ابر رساناهای اکسیدی نانو ساختار

چکیده

ابر رساناهای اکسیدی به عنوان موادی در نظر گرفته می شوند که ساختار آنها در سطح میکرو یا نانو است. این شرط برای برای بدست آوردن یک ماده ی ابررسانا با دانسیته ی جریان بحرانی بالا( )، ضروری است. در این مقاله، اصول ابر رسانایی از جمله فلاکس مغناطیسی و به طور مختصر مورد بررسی قرار می گیرد. طراحی ابر رساناهای با دانسیته ی بالا مراکز شار نیز در نظر گرفته شده است. مواد نانو ساختار بر اساس طبیعت مراکز اتصال و روش های تشکیل آنها طبقه بندی شده اند. مواد ابر رسانا با ویژگی های پیشرفته یا از مواد تک کریستال با عیوب کریستالی و یا نانو کامپوزیت های دارای زمینه ی ابر رسانا با بخش های غیر ابررسانای بسیار ریز، تشکیل شده اند. روش های آماده سازی و ویژگی های یک چنین موادی نیز در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است.

مقدمه

از زمان کشف ابر رساناهای اکسیدی با بالا( HTSC) در سال 1986، بوسیله ی Mulller و Bednorz، این مواد بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. علت این موضوع، دمای بالای انتقال به حالت ابر رسانایی در این مواد است. این دما از دمای جوش نیتروژن مایع بالاتر است. این مسئله موجب شده تا این ماده برای استفاده در الکترونیک، انتقال برق الکتریکی، ذخیره سازی، تولید میدان های مغناطیسی بزرگ و شناورسازی مغناطیسی، مناسب باشند. تاکنون، مقادیر تا دمای 135 K در مواد مس دار بر پایه ی بوجود آمده است. بیشتر ابررساناهای مورد اطمینانی که بر پایه ی عناصر خاکهای کمیاب و بیسموت تولید می شوند، دارای بین 90 تا 110 K هستند. یک پارامتر فنی بسیار مهم ابر رسانا دانسیته ی جریان بحرانی( ) است. این پارامتر نشاندهنده ی ماکزیمم جریان الکتریکی است که می تواند در ماده جریان یابد بدون آنکه اتلاف انرژی رخ دهد. مقدار به اندازه ی کافی بزرگ است و برای بیشتر کاربردها در گستره ی تا است. اولین مواد HTSC تولید شده دارای مقادیر پایینی بودند. این ها با افزایش دما و اعمال میدان مغناطیسی، به شدت کاهش می یابد. دلایل اصلی این مسئله اتصالات بین دانه ای و شار مغناطیسی ضعیف در این مواد بوده است. پیچیدگی تکینیک های مورد استفاده در تولید این مواد باعث شده تا بتوان تا حدی بر این مشکلات فایق آمد و بتوان HTSC با کارایی بالا( در شکل های مختلفی از جمله فیلم های هم بافته، سیم های با هسته ی ابر رسانا و بخش های بالک) بدست آوریم.
مقادیر بالای می تواند تنها در مواد ناهمگن ایجاد شود. در این مواد، خطوط شار مغناطیسی به نواحی کوچکتری در زمینه ی ابر رسانا، محدود هستند. همانطور که در بخش های بعدی در مورد آن صحبت خواهیم کرد، ابر رساناهای پیشرفته به طور ضروری موادی نانو ساختار هستند.

