Электрофизические свойства анизотропных композиционных материалов и их использование для создания криогенных переключающих элементов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

/ - ■ ^ /

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

На правах рукописи УДК 538.945:537.312.62:678.01

ВОЛКОВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНИЗОТРОПНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ СОЗДАНИЯ КРИОГЕННЫХ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность: 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов,

автоматизация физических исследований.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к.ф.-м.н., с.н.с. Ю.В.Лисичкин

Обнинск-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ.

1. ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................7

1.1. Ситуация в исследуемоей области и постановка задачи.........................................7

1.1.1. Выбор направления исследования и определение терминов.....................................7

1.1.2. Актуальность работы..................................................................................................9

1.1.3. Существующие проблемы..........................................................................................10

1.1.4. Цель работы................................................................................................................11

1.1.5. Предлагаемое решение................................................................................................12

1.2. Значение и содержание диссертации...........................................................................13

1.2.1. Научная новизна..........................................................................................................13

1.2.2. Практическая и теоретическая ценность...............................................................14

1.2.3. Положения, выносящиеся на защиту.......................................................................15

1.2.4. Апробация работы и публикации...............................................................................16

1.2.5. Структура и объём диссертации..............................................................................17

1.2.6. Содержание диссертации..........................................................................................17

1.2.7. Используемые обозначения и сокращения................................................................18

2. ИЗУЧЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ, ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КРИОЭЛЕКТРОНИКЕ..............................................................................20

2.1. Введение.............................................................................................................................20

2.1.1. Принцип работы традиционных криотронов на основе низкотемпературных сверхпроводников......................................................................................................................20

2.1.2. Проблемы и возможности практического применения ВТСП..............................21

2.2. Разработка переключающего элемента на основе монокристалла ВТСП........22

2.2.1. Основные особенности монокристаллов ВТСП, как возможной основы переключающего элемента......................................................................................................22

2.2.1.1. Анизотропия..........................................................................................................23

2.2.1.2. Кроссовер...............................................................................................................25

2.2.1.3. Разрывная мощность..................................... .......................................................27

2.2.2. Новый тип переключающего элемента - кроссотрон............................................27

2.2.2.1. Физические принципы работы кроссотрона......................................................27

2.2.2.2. Возможности управления кроссотроном............................................................28

2.2.3. Проблемы и возможности практической реализации кроссотрона. Вопросы технологии.................................................................................................................................30

2.2.3.1. Кроссотрон на основе монокристалла ВТСП....................................................30

2.2.3.2. Кроссотрон на основе пленки ВТСП..................................................................33

2.2.3.3. Кроссотрон на основе сверхпроводящей сверхрешетки..................................34

2.2.3.4. Некоторые особенности технологии...................................................................36

2.3. Экспериментальное изучение возможности работы кроссотрона........................36

2.3.1. Обсуждение методики испытания...........................................................................36

2.3.1.1. Кроссотрон на основе монокристалла ВТСП...................................................37

2.3.1.2. Кроссотрон на основе пленки ВТСП..................................................................37

2.3.2. Измерение температурных зависимостей анизотропии сопротивления и критического тока монокристаллов ВггЗггСаСщОв+х-........................................................38

2.3.3. Изучение взаимодействия параллельных токов в плоскости (а,Ь) монокристалла..........................................................................................................................43

2.3.4. Изучение взаимодействия взаимоперпендикулярных токов

в монокристалле ВТСП...........................................................................................................45

2.3.4.1. Обоснование методики эксперимента................................................................45

2.3.4.2. Схема измерений..................................................................................................46

2.3.4.3. Подготовка образцов............................................................................................46

2.3.4.4. Результаты измерений в "обратной" геометрии................................................48

2.3.4.5. Результаты измерений в "прямой" геометрии...................................................50

2.4. Обсуждение результатов.................................................................................................56

2.4.1. Коэффициент усиления по току................................................................................56

2.4.2. Форма управляющей характеристики............................. .........................................57

2.5. Выводы...............................................................................................................................57

3. ТЕКСТУРИРОВАННЫЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: ТЕХНОЛОГИЯ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ.............................................................................................................................59

3.1. Введение.............................................................................................................................59

3.1.1. Основные проблемы, возникающие при изготовлении объёмных ВТСП материалов с высокой токонесущей способностью............................................................59

3.1.2. Определение направления исследований....................................................................60

3.2. Технология........................................................................................................................61

3.2.1. Технология управляемого текстурирования........................ .....................................61

3.2.1.1. Особенности и возможности технологии........................ ....................................61

3.2.1.2. Характеристики установки.................................. ................................................63

3.2.1.3. Изготовление образцов........................................................................................63

