ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК Российский патент 1998 года по МПК H01B12/00 C04B35/00 

Изобретение относится к сверхпроводящим материалам и может быть использовано в таких областях, как энергетика (системы генерирования, хранения и передачи энергии на расстояния), транспорт (авиа- и космические аппараты, поезда на магнитной подушке), электроника и вычислительная техника (сверхпроводящие квантовые интерферометры, сверхпроводящие элементы памяти), физика элементарных частиц (сверхпроводящие ускорители), горнодобывающая промышленность (магнитные сепараторы) и медицина (сверхпроводящие томографы).

Широко известное в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) соединение YBa₂Cu₃O₇ с температурой перехода в сверхпроводящее состояние порядка 90 K относится к оксидному медьсодержащему сверхпроводнику на основе иттриевобариевой керамики.

Соединение это имеет кристаллическую структуру, которая близка к структуре перовскита, и, как указано выше, невысокую температуру перехода. Невысокая температура перехода 93 K означает необходимость использования хладагента и обусловлена появлением в кристаллической структуре кислородпероксидной цепочки O2-2

Поставленная цель достигается тем, что в сверхпроводник, содержащий в основе иттрий или подобный ему лантан, барий и серебро и имеющий ромбическую структуру, введен селен при следующем соотношении ингредиентов, ат. %: иттрий (лантан) 7,7 - 8,0, барий 15,4 - 16,0, серебро 23,1 - 24,0, селен 52,0 - 53,9, причем его химическая структура выражается формулой YBa₂Ag₃Se_7-х, или LaBa₂Ag₃Se_7-x, где x - нарушение стехиометрии, т.е. недостаток селена, изменяется от 0 до 0,5.

Для получения сверхпроводника YBa₂Ag₃Se₇ или подобного сверхпроводника LaBa₂Ag₃Se₇ были подготовлены три селенидных соединений: селенид серебра Ag₂Se, селенид бария с селеном (ввиду непрочного соединения селенид бария) BaSe+Se₂, селенид иттрия (лантана) Y₂Se₃(La₂Se₃). Для получения вещества с заданным стехиометрическим составом исходная смесь была помещена в тигель технологической установки, в котором при высокой температуре проходила твердофазная реакция:

Полученный сверхпроводник в виде поликристаллического порошка темно-серого цвета явился оптимальным по своим сверхпроводящим свойствам при x - 0. При приближении x к величине 0,5 наблюдалось существенное уменьшение температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Поэтому высокотемпературное сверхпроводящее соединение синтезировано вышеуказанной твердофазной реакцией.

Элементарная ячейка заявленного сверхпроводящего материала ромбическая, в которой:
- атомы серебра с координационным числом равным 5 расположены в центре квадратов, образующих двумерные слои. Эти квадраты являются основаниями пирамид, в вершинах которых расположены атомы селена;
- атомы серебра с координационным числом равным 4 имеют селенидное окружение в виде плоского квадрата, образуют линейные цепочки вдоль оси b путем соединения таких квадратов вершинами. Атомы селена, входящие в цепочку и находящиеся в вершинах оси c, являются одновременно вершинами пирамид;
- ионы бария, как и серебра, расположены вдоль оси c с ориентацией по оси b, при этом ионы бария локализованы внутри вышеуказанных слоев серебра и селена;
- ионы иттрия (лантана) расположены вдоль оси c с ориентацией по оси b между двумерными слоями серебра и селена.

Достижение цели - повышение температуры перехода в сверхпроводящее состояние - иллюстрируется чертежом, на котором представлена зависимость магнитной восприимчивости полученного сверхпроводника YBa₂Ag₃Se₇ от изменения температуры. Критическая температура сверхпроводника приближается к 373 K. Теоретическая температура перехода определена авторами и составляет 372 K. Температура перехода в сверхпроводящее состояние заявленного сверхпроводника обусловлена появлением в кристаллической структуре селенид-иона Se2-2

Таким образом, сверхпроводящая природа рассматриваемого сверхпроводника при температурах ниже 373 K доказана с помощью эффекта Мейснера, который очевиден из данных по магнитной восприимчивости, приведенной на чертеже. Так что неопровержимым признаком сверхпроводимости является диамагнетизм, который выражается в отрицательной магнитной восприимчивости.

Из этого следует, что заявленный высокотемпературный сверхпроводник является действительно высокотемпературным сверхпроводником, ибо под высокотемпературным сверхпроводником понимали лишь антитезу обычного низкотемпературного сверхпроводника, требующего охлаждения. Заявленный сверхпроводник обладает более высокой температурой перехода, превышает на 163 K тот же критический параметр у известного соединения и не требует охлаждения.

Использование заявленного изобретения позволяет повысить рабочую температуру эксплуатируемых устройств без необходимости использования хладагента и, следовательно, увеличивает эффективность и расширяет возможности применения сверхпроводящего соединения. Изобретение обусловило возможность раскрытия механизма возникновения явления ВТСП на базе установленных фундаментальных закономерностей свойств веществ и структурного представления материи, что позволяет синтезировать с устойчивой сверхпроводимостью ВТСП-материалы при 1100 K.

Сверхпроводник содержит, ат.%: лантан или иттрий 7,7 - 8,0; барий 15,4 - 16,0; серебро 23,1 - 24,0; селен 52,0 - 53,9. Химическая структура выражается формулой Y₁Ba₂Ag₃Se_7-x или La₁Ba₂Ag₃Se_7-x, где x изменяется от 0 до 0,5. Температура перехода в сверхпроводящее состояние составляет 373 K. 1 ил.

Высокотемпературный сверхпроводник, содержащий иттрий или лантан и барий и имеющий ромбическую структуру, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро и селен при следующем соотношении компонентов, атм.%:
Иттрий или лантан - 7,7 - 8,0
Барий - 15,4 - 16,0
Серебро - 23,1 - 24,0
Селен - 52,0 - 53,9
причем его химическая структура выражается формулой Y₁Ba₂Ag₃Se_7 - x или La₁Ba₂Ag₃Se_7 - x, где Х изменяется от 0 до 0,5.