پارامترهای ابر رسانا و محدود کردن شار مغناطیسی

حالت ابر رسانایی حالتی است که در آن مقاومت و القای میدان مغناطیسی در داخل نمونه صفر است. در زیر دمای ، حالت ابر رسانایی پایدار است و در نتیجه یک مقدار معین از انرژی برای تبدیل یک ابر رسانا به فلز معمولی مورد نیاز است. برای مثال وقتی میدان مغناطیسی کافی بر روی نمونه اعمال شود، این پدیده رخ می دهد. پارامترهای مهم حالت ابر رسانایی عبارتند از طول پیوستگی( )( که بوسیله ی فاصله ی برهمکنش جفت های الکترونی تعیین می شود)، عمق نفوذ( )( که بوسیله ی میدان مغناطیسی بوجود آمده در حجم ابر رسانا تعیین می شود). برای یک ابر رسانای با ، میدان مغناطیسی در کمتر از یک مقدار بحرانی شروع به نفوذ می کند. این کار با تشکیل آشوب های کوانتمی همراه است که این آشوب ها از کانال های باریکی تشکیل شده است که در آنها ابر رسانایی بوسیله ی جریان منتشر شده، در هم گرفته شده است( شکل 1). همچنین این مسئله مشاهده شده است که در این حالت، حجم اصلی ماده، ابر رسانا باقی مانده است. قطر هسته ی گردابی تقریبا است درحالی که جریان ابر رسانایی( و میدان مغناطیسی بوجود آمده) تا یک فاصله ی λ از مرکز تلاطم توسعه یافته است. وقتی یک تلاطم ایجاد می شود، مقداری انرژی( انرژی ممانعت جفت الکترونی) برای خنثی کردن ابر رسانایی در هسته ی آن، مصرف می شود. با دریافت انرژی( با استفاده از نفوذ میدان مغناطیسی در ناحیه ی اطراف تلاطم، این مقدار انرژی تأمین می شود. نیروهای دافعه ی ایجاد شده میان تلاطم ها، موجب می شود تا این بخش ها به صورت آرایش مثلثی قرار گیرند. با افزایش بیشتر میدان، تعداد تلاطم ها افزایش یافته و در میدان بحرانی بالایی( )، تلاطم ها با هسته ها در تماس می شوند، به نحوی که ابر رسانایی حجمی ناپدید می شود.
ابر رساناهای اکسیدی دارای در گستره ی 2 تا 4 نانو متر، ، و می باشد. در بین و ، جریان الکتریکی اعمال شده از میان ماده، جریانی از تلاطم را تحت نیروی لورنز ایجاد می کند. این جریان با اتلاف انرژی همراه است و از این رو، ماده نمی تواند به عنوان یک ابر رسانا در نظر گرفته شود. خوشبختانه، یک تلاطم می تواند در زمانی که هسته ی آن یک بخش غیر ابر رسانا را قطع کند، محدود شود( شکل 1). در این حالت، هیچ انرژی برای نفوذ حجمی میدان، مورد نیاز نمی باشد و انرژی تلاطم با مقادیر مربوط به انرژی ادغام در حجم ابر رسانا افت می کند. بنابراین، تلاطم در داخل چاه انرژی محبوس می شود و در همان بخش حبس می شود. این چاه با محدود شدن انرژی و محدود شدن نیروی شناسایی می شود. مورد اول با پایداری مرکز محدود کننده به سمت تهیج گرمایی، شناسایی می شود. مورد دوم حداقل انرژی لورنزی را تعیین می کند که باید برای به حرکت در آوردن تلاطم اعمال شود و از این رو، در این حالت، غیر صفر می شود. این با نیروی محدود کننده ی حجمی قابل مقایسه است. عموما، غلظت های بالاتر از مراکز محدود کننده در مقادیر بالاتر مهیا می شود و این مسئله باعث می شود تا افت با دما و میدان مغناطیسی، کمتر شود.
برای ایجاد بهترین کارایی، قطر بخش باید به قطر هسته ی تلاطم، نزدیک باشد( یعنی بین 4 تا 8 نانو متر باشد). بخش های کوچکتر و کوچک تری ایجاد می کند در حالی که بخش های بزرگتر دارای قسمت هایی هستند که در بر همکنش شرکت نمی کند.
می توان این تصور را داشت که ساختار ایده آل ماده باید به صورت زمینه ی پیوسته ای از ماده ای ابر رسانا باشد که یک آرایه ی منظم از ستون های غیر ابر رسانا( با قطر چند نانومتر) را در بر گرفته است. این ستون ها موازی میدان مغناطیسی است و بر شار جریان ابر رسانا عمود است. برای تولید یک چنین کامپوزیتی چالش ها و مشکلاتی وجود دارد. این مشکلات و چالش ها به طور کامل برطرف نشده اند. یک راه حل کنونی ایجاد توزیعی تصادفی از ستون های موازی و یا حتی بخش هایی نانومتری یا عیوب هم محور است. محاسبات نشان می دهد که تا 40 % حجمی نانو فاز موجود، رشد خواهد کرد. به عنوان نتیجه ای از این مسئله که بخش های بزرگ نیز تلاطم ها را محدود می کنند، این بخش ها می توانند چند تلاطم را به طور هم زمان محدود کنند. از لحاظ تئوری، می تواند برای بخش های با اندازه ی میکرونی، به مقداری بین تا برسد. به هر حال، به دلیل غلظت بالاتر در نسبت حجمی یکسان، بخش های نانو سایز ممکن است موجب شود تا میزان به مقدار یک یا دو رتبه، افزایش یابد.
موضوع مهم دیگر طبیعت محدود کنندگی است. میزان شیب دیواره ی چاه محدود کننده( ) به ویژگی های ماده بستگی دارد. با استفاده از یک ماده ی فلزی، گرادیان کمی ایجاد می شود علت این موضوع، عدم استقرار الکترون های فلزی است. با استفاده از یک ماده ی عایق، گرادیان معمولی ایجاد کی شود، در حالی که استفاده از ذرات فرو مغناطیس بیشترین گرادیان را ایجاد می کند. یک ناحیه ی با ابر رسانایی ضعیف( و حتی قوی) همچنین تلاطم را محدود می کند؛ اما محدود کردن چاه، دارای انرژی کمتری است. این انرژی با تفاوت در انرژی های ادغام زمینه و ذرات قابل مقایسه است. گرادیان دیواره همچنین به میزان شیب زمینه ی فصل مشترک یا ذرات قرار گرفته در داخل آن، بستگی دارد. تبدیل تدریجی از حالت ابر رسانایی به حالت غیر ابر رسانایی باعث می شود تا دیواره ی چاه محدودشوندگی، هموار شود.
یک ویژگی خاص HTSC ها ساختار لایه ای آنهاست( شکل 2). این ساختار نشاندهنده ی صفحات ابر رساناست که این صفحات بوسیله ی لایه های اکسید فلزی( با ویژگی عایق کاری الکتریکی) از هم جدا شده اند. بنابراین، یک جریان ابر رسانایی بزرگ می تواند به آسانی در صفحه ی ab ایجاد شود در حالی که مقدار آن در طول محور c اساسا کمتر است. بنابراین، این مهم است که یک ماده ی با بافت ایجاد کرد و جریان ابر رسانایی را در جهت ab اعمال کرد. یک چنین آن- ایزوتروپی الکترومغناطیسی همچنین در مقادیر پایین تر ξ_c نسبت به آشکار است. به عنوان یک نتیجه، تلاطم ستونی در طول محور c می تواند به تلاطم های پن کیکی متمرکز شده در داخل صفحات ابر رسانایی ab، تقسیم شود. این تلاطم ها، اثر محدود شوندگی را کاهش می دهد. در مورد آن- ایزوتروپی قوی، بخش های ستونی دارای میزان اثر کمتری هستند و با توجه به اثر محدود شوندگی، این بخش ها به صورت هم محور در می آیند. دانسیته ی جریان بحرانی بوسیله ی میدان مغناطیسی خنثی می شود و در یک میدان ( بسیار کمتر از ) به صفر می رسد.
یک دیاگرام شماتیک که نشاندهنده ی وابستگی به H و T در مورد محدود شوندگی قوی و ضعیف است، در شکل 3 آورده شده است.

