утвор. взаєм. проникне­н­ням фрагментів структур NaCl[(AO)_n] та перовськіту [(ABO_3-δ)_m], де n — число шарів у площині CuO₂ елементар. комірки. Площини CuO₂ стають провід­ними та над­провід­ними при легуван­ні їх носіями заряду в певній області концентрацій. Існує 2 типи великотемператур. НП: леговані дірками; леговані електронами. Великотемпературні НП з р-провід­ністю: Ba_1-xM_xBiO₃, (n = 0, m = 1), M = K, Rb, x = 0,3 ÷ 0,5, T_c = 30 K; Y-сполука Ln₁Ba₂Cu₃O_6+δ, (Ln = Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) (123) та YBa₂Cu₄O₈ (124) з Т_с = 80 ÷ 90 К; La-сполука (La_1-xM_x)₂CuO₄, x = 0,08, n = 1, m = 1, T_c = 30 ÷ 40 K; Bi-сполука Bi₂Sr₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4, n ≤ 3, m = 2, T_c = 7 ÷ 110 K; Tl-сполука Tl₂Ba₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4, n ≤ 3, m = 2, T_c = 20 ÷ 125 K; Tl-сполука Tl₁Ba₂Ca_n-1Cu_nO_2n+3, (2 ≤ n ≤ 5), m =1, T_c = 70 ÷ 115 K; Hg-сполука YgBa₂Ca_n-1Cu_xO_х, Т_с = 98 ÷ 138 К. Великотемпературні НП n-про­відністю: (M_1-xCe_x)₂CuO₄, M = Nd, Pr, x = 0,07, T_c = 25 K; (Ba_1-xM_x)BiO₃, M = K, Rb, x =0,4, T_c = 30 K; MgB₂, T_c = 39 K; C₆₀M_x (M_x = K, Na, Pb,Cs), x = 3, T_c = 50 K.

Літ.: Савитский Е. М., Барон В. В. и др. Метал­ловедение сверх­проводящих материалов. Москва, 1969; Финкель В. А. Структура сверх­проводящих соединений. Москва, 1983; Пан В. М., Прохоров В. Г., Шпигель А. С. Метал­лофизика сверх­проводников. К., 1984; Сидоренко С. І., Волошко С. М. Матеріало­­знав­ство високотемпературних над­провід­ників. К., 1995; Хирный В. Ф., Козловский А. А. Сверх­проводящие ма­териа­лы // Неорган. материаловедение. Ма­­териалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 2.

В. П. Хірний

Завантажити статтю