Надпровідність та надпровідні матеріали — Енциклопедія Сучасної України

Надпровідність та надпровідні матеріали

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 Тс. При цьому з’являється абсолют. діамагнетизм (ефект Мейснера), відкритий 1933 у магніт. полях В, що знаходяться в області значень від нуля до Вс, термодинаміч. магніт. поля, у надпровідниках (НП) I-го роду, та до Вс1 у НП II-го роду. Вс1 – поле, при якому в НП проникає перший магніт. вихор (вихор Абрикосова). У полях від Вс1 до Вс2 НП II-го роду перебувають у змішаному стані. Поля Вс і Вс1 порядку 10-1 ÷ 1 кЕ, а Вс2 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 Тс 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 Тс = 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 Вс2. Оскільки Вс2 >> Bc та Вс1, 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 Тс. У перехід. елементах залежність Тс від концентрації домішок ускладнюється. Типові залежності Тс можна поділити на 3 групи. При додаванні елемента з більш низьким значенням Тс критична т-ра сплаву лінійно зменшується. Це спостерігається, коли в металах V-групи (V, Nd, Ta) розчиняються речовини з більшими значеннями Ne, 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 Тс від концентрації домішки в області їх серед. значень, що має місце в сплавах Nb–Mo. Значення Тс у деяких сплавах перевищує Тс вихід. компонентів. Це відбувається під час легування металів з малими Тс, 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 Ne, 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 Тс, напр., Nb3(Al0,763Ge0,237) з Tc = 21,05 K. Вони знаходяться побл. 2-х інтервалів значень Ne: 4,50 ÷ 4,75 ел/ат і 6,25 ÷ 6,50 ел/ат. Незначні додавання металів і неметалів дуже впливають на Тс і Нс 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 Тс < 5 K; НП з важкими ферміонами з Тс = 0,5 (CeCu2Si2); НП з низькою концентрацією електронів з Тс = 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 Тс > 77 K. Перший оксид. НП SrTiO2 мав дуже малу Тс = 0,3 К. Потім в Ls1+xTi2-xO4 Тс збільшено до 13 К, але цей НП був нестійким. Стійким є металооксид. НП BaPb1-xBixO3 з Tc = 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 La4BaCu5O13-δ, що складався зі суміші 3-х кристалогр. фаз. Одна із них перовськітна La2-xBaxCuO4-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 [(ABO3-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: Ba1-xMxBiO3, (n = 0, m = 1), M = K, Rb, x = 0,3 ÷ 0,5, Tc = 30 K; Y-сполука Ln1Ba2Cu3O6+δ, (Ln = Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) (123) та YBa2Cu4O8 (124) з Тс = 80 ÷ 90 К; La-сполука (La1-xMx)2CuO4, x = 0,08, n = 1, m = 1, Tc = 30 ÷ 40 K; Bi-сполука Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, n ≤ 3, m = 2, Tc = 7 ÷ 110 K; Tl-сполука Tl2Ba2Can-1CunO2n+4, n ≤ 3, m = 2, Tc = 20 ÷ 125 K; Tl-сполука Tl1Ba2Can-1CunO2n+3, (2 ≤ n ≤ 5), m =1, Tc = 70 ÷ 115 K; Hg-сполука YgBa2Can-1CuxOх, Тс = 98 ÷ 138 К. Великотемпературні НП n-про­відністю: (M1-xCex)2CuO4, M = Nd, Pr, x = 0,07, Tc = 25 K; (Ba1-xMx)BiO3, M = K, Rb, x =0,4, Tc = 30 K; MgB2, Tc = 39 K; C60Mx (Mx = K, Na, Pb,Cs), x = 3, Tc = 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

Статтю оновлено: 2020

Покликання на статтю
В. П. Хірний . Надпровідність та надпровідні матеріали // Енциклопедія Сучасної України: електронна версія [веб-сайт] / гол. редкол.: І.М. Дзюба, А.І. Жуковський, М.Г. Железняк та ін.; НАН України, НТШ. Київ: Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2020. URL: https://esu.com.ua/search_articles.php?id=71322 (дата звернення: 18.10.2021)