Керамический материал

 

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 IBa₂Cu₃O_7-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 IBa₂Cu_3-xNb_xO₇ где 1≅x≅3.

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 компонент JBa₂Cu₃O_7-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 JBa₂Cu₃O_9-δ 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 JBa₂Cu₃O_7-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)Nb_xO₇, где 1 ≅ Х ≅ 3.

Такая смесь окислов после двухстадийной термической обработки на воздухе 940^оС в течение 15-20 ч и 970^оС в течение 3-5 ч, последующем размоле, прессовки, термообработки при 970^оС на воздухе в течение 3-5 ч и затем при 450^оС 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 ρ≈ 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 ρ≈ 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 JBa₂Cu_3-xNb_xO₇(сверхпроводник-изолятор, сверхпроводник-нормальный проводник). При дальнейшем увеличении содержания ниобия продолжается увеличение удельного сопротивления до ρ≈ 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 JBa₂Cu_2,9Nb_0,1O₇ (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 JBa₂Cu_1,5Nb_1,5O₇ (J₂O₃ 2,8 г;
Ba₂CO₃ 8,70 г; СuO 5,0 г;
Nb₂O₅ 1,0 г) смешивались в агатовой вибромельнице и выдерживались при 940^оС в течение 18 ч на воздухе для синтеза соединения и затем при 970^оС в течение 4 ч для введения Nb. Эта температура должна выдерживаться с высокой точностью, поскольку, как показали эксперименты, при 960^оС в шихте остается много непрореагировавших частиц Nb₂O_5, температура 980^оС 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 970^оС в течение 4 ч (спекание), а затем при 450^оС 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 ρ 0,1 Ом ˙ см; N₂ ρ 1,1 МОм˙ см; N₃ ρ 3,5 МОм˙ см.

Это сопротивление практически не изменялось при последующих термообработках в диапазоне температур 450-970^оС.

Изобретение позволило получить керамический материал JBa₂Cu_3-xNb_xO₇, имеющий кристаллическую решетку, совпадающую с кристаллической решеткой сверхпроводника JBa₂Cu₃O_7-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.

Формула изобретения

КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ, содержащий итрий, барий, медь, ниобий и кислород, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующем соотношении JBa₂ Cu_3-x Nb_x O₇, где 1 ≅ x ≅ 3.