Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 2, стр. 143-147

ВВЕДЕНИЕ

Высокотемпературный сверхпроводник LaBa₂Cu₃O_7 – х с критической температурой 36 К был открыт в 1986 г. [1], а в 1987 г. было открыто первое сверхпроводящее соединение с критической температурой выше точки кипения азота − YBa₂Cu₃O_7 – x [2]. Впоследствии было показано, что иттрий можно заменить другими редкоземельными элементами и при этом свойства сверхпроводника не сильно изменяются. Появление “азотной” сверхпроводимости многократно повысило привлекательность использования нового класса материалов на практике.

Затем потребовалось еще около 20 лет для разработки сложнейших технологий, обеспечивших получение композитных лент-проводов, которые по своей надежности можно было бы сравнивать с металлическими проводниками тока, например, из меди. Венцом усилий ученых и инженеров всего мира было создание гибких длинномерных многослойных проводов ВТСП второго поколения (ВТСП-2), которые имеют плотность критического тока выше 1 МА/cм² при 77 К в собственном магнитном поле. В настоящее время улучшение свойств уже сформированных проводов ВТСП-2 является одним из приоритетных направлений в развитии технологий их приготовления и использования.

Сверхпроводники очень чувствительны к наличию структурных дефектов, которые могут являться центрами пиннинга Абрикосовских вихрей и определять токонесущие свойства сверхпроводника в магнитных полях. Существует большое количество методов создания структурных дефектов [3–8]. Одним из таких методов, позволяющих направленно изменять дефектную структуру материала, является облучение сверхпроводника ионизирующими частицами различной природы. Поэтому одной из актуальных задач физики сверхпроводимости является изучение радиационных эффектов. Это принципиально важно и для радиационного материаловедения в плане модификации сверхпроводящих свойств для практических применений, и для прогнозирования поведения материала в экстремальных условиях, поскольку сверхпроводники широко применяются в установках физики высоких энергий. Для получения радиационных дефектов использовали быстрые нейтроны [6], протоны [7], тяжелые быстрые ионы [8]. В ряде работ наблюдали повышение критического тока в магнитных полях. Особенно сильным этот эффект был в объемных керамиках ВТСП с малой плотностью исходного критического тока. В современных лентах ВТСП второго поколения, где ленты имеют характеристики, близкие к теоретическому пределу, улучшение характеристик наблюдается редко.

Важно подчеркнуть, что радиационные дефекты можно использовать также, чтобы исследовать фундаментальные характеристики сверхпроводника. Например, особенности вызванного радиационным облучением уменьшения критической температуры зависят от механизма спаривания и симметрии сверхпроводящего параметра порядка Δ(р). В этом отношении изучение отклика купратов ВТСП на радиационный дефект может объяснить причину их необычных свойств в нормальном и сверхпроводящем состояниях [9].

Данная работа посвящена исследованию влияния радиационных дефектов, индуцированных быстрыми тяжелыми ионами, на критические свойства лент ВТСП-2 на основе соединения GdBa₂Cu₃O_7 – x, полученных в отечественной компании SuperOx [10]. Эти ленты были выбраны нами для исследования по двум причинам. Во-первых, они отечественного производства и поэтому более доступны для нас. Во-вторых, соединение GdBa₂Cu₃O_7 – x гораздо менее изучено, чем, например, YBa₂Cu₃O_7 – x, которое также используется для производства ВТСП лент. Образцы представляют собой высококачественные современные композитные наноструктурированные материалы, имеющие стабильные функциональные характеристики, поскольку в них сверхпроводник не имеет контакта с окружающей средой. Средняя плотность критического тока в этих образцах достигала 1.5 × 10⁶ А/см², а критическая температура ~93 К.

Из литературы известно, что увеличение критического тока в результате ионного облучения наиболее заметно на структурно несовершенных образцах. В случае ВТСП-2 лент этот эффект мал или отсутствует. Однако в [11, 12] были обнаружены новые эффекты, приводящие к улучшению качества ленточных проводников на основе YBa₂Cu₃O_7 – x в результате низкодозового облучения ионами ⁴⁰Ar⁸⁺ и ⁸⁴Kr¹⁷⁺, а именно, снятие напряжений в кристаллических решетках сверхпроводника и буферных слоях и улучшение адгезии между подложкой и пленкой ВТСП. Для необлученных образцов характерно образование трещин в слое ВТСП при резке и сгибании композитных лент, в то время как в облученных образцах не было выявлено трещин. Был получен патент “Способ обработки высокотемпературных сверхпроводников” [13].