3.2.1.4. Особенности В1- и У-содержащих ВТСП-фаз.................................................65

3.2.1.5. Технология для У-со держащей ВТСП-фазы.....................................................66

3.2.1.6. Технология для В ¡-со держащих ВТСП-фаз......................................................67

3.2.1.7. Текстура с максимальным значением удельной разрывной мощности........68

3.2.2. Криомагнитная ориентация......................................................................................69

3.2.2.1. Сущность технологии...........................................................................................69

3.2.2.2. Примеры выполнения...........................................................................................69

3.3. Методы контроля параметров образов с изменяемым профилем структуры.......73

3.3.1. Локальные неоднородности: их исследование и влияние на свойства ВТСП образцов.....................................................................................................................................74

3.3.2. Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ (рентгеновские методы)... 75

3.3.3. Метод микродатчика Холла (магнитные измерения)............................................ 76

3.3.3.1. Методика...............................................................................................................76

3.3.3.2. Схема экспериментальной установки........................... ......................................77

3.3.3.3. Результаты.............................................................................................................79

3.4. Применение текстурированных ВТСП в переключающих элементах..............80

3.4.1. Введение: особенности применения сильно анизотропных

текстурированных ВТСП........................................................................................................80

3.4.2. Защита контактов сильнотоковых ВТСП-устройств..........................................81

3.4.2.1. Проблема................................................................................................................81

3.4.2.2. Обоснование предлагаемого подхода........................... ......................................83

3.4.2.3. Схема эксперимента...................................... .......................................................85

3.4.2.4. Обсуждение результатов.................................... ...................................................86

3.4.3. Снижение энергии управления криотроном......................... .....................................88

3.4.3.1. Анализ ситуации......................................... ...........................................................88

3.4.3.2. Возможности текстурированных ВТСП.............................................................89

3.4.3.3. Предлагаемый вариант устройства............................. ........................................90

3.4.4. Повышение быстродействия.....................................................................................92

3.4.4.1. Анализ ситуации...................................................................................................92

3.4.4.2. Предлагаемый подход..........................................................................................93

3.4.4.3. Предлагаемый вариант устройства.....................................................................93

3.5. Выводы...............................................................................................................................95

4. ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С АНИЗОТРОПИЕЙ

ПРОВОДИМОСТИ КАК ОСНОВА ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ................98

4.1. Введение.............................................................................................................................98

4.1.1. Особенности и возможности материала......................... .......................................98

4.1.2. Роль температуры......................................................................................................99

4.2. Изучение Р(Т) в полимерных композиционных материалах...............................100

4.2.1. Термогенный перколяционный переход...................................................................100

4.2.1.1. Модель термогенного перколяционного перехода........................................101

4.2.1.2. Экспериментальное изучение термогенного перколяционного перехода.... 107

4.2.2. Гистерезис и инверсия гистерезиса............................. ...........................................109

4.3. Разработка датчиков температуры криогенного диапазона на основе полимерных композиционных материалов.......................................................................112

4.3.1. Постановка задачи....................................................................................................112

4.3.2. Устройство и принцип работы датчика температуры......................................115

4.3.3. Технико-экономические преимущества...................................................................117

4.4. Выводы.............................................................................................................................117

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................119

5.1. Основные выводы и результаты..................................................................................119

5.2. Благодарности................................................................................................................121

6. ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................122

1. ОБЩЕЕ ВВЕДЕНИЕ

1.1. Ситуация в исследуемоей области и постановка задачи.

1.1.1. Выбор направления исследования и определение терминов.

В настоящее время большой интерес исследователей вызывает диапазон криогенных температур, что связано с целым рядом крупных научных достижений в области высокотемпературной сверхпроводимости. Теоретическая возможность и экономическая целесообразность бездиссипативной передачи энергии с помощью высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) заставляют искать пути их использования в промышленности и технике.

В частности, важным и перспективным направлением стала разработка сверхпроводящих управляемых переключающих элементов (криотронов)1, которые необходимы для работы многих сильнотоковых электротехнических (преобразователи тока, индуктивные накопители энергии) и слаботоковых криоэлектронных устройств (логические элементы, ячейки и блоки памяти сверхпроводниковых ЭВМ и др.).

