керамический материал
Классы МПК: | C04B35/00 Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом; керамические составы; обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий H01B12/00 Сверхпроводники, сверхпроводящие кабели или передающие линии |
Автор(ы): | Грехов И.В., Семчинова О.К. |
Патентообладатель(и): | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-10-19 публикация патента:
20.09.1995 |
Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано при создании активных и пассивных элементов криоэлектронных схем, в особенности элементов на основе многослойных структур сверхпроводник-изолятор. Задачей изобретения является получение керамического материала, имеющего кристаллическую решетку, совпадающую с решеткой IBa2Cu3O7-y и удельное сопротивление, плавно изменяющееся при температуре жидкого азота от соответствующего нормальному проводнику до изолятора. Это решается в керамическом материале на основе оксидов иттрия, меди и бария, отличающегося тем, что он дополнительно содержит оксид ниобия при следующих соотношениях компонентов IBa2Cu3-xNbxO7 где 1x3.
Формула изобретения
КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, содержащий итрий, барий, медь, ниобий и кислород, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении JBa2 Cu3-x Nbx O7, где 1 x 3.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области криоэлектроники и может быть использовано при создании активных и пассивных элементов криоэлектронных схем, в особенности элементов на основе многослойных структур сверхпроводник-изолятор. Для многих активных и пассивных элементов криоэлектронных схем (переключателей, волноводов, ответвителей и т.п.) необходимо использовать многослойные структуры сверхпроводник-изолятор и сверхпроводник нормальный проводник, в которых сверхпроводником является материал JBa2Cu3O7, а в качестве изолятора или нормального проводника должен быть использован материал, имеющий кристаллическую решетку, по своим параметрам совпадающую с решеткой JBa2Cu3O7. Это дает возможность бездефектного выращивания тонких эпитаксиальных пленок этих материалов друг на друге. Известен керамический материал на основе оксидов иттрия, меди, и бария при следующих соотношениях компонентJBa2Cu3O7-y При 0 у 0,5 этот материал имеет металлический характер проводимости при комнатной температуре и становится сверхпроводником при Т < 92 К; он широко используется в качестве проводящих слоев в криоэлектронных схемах [1]
При у < 0,5 этот материал является изолятором. Однако, он не может быть использован для изолирующих слоев в многослойных структурах, поскольку содержание кислорода и следовательно сопротивление легко меняется при термообработках в технологическом цикле. Наиболее близким техническим решением к изобретению является высокотемпературный сверхпроводящий материал состава JBa2Cu3O9- в котором атомы меди частично замещены на ниобий [2] Замещение до 33% меди на ниобий не приводит к разрушению сверхпроводимости. Задачей изобретения является получение керамического материала, имеющего кристаллическую решетку, совпадающую с решеткой JBa2Cu3O7-y, и удельное сопротивление, плавно изменяющееся при температуре жидкого азота от соответствующего нормальному проводнику до изолятора. Указанная задача решается в керамическом материале на основе оксидов иттрия, меди, бария и ниобия, отличающегося тем, что он имеет состав, соответствующий формуле IBa2Cu(3-x)NbxO7, где 1 Х 3. Такая смесь окислов после двухстадийной термической обработки на воздухе 940оС в течение 15-20 ч и 970оС в течение 3-5 ч, последующем размоле, прессовки, термообработки при 970оС на воздухе в течение 3-5 ч и затем при 450оС в течение 3-10 ч образует керамический материал, удельное сопротивление которого может меняться в широких пределах в зависимости от количества введенного ниобия и не зависит от дальнейших технологических термообработок. При Х 1,0 керамический материал становится изолятором с 1-2 МОм.см, а при 0,1 Х 0,5 имеет при азотных температурах металлический характер проводимости, причем удельное сопротивление в зависимости от содержания ниобия меняется от 0,1 Ом см при Х 0, 1 до 1 МОм при Х 1. Особенностью материала является то, что параметры кристаллической решетки практически не зависят от Х при Х 1,5 и равны: a b 0,395 нм, С 1,178 нм, что менее чем на 2% отличается от параметров решетки сверхпроводящей керамики JBa2Cu3O7 (а 0,384 нм, b 0,388 нм, с 1,165 нм). Такое малое расхождение делает новый материал очень перспективным для изготовления многослойных структур типа JBa2Cu3O7 JBa2Cu3-xNbxO7(сверхпроводник-изолятор, сверхпроводник-нормальный проводник). При дальнейшем увеличении содержания ниобия продолжается увеличение удельного сопротивления до 5 МОм при Х 2,9, а рассогласование параметров решетки достигает 5%
Согласно изобретению были изготовлены три партии диэлектрического керамического материала с Х 0,1 N1; X 1,0 N2; X 1,5 N3 по следующей технологии:
Исходные компоненты J2O3, Nb2O5, CuO и BaCO3 в соотношениях, соответствующих составам
N1 JBa2Cu2,9Nb0,1O7 (I2O3 2,8 г;
Ba2CO3 8,70 г; CuO 5,8 г;
Nb2O5 0,1 г)
N2 JBa2Cu2Nb1 O7 (J2O3 2,8 г;
Ba2CO3 8,70 г; СuO 5,5 г;
Nb2O5 0,5 г)
N3 JBa2Cu1,5Nb1,5O7 (J2O3 2,8 г;
Ba2CO3 8,70 г; СuO 5,0 г;
Nb2O5 1,0 г) смешивались в агатовой вибромельнице и выдерживались при 940оС в течение 18 ч на воздухе для синтеза соединения и затем при 970оС в течение 4 ч для введения Nb. Эта температура должна выдерживаться с высокой точностью, поскольку, как показали эксперименты, при 960оС в шихте остается много непрореагировавших частиц Nb2O5, температура 980оС является верхним пределом устойчивости фазы JBa2Cu3O7 на воздухе. Полученный таким образом синтезированный материал снова размалывается в вибромельнице, прессовался в прямоугольные бруски размером 3 х 5 х 10 мм и отжигался на воздухе при 970оС в течение 4 ч (спекание), а затем при 450оС в течение 4-х ч (накислораживание). Измерение методом рентгеновской дифрактометрии параметры решетки были практически одинаковы для всех трех составов: a 0,395 нм 0,01 нм; с 1,178 нм 0,01 нм. Эти параметры менее чем на 2% отличаются от соответствующих параметров решетки ВТСП-керамики JBa2Cu3O7. Измерения удельного сопротивления четырехзондовым методом при температуре 77 К дали для партии N1 0,1 Ом см; N2 1,1 МОм см; N3 3,5 МОм см. Это сопротивление практически не изменялось при последующих термообработках в диапазоне температур 450-970оС. Изобретение позволило получить керамический материал JBa2Cu3-xNbxO7, имеющий кристаллическую решетку, совпадающую с кристаллической решеткой сверхпроводника JBa2Cu3O7-y c плавно меняющимся удельным сопротивлением при температуре жидкого азота от соответствующей нормальному до изолятора в зависимости от содержания ниобия и не меняющимся при технологических термообработках.
Класс C04B35/00 Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом; керамические составы; обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий
Класс H01B12/00 Сверхпроводники, сверхпроводящие кабели или передающие линии