ЭКСПЕРИМЕНТ

Облучали отрезки композитных GdBa₂Cu₃O_7 – x ВТСП-2 лент размером 0.1 × 4 × 20 мм³ без медной оболочки. Архитектура образца и геометрия облучения приведена на рис. 1. Лента шириной 4 мм имеет многослойную структуру, содержащую металлическую подложку (хастеллой С276), 60 мкм, несколько буферных слоев оксидов металлов толщиной 200–300 нм, пленку сверхпроводника GdBa₂Cu₃O_7 – x 1 мкм, нанесенную методом лазерного напыления, сверху покрытую слоем серебра 2 мкм.

Рис. 1.

Структура композитной ленты ВТСП-2 лент GdBa₂Cu₃O_{7– x} и геометрия облучения.

Радиационные дефекты в указанных образцах создавали быстрыми ионами, заряд, энергия и флюенсы которых представлены в таблице 1. Облучение проводили на ускорителе ионов ИЦ-100 в Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н.Флерова ОИЯИ (Дубна) при комнатной температуре со стороны сверхпроводника, при этом температура образцов не поднималась более 100°С.

Оценки проективных пробегов ионов¹¹ в композитной ленте показывают, что высокоэнергетические ионы, попадая в композит ВТСП, тормозятся в подложке, при этом расплавляют слой ВТСП, образуя треки цилиндрической формы, так называемые колонарные дефекты. Считается, что каждый ион генерирует один дефект, так что концентрацию введенных радиационных дефектов X_d легко получить из флюенсов.

До и после облучения на каждом образце был измерен критический ток I_c при Т = 77 К и снята зависимость R(T) с целью определения критической температуры T_c и ширины перехода ΔТ_c. Измерения критического тока были проведены четырехконтактным методом на постоянном токе с прижимными токовыми контактами с промежуточным слоем индия.

Чтобы получить наиболее точные результаты, в одних и тех же условиях облучали по два идентичных образца. Они, как правило, давали одинаковые, с точностью наших измерений (~0.5 К), значения Т_с и близкие значения критического тока, но иногда по какой-то причине результаты существенно отличались. В этих случаях проводили повторное облучение другой пары образцов до тех пор, пока не получали совпадающие или близкие результаты. После этого вычисляли среднее значение критического тока по двум образцам.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Полученные зависимости критического тока и критической температуры от флюенсов ионов ксенона, криптона и аргона приведены на рис. 2 и 3. Рассмотрим зависимость критического тока при Т = 77 К от флюенсов ионного облучения (рис. 2).

Рис. 2.

Зависимость отношения критического тока I_c1 при Т = 77 К к исходному значению I_c0 от флюенсов облучения ионами аргона (◼), криптона (⚫) и ксенона (▲).

Рис. 3.

Зависимость критической температуры от флюенсов облучения ионами аргона (◼), криптона (⚫) и ксенона (▲).

Обнаружено небольшое повышение критического тока при флюенсе ионов ксенона 5 × × 10⁹ ион/см², для остальных ионов повышение I_c не наблюдали. Для каждого иона определено значение флюенса, при котором критический ток близок к нулю. Это и есть радиационная стойкость данной сверхпроводящей ленты, а именно, Ф = 10¹² ион/см² для ионов ¹³²Xe²⁷⁺(167 МэВ), 2 × × 10¹² ион/см² – ⁸⁶Kr¹⁷⁺ (107МэВ) и 2 × 10¹³ ион/см² – ⁴⁰Ar⁸⁺ (48 МэВ).

Теперь рассмотрим зависимость критической температуры от флюенсов облучения (рис. 3). Критическая температура образцов сверхпроводника не изменяется до флюенса порядка 10¹⁰ ион/см² в случае ионов ксенона, 10¹¹ ион/см² − криптона, 10¹² ион/см² − аргона, затем начинает падать.