طراحی مراکز محدود کننده ی شار

اصولا هر ناهمگنی در حالت ابر رسانایی می تواند به عنوان یک کاندیدا برای محدود کردن فلاکس در نظر گرفته شود. مکان های محدود کننده ی بالقوه می تواند به دو گروه تقسیم بندی شود:

عیوب ساختاری کریستالی

بخش های محدود کننده

در مورد اول، کی توان مواد تک فازی ابر رسانا را در نظرگرفت و در مورد دوم، می توان مواد کامپوزیتی را در نظر گرفت. عیوب نیز شامل عیوب نقطه ای مانند جاهای خالی اتمی، عیوب جانشینی و بین نشینی، عیوب طویل مانند نابجایی ها و مرزدانه ها، عیوب حاصل از تابش( بخش های آمورف ایجاد شده در ماده) می باشد. تشکیل یک چنین عیوبی در شکل 4 نشان داده شده است.
به عنوان یک فاز اضافه شده به ماده، کامپوزیت ها ممکن است دارای فازهای ثانویه باشند که از اجزای مشابه با فاز ابر رسانا تشکیل شده باشند. این فازها ممکن است فازهای خارجی باشند که از عناصر شیمیایی متفاوت با فاز ابر رسانا تشکیل شده اند. در موردی خاص تر، کاهش خصلت ابر رسانایی ممکن است در نواحی کریستالی با ترکیب شیمیایی متفاوت، رخ دهد. طبیعت ناهمگنی رویه ی تشکیل ماده را تعیین کی کند. ما با توجه به طبقه بندی اشاره شده در بالا، موادی خاص را در نظر خواهیم گرفت.