Криогенными принято считать температуры, при которых тепловые колебания решетки вещества сильно ослабляются, и в веществах начинают проявляться квантовые эффекты, замаскированные тепловым движением частиц при обычных температурах". Это и приводит, в конечном счете, к тем удивительным особенностям сверхпроводников, в которых квантовые эффекты проявляются в макроскопических масштабах, а также к целому ряду качественно новых явлений и эффектов в других материалах. Область криогенных температур, при которых четыре газа (азот, неон, водород и гелий) превращаются в криогенные жидкости, обычно условно разделяют на четыре диапазона: азотный (80 К), неоновый (27 К), водородный (20

I Чтобы провести границу раздела между элементом, который будет рассматриваться здесь, и рядом других переключающих сверхпроводниковых элементов, приведём следующее определение, предложенное Группой нормативов 28.0.2 Института радиоинженеров США [44]: "Криотроном называется сверхпроводящий элемент с двумя входами, в котором ток во входной цепи своим магнитным полем управляет переходом из сверхпроводящего в нормальное состояние в выходной цепи, если ток в выходной цепи меньше своего критического значения".

II Согласно рекомендации, принятой 13-м конгрессом Международного института холода (1971), криогенными температурами следует называть температуры ниже 120 К.

К) и гелиевый (-4,2 К). Наибольшее внимание привлекает сегодня диапазон азотных температур, поскольку охлаждение относительно дешевым жидким азотом уже достаточно для возникновения сверхпроводимости в большинстве недавно открытых металлооксидных ВТСП.

Криоэлектроника или криогенная электроника - новое перспективное направление электроники, основанное на сверхпроводимости и других явлениях, существующих в твердом теле при криогенных температурах. Термин "криогенная электроника" впервые появился в названии сборника, выпущенного в США в 1964 г. Научную базу криоэлектроники составили физика твердого тела при низких температурах совместно с физикой низких температур, выделившейся в самостоятельную науку.

Криоэлектроника является комплексной областью знаний и включает несколько направлений, из которых нас будут интересовать сверхпроводниковая криоэлектроника и криоэлек-тронное материаловедение.

Сверхпроводниковая криоэлектроника, начавшаяся с создания криотрона, развивается по пути разработки основанных на сверхпроводимости дискретных приборов с уникальными характеристиками.

Криоэлектронное материаловедение охватывает изучение электронных и магнитных явлений в охлажденных твердых телах, разработку технологии и синтез новых материалов с заданными свойствами в области криогенных температур с целью создания новых дискретных криоэлектронных элементов, функциональных радиоэлектронных приборов и микроохладителей.

Развитие криоэлектроники как новой отрасли техники непрерывно ставит перед исследователями такие интересные задачи, как:

- создание электронных приборов с принципиально новыми свойствами на основе открываемых физических явлений в области низких температур;

- изменение физических свойств структур за счет глубокого охлаждения для получения принципиально нового прибора.

При переходе ВТСП в режим сверхпроводимости наблюдается высокая степень упорядочивания на уровне электронной структуры, когда по степени интеграции электронов образец (как в виде монокристалла, так и в виде гетерофазного поликристалла) представляет собой единую "молекулу". Это указывает на то, что повышение степени организации гетеро-фазных структур при охлаждении может происходить не только в случае ВТСП, но и в иных неупорядоченных системах. При этом данные системы могут проявлять уникальные свойства с точки зрения использования в технических приложениях.

Вероятно, поэтому криоэлектроника стала привлекать не только исследователей, работающих в области электроники, но и специалистов по физике твердого тела.

1.1.2. Актуальность работы.

Одновременно с активизацией работ по практическому использованию и расширению областей применения ВТСП, естественно, встали проблемы, во-первых, технической совместимости новых сверхпроводников с существующими и уже используемыми в технике материалами, а во-вторых, возможности применения этих известных материалов в низкотемпературной области существования сверхпроводимости. Поэтому актуальным становится изучение свойств известных материалов с точки зрения возможности совместной со сверхпроводниками эксплуатации при этих условиях.

Как уже отмечалось выше, упорядочивание электронной структуры в образцах ВТСП при переходе в сверхпроводящее состояние указывает на необходимость поиска и исследования явлений самоорганизации электронов в других гетерофазных структурах при их охлаждении, в частности, в композиционных полимерных материалах, имеющих чрезвычайно широкую палитру технических приложений.

Одним из таких перспективных композиционных материалов являются двухфазные системы на основе электроизолирующей полимерной матрицы с анизотропно распределенным в ней проводящим дисперсным наполнителем.

Наш интерес к двум вышеупомянутым анизотропным композиционным материалам, -ВТСП и электропроводящим полимерам, - помимо перспективности их технических применений, вызван наличием у них фазовых переходов, которые сопровождаются изменением пространственной размерности удельного электросопротивления.

Подобные материалы представляются весьма привлекательными для создания на их основе переключающих элементов с существенно нелинейной вольт-амперной характеристикой, в которых положительная внутренняя обратная связь по току обеспечивается увеличением электропроводности при фазовом переходе.

Яркими примерами таких объ