По моменту обращения Т_с в ноль можно грубо оценить радиус трека, оставляемый ионами. Если предположить, что при флюенсах Ф > 10¹² ион/см² распределение дефектов равномерно на площади порядка 1/Ф ≈ 10 × 10 нм², то при соприкосновении стенок соседствующих колонарных дефектов транспорт сверхпроводящих носителей в плоскости пленки на макроскопических размерах должен прекратиться. Это произойдет, когда площадь 1/Ф станет примерно равна πr², где r − радиус трека. Таким образом, из критического значения для флюенса Ф_с получим r ≈ (πФ_с)^–1/2. Из рис. 3 можно оценить, что для ¹³²Xe²⁷⁺ радиус трека составляет примерно 3.3 нм, для ⁸⁶Kr¹⁷⁺r ≈ 2.5 нм, для ⁴⁰Ar⁸⁺ − порядка 1 нм. Следует отметить, что данная оценка радиуса треков для криптона (2.5 нм) дает значение, близкое к экспериментально полученному с помощью ПЭМ в лентах YBCO: 3–5 нм [12].

На рис. 4 приведены кривые перехода в сверхпроводящее состояние исходного образца и при различных флюенсах после облучения ионами ксенона. Из рис. 4 видно, что в результате облучения изменяется не только Т_с, но и ширина перехода. На рис. 5 приведены значения ширины перехода ΔТ_с на полувысоте в зависимости от концентрации дефектов для всех ионов. Ширина перехода сверхпроводника дает информацию о его структурном совершенстве, причем чем круче зависимость R(T) или чем меньше величина ΔТ_с, тем более идеальной является кристаллическая решетка. Обращает на себя внимание зависимость ширины перехода для случая ионов ксенона, где наблюдается минимум ΔТ_с при концентрации дефектов X_d = 2 × 10¹⁰ см^–2.

Рис. 4.

Зависимость отношения R/R(100) от температуры T для исходного образца ВТСП-2 ленты GdBa₂Cu₃O_7 – x. (1) и образцов той же ленты после облучения ионами ксенона c Ф = 2 × 10¹⁰ ион/см² (2), Ф = 5 × 10¹¹ ион/см² (3), Ф = 1 × 10¹² ион/см² (4). R(100) − сопротивление ленты при Т = 100 К.

Рис. 5.

Зависимость ширины перехода в сверхпроводящее состояние от флюенсов облучения ионами аргона (◼), криптона (⚫) и ксенона (▲).

При облучении ионами криптона до Ф = 1 × 10¹² ион/см² был получен двухфазный сверхпроводник с различной критической температурой (~92 и 87 K), при этом кривая перехода имела ступенчатую форму.

ВЫВОДЫ

Итак, в экспериментах исследованы зависимости критического тока, критической температуры и ширины сверхпроводящего перехода от флюенсов, или концентрации дефектов, введенных при облучении GdBa₂Cu₃O_7 – x ленты ВТСП-2 быстрыми ионами в широком диапазоне значений.

Из рисунков следует, что существенного повышения критического тока не обнаружено, но можно оценить радиационную стойкость данной ленты ВТСП к использованному облучению высокоэнергетическими тяжелыми ионами: ксеноном, криптоном и аргоном. Уменьшение критического тока при высоких флюенсах можно объяснить частичной аморфизацией сверхпроводника.

Что касается критической температуры, то ее понижение начинается при значительно более высоких флюенсах, чем снижение критического тока, причем меняется и ширина перехода. Была обнаружена немонотонная зависимость ΔТ_с для ионов ксенона.

В настоящее время все чаще объясняют экспериментальные результаты по купратным ВТСП в рамках фононной модели спаривания куперовских пар [14–17], а именно, уменьшение Т_с при высоких флюенсах может быть обусловлено сильной деформацией плоскости Cu–O, что приводит к уменьшению плотности состояний за счет размытия протяженной сингулярности Ван Хова на поверхности Ферми [18, 19].

Авторы благодарят сотрудников СуперОкс С.В. Самойленкова, А.А. Молодыка, С. Ли за пре-доставление образцов сверхпроводников.