مواد ابر رسانا با عیوب کریستالی

عیوب نقطه ای

ابر رساناهای اکسیدی اکثرا به عنوان مواد هموژن( مانند تک کریستال) آماده سازی می شوند. این مواد در دمای 4.2 K معمولا دارای ( بالاتر از ) و ( بزرگتر از 10 T) بالا هستند؛ در حالی که در دماهای بالاتر، و به سرعت کاهش می یابد و در دمای 77 K، ماده ویژگی های ضعیفی پیدا می کند. پارامترهای بالا در دمای پایین معمولا به دلیل حضور تعداد زیاد مراکز محدود کننده با انرژی پایین( احتمالا جاهای خالی اکسیژن)، ایجاد می شود. با افزایش دما، انرژی حرارتی با انرژی محدود کنندگی قابل مقایسه می شود به نحوی که این عیوب نمی تواند از تلاطم ها جلوگیری کنند.
برای افزایش محدود کنندگی، این ابر رساناها با فلزات زیادی دوپ شده اند( معمولا مقدار این دوپ شدگی ها بر اساس درصد مولی بیان می شود) و برخی اوقات، این مسئله منجر به افزایش خصلت محدود کنندگی می شود( مانند موردی که در آن از Pb یا Pr استفاده می شود). به هر حال طبیعت افزایش در محدود شوندگی دقیقا مشخص نمی باشد زیرا این مواد دپ شونده با روش های مختلفی بر روی ویژگی های ماده اثر می گذارند. مثلا جانشینی کاتیونی می تواند دانسیته ی حامل های بار و آن- ایزوتروپی الکترومغناطیسی را تغییر دهد و ناخالصی های با فاز ثانویه به عنوان مراکز محدود کننده عمل می کنند.
بعدها شواهد قوی در زمینه ی اثر محدود کنندگی عیوب نقطه ای بدست آمد. ابر رسانای بالک ) با ZnO دوپ شده است. نمونه اندکی کاهش می یابد، در حالی که دانسیته ی جریان بحرانی در 77 K به صفر می رسد. این نمونه ها با نمونه های دپ نشده مورد مقایسه قرار گرفت. علاوه بر این، برخی اوقات، افزایش در ، اثر پیک مانندی دارد( یک ماکزیمم بر روی نمودار (H) بوجود می آید).
اثر Zn می تواند به صورت زیر نشان داده شود( شکل 4 را ببینید). این فهمیده شده است که Zn با مس موجود در صفحات جایگزین می شود و باعث کاهش در می شود. بنابراین، یک یون منفرد Zn ناحیه ای را ایجاد می کند که ابر رسانایی را متوقف می کند.انتظار می رود که قطر ناحیه در صفحه ی ab برابر 2ξ است. برای اینکه اجازه بدهیم جریان ابر رسانایی ایجاد شود، نواحی تشکیل شده در اطراف یون های Zn‌ مختلف نباید همپوشانی داشته باشند. این مسئله مستلزم آن است که حد بالای دوپ شوندگی x در در اندازه های باشد. در حقیقت، بیشترین مقدار برای x= 0.0003 بدست می آید و مقدار برای Y-123 در x= 0.001 کاهش می یابد.
از لحاظ تئوری، برای ایجاد یک مرکز محدود کننده، یون دوپ شده باید به طور کامل ابر رسانایی را در فاصله ای قابل مقایسه با ، تخریب کند. یعنی فاصله ای بزرگتر از فاصله ی بین اتمی. از این رو، این انتظار را می توان داشت که یک یون فلزی بیگانه مانند Zn می تواند موجب ایجاد شکستگی در بسیاری از همسایه های یون های Cu شود. مکانیزم حقیقی حاصله از این اثر دوپ شوندگی هنوز مشخص نمی باشد. این مسئله را نمی توان مستثنی کرد که یون های خارجی می توانند پیوستگی در شبکه ایجاد کنند. این نکته باید تذکر داده شود که این همبستگی ها می توانند برای اثر محدودکنندگی، مفید تر باشند و یا برخی از عیوب را ایجاد کنند. برای مثال، در تک کریستال های Bi- 2212 دوپ شده با یون های Ti، این مشاهده شده است که جایگزینی یون های مس با یون های Ti می تواند منجر به تشکیل جفت های مرزدانه ای آنتی فازی( موازی با محور c) می شود به نحوی که صفحات شکسته می شوند.
یک وی‍ژگی مهم محدودکنندگی با استفاده از عیوب نقطه ای، مقدار اندک ماده ی دوپ شونده ی مورد نیاز است. افزایش در و برای ابررساناهای دوپ شده با Cr قابل مشاهده می باشد( ماکزیمم این اثر در x=0.001 مشاهده شده است). یک ماکزیمم محلی در نمودار به غلظت مواد دوپ شونده در غلظت 0.1 وزنی برای سرامیک های Bi- 2223 با افزودنی های TaC، NbC و HfN ( به میزان 0.1 درصد جرمی) وجود دارد. مقادیر اندک از Ti، Zr و Hf موجود دراین مواد، از بخش های نقره ای موجود در این ساختارها به بخش های Bi- 2223 نفوذ می کنند و موجب می شوند تا افزایش یابد. در تمام موارد، احتمال افزایش بواسطه ی وجود اثر محدود کنندگی عیوب نقطه ای کاملا محتمل است.

نابجایی ها و مرزدانه ها

این فهمیده شده است که در با کاهش اندازه ی دانه ی مواد پلی کریستال، افزایش پیدا می کند. در این مورد، مرزدانه ها نقش مکان های محدود کننده را ایفا می کند. این مرزدانه ها بر روی جریان ابر رسانایی اثرگذار نیستند. در سرامیک های اکسیدی بدون بافت، مرزدانه ها معمولا در برابر جریان ممانعت می کند. علت این مسئله، مقدار ξ_ab پایین و وجود رفتار اتصال ضعیف( ممانعت زیاد داخل دانه ای حتی در میدان ضعیف)است. رفتار مکانیکی ابر رساناهای اکسیدی تحت تأثیر نابجایی هایی است که به طور قابل توجهی در داخل دانه ای اثرگذار هستند. در همین زمان، اتصالات داخل دانه ای می توانند تخریب شوند که این مسئله منجر به کاهش وی‍‍‍ژگی های انتقال می شود. برای جلوگیری از این مشکل، از روش های شکل دهی گرم برای شکل دهی این ابر رساناها استفاده می شود.
بیشترین مقدار در فیلم های نازک با رشد هم بافته، ایجاد شده است. این فیلم ها معمولا از روش رسوب دهی از فاز بخار( تبخیر لیزری، کندو پاش مغناطیسی و روش رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار)و بر روی زیرلایه ی تک کریستال، تولید می شوند. این زیرلایه ها باید عدم تطابق اندکی با ماده ی ابر رسانا داشته باشند. این فیلم ها دارای ضخامت کمتر از 1 میکرون هستند و صفحه ی ab آنها موازی صفحه ی فیلم می باشد و ایجاد شده بوسیله ی برای R-123 از بزرگتر است. این مقدار در Bi- 2212 در دمای 77 K برابر ‌ است. از لحاظ ریزساختاری، آنها شامل دانه های دو محوری با اندازه ی زیر میکرون هستند که در آنها مرزدانه ها به صورت کم زاویه می باشد( شکل 4). هر مزر از آرایه ای از نابجایی تشکیل شده که این نابجایی ها بر سطح فیلم عمود هستند( در طول محور c). این گفته شده است که این نابجایی ها مراکز محدودکننده ی مؤثری هستند. مشاهدات مستیم تلاطم ها نیز این قضیه حمایت می کند. خطوط شار در جهتی قرار دارند که در آنها نابجایی ها عمود بر جریان می باشد. عیوب ایجاد شده در این بخش ها دارای نظم کوتاه برد می باشند که این موضوع منجر به کاهش دافعه ی تلاطم داخلی می شود و این موضوع نیز محدود کنندگی را تقویت می کند.
دانه( میان نابجایی ها) تنها دارای انحراف اندکی نسبت به شبکه ی کریستالی هستند و این موضوع موجب می شود تا رساناهای خوبی ایجاد شود.
سایر عیوب کریستالی و بخش هایی نانو سایز در فیلم های با رشد همبافته همچنین می توانند در اثر محدود شوندگی مشارکت داشته باشند.

عیوب تابشی

خسارت های تابشی می تواند با در معرض تابش قرار گرفتن نمونه ها ایجاد شود( شکل 4). این مسئله در مواردی که از اتم های پرتو زا استفاده شده است، نیز مشاهده می شود. تابش اشعه به طور مکرر برای ایجاد عیوب با غلظت مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. سهولت این کار با استفاده از تغییر میزان تابش اشعه بیشتر می شود. تابش با نوترون و پروتون عیوب محلی ایجاد می کند که این عیوب دارای قطری برابر با چند نانومتر هستند. یون های سنگین با انرژی کافی( طلا،‌سرب و ...) ستون های ی طویل از مواد آمورف با اندازه هایی در حد 10 نانومتر ایجاد می کنند. یک چنین عیوبی به طور زیادی بر روی محدود کنندگی شار اثرگذار هستند و از این رو، تابش یون های سنگین و اثر آنها بر روی این ساختارها، به طور مکرر مورد بررسی قرار گرفته است. تک کریستال های HTSC که در دمای پایین، دارای پایینی هستند، بعد از در معرض تابش قرار گرفتن، از خود بالایی نشان می دهند. محدود شوندگی،‌ابتدا با افزایش دوز تابش افزایش می یابد و سپس در زمانی که ابر سانا به طور قابل ملاحظه ای تخریب شود، کاهش می یابد. در Y- 123 با آنیزوتروپی کم، ابتدا اثر زیادی برای کانال های ایجاد شده در طول محور C مشاهده می شود( در حالی که جریان در صفحه ی ab اعمال می شود). در Bi- 2212‌ با آنیزوتروپی بالا، جهت کانال ها به حدی مهم نمی باشد که برای محدود کنندگی تلاطم های پنکیک مانند،در نظر گرفته شود. تابش یون های سنگین اجازه می دهد تا به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد. این مسئله حتی در فیلم های با رشد همبافته ی( با بالا) نیز مشاهده می شود.
این مسئله باید تذکر داده شود که تابش با پروتون های پر انرژی باعث شکافت هسته ای می گردد که این شکافت نیز موجب می شود تا مسیرهای آمورف به طور رندوم جهت گیری کنند. این جهت گیری مشابه عیوب ستونی است که بوسیله ی تابش یون های سنگین در ساختار ایجاد می شود.
برای استفاده ی درجا از شکافت هسته ای در مواد اولیه، ترکیبات با استفاده از اورانیوم 235 دوپ می شوند. بعد از فرایند ذوب در مواد بالک دوپ شده با Y- 123، رسوبات زیر میکرونی از یا درحضور پلاتین)تشکیل می شود. این رسوبات به خودی خود به عنوان مراکز محدود کننده عمل می کنند و موجب افزایش متوسطی در می شود. سپس این نمونه ها بوسیله ی نوترون بمباران می شود که این بمباران منجر به تشکیل مسیرهایی در زمینه ی ابر رسانا می شود. این مکان های جدید محدودکننده، افزایش قابل ملاحظه ای در ایجاد می کند. این تکنیک اجازه ی تولید مواد بالک با مقدار برابر با را در دمای 77 K را به ما می دهد.
ابر رساناهای Bi- 2223 نیز با استفاده از می شوند که ماده ی حاصله، ماده ای با توزیع یکنواخت از مواد دپ شونده است. این مواد دپ شده عمدتا به صورت رسوبات ریز هستند که تابش نوترون منجر به یک افزایش در ( در انرژی های محدود کنندگی مؤثر) می شود و خط غیر تعادلی را به میدان های بالاتر شیفت می دهد.

کامپوزیت های با زمینه ی ابر رسانا

شکل گیری کامپوزیت

با در نظر گرفتن مواد ابر رسانای اکسیدی به عنوان کامپوزیتی با دو یا تعداد بیشتر فاز، می توان راه های مفیدی برای طراحی مواد با وی‍ژگی های پیشرفته، بدست‌ آوریم. فاز زمینه ی یک چنین کامپوزیت هایی از یک ابر رسانا تشکیل شده است. این ابر رسانا اجازه می دهد تا یک جریان ملایم بدون ایجاد تفرق در مرزدانه ها تولید شود. این کامپوزیت ها می توانند از سرامیک های با بافت تشکیل شده باشند که در آنها مرزدانه های تمیز وجود دارد و یا ماده یک ماده ی تک کریستال باشد. فاز پراکنده باید به طور یکنواخت توزیع شده باشد و بخش های کاملا ریزی را تشکیل دهد. فازهای تشکیل دهنده از لحاظ شیمیایی خنثی می باشند تا از ایجاد ممانعت در رویه ی ابر رسانایی، جلوگیری شود. علاوه بر این، در فاز رسوب داده اوستوالد رایپنینگ جدایش نیز رخ نمی دهد. پایداری شیمیایی وقتی به خوبی ایجاد می شود که هر دو جزء تشکیل دهنده ی کامپوزیت از لحاظ ترمودینامیکی پایدار باشند. یعنی در شرایط تشکیل ماده( دما و فشار جزئی اکسیژن) هم از لحاظ شیمیایی و هم فازی در تعادل باشند. سازگار بودن یک مقوله ی مهم می باشد زیرا فاز ابر رسانا اغلبا هم از مذاب و هم از جامدهایی با دمای نزدیک به دمای ذوب، بدست می آیند. تحت چنین شرایطی، بیشتر زیر لایه ها با فاز ابر رسانا و مذاب آن، واکنش نمی دهند. بر همکنش برای افزودنی های محدود کننده، سریع تر است زیرا آنها فازی با پراکندگی زیاد هستند.
با در نظر گرفتن افزودن اجزای جدید به سیستم ابر رسانا، این اطمینان باید حاصل شود که پارامترهای ترمودینامیکی ابر رسانایی در سطح بالایی قابل قبول باشد. همانگونه که در تحقیقات اخیر مشخص شده است، اجزای جدید مورد استفاده نباید در فاز ابر رسانا حل شوند.
چندین راه برای تشکیل یک کامپوزیت از مواد اولیه وجود دارد. این راه ها در شکل 5 نشان داده شده است. سر راست ترین راه، انتخاب نسبتی از مواد اولیه است که در دیاگرام آنها ناحیه ی دو فازی بوجود آید. در این ساختارها، ابر رسانا فاز پراکنده است و یک عملیات حرارتی نیز بر روی ابر رسانای ایجاد شده، اعمال می شود. برای تولید نوارهای با هسته ی Bi- 2223، معمولا یک عملیات حرارتی حالت جامد انجام می شود. برخی اوقات، در طی این فرایند، ذوب شدگی با اعمال شک به عنوان یک مرحله ی میانی انجام می شود. برای ابر رساناهای بالک R- 123 و تولید بخش های بالک و نواری از Bi- 2212، بهترین روش انجماد از حالت مذاب می باشد. ترکیب شیمیایی این مذاب به نحوی انتخاب می شود که پس از انجماد رسوبات تشکیل شود. برای بدست آوردن رسوبات بسیار ریز، مواد اولیه بسیار هموژن و با اندازه ی ذرات زیر میکرونی هستند.
یکی دیگر از روش ها تولید مواد تک فاز با ترکیبات خاصی است که منجر به تولید محلول های جامد ابر رسانا می شود. سپس دما به نحوی تغییر می کند که یک فاز ابر رسانا به همراه یک فاز ثانویه ایجاد شود. یک نوع خاص از تجزیه در زمانی رخ می دهد که در زمان سرد کردن، یک امتزاج ناپذیری در محلول جامد ایجاد گردد. در این مورد، جدایش فازی با استفاده از مکانیزم اسپینودال می تواند ایجاد شود. این مسئله منجر به ایجاد مواد نانو ساختار می شود. یکی از فازهایی که دارای خاصیت ابر رسانایی ضعیف تری است، می تواند نقش محدود کننده را بازی کند.
به طور مشابه، تغییر در یک ناحیه ی فازی معین با تغییر فشار بخار جزئی اکسیژن امکان پذیر می باشد.

کامپوزیت ها: زمینه ی ابر رسانا به عنوان فاز ثانویه

سیستم های شیمیایی چند جزئی تولید شده با استفاده از ابر رساناهای اکسیدی کاملا پیچیده هستند و در این مواد، فازهای مجاور زیادی به همراه فاز ابر رسانا وجود دارند. طبیعتا این فازها ابتدا به عنوان افزودنی های محدود کننده ی بالقوه در نظر گرفته می شوند.

کامپوزیت ها: زمینه ی ابر رسانا به عنوان فاز خارجی

استفاده از فاز خارجی می تواند امکان تغییر ریزساختار و خواص کامپوزیت را به همراه داشته باشد.
مثلا در فراین ذوبی R-123، ابتدا اجزای اضافی برای ایجاد اثر بر روی توزیع فاز R-211 در کامپوزیت مورد استفاده قرار می گیرد. افزودن مقادیر اندک از Pt، و می تواند منجر به ریز شدن ذرات R-211 شود. البته استفاده از این مواد، به خودی خود می تواند منجر به تشکیل ذراتی با فازهای متفاوت شود.
یک مطالعه ی گسترده بر روی اجزای جدید سیستم Bi-(Pb)-Sr-Ca-Cu-O نشان داده است که یک گستره ی وسیع از اکسیدهای فلزی می توانند به مواد بر پایه ی Bi- 2212 و Bi- 2223 افزوده شوند( بدون آنکه بر روی ابر رسانایی اثر خاصی داشته باشند).
در بیشتر موارد، این فازها دارای ترکیبات پیچیده ای هستند و بنابراین اگر یک فاز اکسیدی ثانویه به آنها افزوده شود، با این فازهای واکنش می دهد و بنابراین ویژگی ابر رسانایی آنها را تخریب می کند. از این رو، این مهم است که افزودنی های مورد استفاده دارای نسبت های عنصری خاصی باشند.

کامپوزیت های تولید شده با استفاده از روش تجزیه ی فاز ابر رسانا

فازهای Bi- 2212 و Bi- 2223 دارای گستره ی وسیعی از محلول های جامد کاتیونی هستند. ترکیب این فازها به دما و فشار جزئی اکسیژن بستگی دارد. با استفاده از تغییر دما و فشار جزئی اکسیژن، تجزیه ی اولیه در فاز اولیه ایجاد می شود. این روش، برای سنتز سرامیک های Bi- 2212ی مورد استفاده قرار می گیرند که دارای بخش های زیر میکرونی از Bi- 2201، ، و است. این روش همچنین برای تولید سرامیک های Bi- 2223 دارای بخش های Bi- 2212 و مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال در ، Bi- 2212 خالص که در آن، نسبت Sr به Ca بالاست، تولید می شود و سپس نمونه در دمای عملیات حرارتی می شود. این عملیات منجر به تشکیل فاز ثانویه با اندازه ی 100 نانومتر می شود( شکل 5). بعد از استفاده از این رویه، داخل دانه ای در دمای 30 K، 3 تا 6 برابر بزرگتر می شود. طولانی تر شدن عملیات حرارتی منجر به درشت شدن ذرات فاز ثانویه و کاهش می شود. آنیل کردن Bi- 2212 در دمای ، منجر به رسوب دهی ذرات با فاز ثانویه می شود( این ذرات اندازه ای بین 20 تا 100 نانومتر دارند).
در برخی مطالعات عناصر خاک های کم یاب به جای عناصر سرامیک های Bi- 2212 جایگزین شده اند. این جایگزینی موجب تغییر سرعت رسوب دهی فاز ثانویه می شود.
جدایش محلول جامد برای تشکیل کامپوزیت ها هم برای ابر رساناهای Bi- 2212 و هم برای ابر رساناهای R- 123 انجام شده است. جدایش فازی این مواد در هنگامی که با استفاده از مواد دوپ شونده ای مانند سرب، دپ شده بودند، مورد بررسی قرار گرفت. در هنگام سرمایش، تک کریستال ها مانند سرامیک های با اندازه ی دانه ی درشت، تعداد دومین های با اندازه ی زیر میکرون افزایش پیدا می کند. این مسئله موجب تشکیل الگوهای لایه ای می شود( شکل 5). در این مواد، ساختار کریستالی یکسان باقی می مانند، اما ترکیب شیمیایی دمین ها متفاوت است. این دمین ها از سرب غنی است، در حالی که زمینه تهی از سرب است. این فرض شده است که بخش های غنی از سرب دارای کمتری هستند و نقش مراکز محدود کننده را ایفا می کند. این مسئله این حقیقت را توصیف می کند که چرا این مواد دارای مقادیر و H_irr بالاتری در مقایسه با نمونه های دارای مقدار x کمتر از 0.4 هستند.
در زمانی که کاتیون خاک های کمیاب دارای شعاع بزرگی هستند( مانند La، Nd و Pr)، ترکیب R- 123 یک محلول جامد در گستره ی ایجاد می کند. با افزایش x، مقدار به سرعت کاهش می یابد. ترکیبات دارای Nd، به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته اند. نمونه های با X= 0 با ایجاد بافت در یک محلول جامد و تحت شرایط خاص، تولید می شود. فازهای دارای مقادیر x بالا، بخش هایی نانومتری را در زمینه ای با مقادیر x پایین، ایجاد می کنند. این مواد مقادیر بهتری را در میدان مغناطیسی از خود نشان می دهند و نمودار هیسترسیس آنها اغلبا دارای پیک مشخصه می باشد. این اثر به تخریب ابر رسانایی تحت میدان مغناطیسی و در نواحی ابر رسانایی ضعیف، مربوط می شود.

نتیجه گیری

نانو ساختار کردن ابر رسانا یک شرط کلیدی برای بدست آوردن موادی با دانسیته ی جریان بحرانی بالا می باشد. این دانسیته در دماهای بالا و میدان مغناطیسی، حفظ می شود. افزایش قابل توجهی در با استفاده از غلظت های بالایی از مراکز محدود شوندگی( مانند عیوب کریستالی یا بخش های فازی بسیار ریز غیر ابر رسانا)، ایجاد می شود. رویه های عمومی در زمینه ی توسعه ی مواد، می تواند با تغییر اندازه ی مراکز محدودکنندگی از میکرو به نانو، با ساخت مراکز محدود کننده ی با شکل معین( ستونی) و ایجاد آرایه ای منظمی از مکان های محدود کننده، ایجاد شود. این باید تذکر داده شود که در یک ماده ی پیشرفته باید فاکتورهای بسیاری مانند انواع مختلف مراکز محدود کننده، کیفیت اتصالات داخل دانه ای و ویژگی های ابر رسانایی زمینه ی اصلاح شده، در نظر گرفته شود. پیشرفت های دیگر در زمینه ی طراحی ابر رساناهای اکسیدی با کارایی بالا با آگاهی ها در زمینه ی زیر ساختار ذرات و ارتباط آنها با ویژگی های ابر رسانایی، ایجاد می شود.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.