FI126113B - Korkean lämpötilan suprajohteet - Google Patents

Korkean lämpötilan suprajohteet Download PDF

Info

Publication number
FI126113B
FI126113B FI20095711A FI20095711A FI126113B FI 126113 B FI126113 B FI 126113B FI 20095711 A FI20095711 A FI 20095711A FI 20095711 A FI20095711 A FI 20095711A FI 126113 B FI126113 B FI 126113B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
oxygen
high temperature
elements
sites
anions
Prior art date
Application number
FI20095711A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20095711A0 (fi
FI20095711A (fi
Inventor
Johannes Frantti
Yukari Fujioka
Original Assignee
Johannes Frantti
Yukari Fujioka
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Johannes Frantti, Yukari Fujioka filed Critical Johannes Frantti
Priority to FI20095711A priority Critical patent/FI126113B/fi
Publication of FI20095711A0 publication Critical patent/FI20095711A0/fi
Priority to EP10791685.0A priority patent/EP2445847B1/en
Priority to US13/380,342 priority patent/US20120172234A1/en
Priority to PCT/FI2010/050544 priority patent/WO2010149860A1/en
Priority to CA2766245A priority patent/CA2766245A1/en
Priority to JP2012516811A priority patent/JP2012530678A/ja
Publication of FI20095711A publication Critical patent/FI20095711A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI126113B publication Critical patent/FI126113B/fi

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G45/00—Compounds of manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G45/00—Compounds of manganese
    • C01G45/02—Oxides; Hydroxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/46—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates
    • C04B35/462—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on titanium oxides or titanates based on titanates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261—Milling
    • C04B35/6262—Milling of calcined, sintered clinker or ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/6265—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering involving reduction or oxidation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/6268—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering characterised by the applied pressure or type of atmosphere, e.g. in vacuum, hydrogen or a specific oxygen pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/80—Constructional details
    • H10N60/85—Superconducting active materials
    • H10N60/855—Ceramic superconductors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/20—Two-dimensional structures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50—Solid solutions
    • C01P2002/52—Solid solutions containing elements as dopants
    • C01P2002/54—Solid solutions containing elements as dopants one element only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/76—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by a space-group or by other symmetry indications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/42—Magnetic properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3201—Alkali metal oxides or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3203—Lithium oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3262—Manganese oxides, manganates, rhenium oxides or oxide-forming salts thereof, e.g. MnO
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/443—Nitrates or nitrites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/444—Halide containing anions, e.g. bromide, iodate, chlorite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/444—Halide containing anions, e.g. bromide, iodate, chlorite
    • C04B2235/445—Fluoride containing anions, e.g. fluosilicate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/44—Metal salt constituents or additives chosen for the nature of the anions, e.g. hydrides or acetylacetonate
    • C04B2235/446—Sulfides, tellurides or selenides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/76—Crystal structural characteristics, e.g. symmetry
    • C04B2235/766—Trigonal symmetry, e.g. alpha-Si3N4 or alpha-Sialon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

KORKEAN LÄMPÖTILAN SUPRAJOHTEET KEKSINNÖN ALA
Esillä oleva keksintö koskee korkean lämpötilan suprajohteita (HTSC, high temperature superconductors), joilla on kerrosrakenne. Tarkemmin sanottuna se koskee HTSC:inä käytettyjä materiaaleja.
KEKSINNÖN TAUSTA
Korkean lämpötilan suprajohteet ovat suuren mielenkiinnon kohteena, koska niillä on selkeä etu tavanomaisiin suprajohteisiin nähden, joilla on suprajohtavia ominaisuuksia - täydellinen sähkönjohtavuus ja täydellinen diamagnetismi - vasta jäähdyttyään nesteheliumin hyvin alhaisiin lämpötiloihin. Transitiolämpötila Tc, jonka alapuolella materiaali alkaa toimia suprajohteena, on materiaalikohtainen. Parhaiden HTSC-materiaalien transitiolämpötilat ovat lähellä nestetypen lämpötilaa tai sen yläpuolella, mikä mahdollistaa nestetypen käytön materiaalien jäähdyttämiseen kalliimman nesteheliumin sijaan.
HTSC:iden eräs tyypillinen sovellus on suprajohtava kvantti-interferenssilaite (SQUID,
Superconducting Quantum Interference device), joka voi havaita hyvin heikkoja magneettikenttiä ja jota jo käytetään lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten magneettiresonanssikuvantamisessa (MRI, Magnetic Resonance Imaging). Ydinmagneettiresonanssilaitteisiin (NMR, nuclear magnetic resonance) kuuluvat suprajohdemagneetit hyötyvät lisäksi HTSC:iden hyväksikäytöstä, mikä poistaa magneettien ohmisen kuumennuksen. Magneettisesti levitoitu (MagLev,
Magnetic Levitated) auto on uuden sukupolven kuljetusjärjestelmä, joka käyttää nostamiseen ja työntämiseen hyvin suuren magneettimäärän aikaansaamaa magneettista levitaatiota. Halvalla nestetypellä jäähdytettyjen HTSC-magneettien käyttö saa laitteen kuluttamaan vähemmän energiaa kuin suprajohtamattomien magneettien käyttö ja olemaan siten kustannustehokas. Esim. Hitachi Cables ja Sumitomo Electric kehittelevät parhaillaan myös HTSC:itä hyväksi käyttäviä nollaenergiahäviöisiä virtajohtoja sähkön siirtämiseen.
HTSC:iden joukossa on tällä hetkellä vain muutamia kiderakenteita, joista jotkut pohjautuvat perovskiittirakenteisiin. Tunnettujen HTSCriden valmistus on melko monimutkaista ja kallista tunnettujen HTSC-materiaalien, kuten YBa2Cu307:n ja Bi2Sr2CaCu20s: n, kompleksisen kiderakenteen vuoksi, joka käsittää tavallisesti vähintään neljä, usein vierasta aineosaa. Korkeat valmistuskustannukset vähentävät HTSC:iden käyttöä teollisissa sovelluksissa, esim. ohutkalvoissa. Itse HTSC-rakenteiden monimutkaisuus hankaloittaa myös niitä hyväksi käyttävien kokonaissovellusten, esim. korkealaatuisten kalvojen, valmistusta. Jotkut esillä olevissa HTSC:issä käytetyistä alkuaineista, kuten Hg, Tl ja As, ovat lisäksi haitallisia ja toksisia, mikä rajoittaa usein niiden kaupallista käyttöä. Toksisten alkuaineiden hyväksikäyttöä rajoittaa esimerkiksi Euroopan unionin vuonna 2003 käyttöön ottama direktiivi vaarallisten aineiden käytön rajoittamisesta (RoHS, the Restriction of Hazardous Substances) .
KEKSINNÖN TARKOITUS
Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on helpottaa korkean lämpötilan suprajohteiden hyödyntämistä aikaansaamalla uudenlainen ryhmä rakenteeltaan yksinkertaisia korkean lämpötilan supraj ohdemateriaalej a.
KEKSINNÖN YHTEENVETO
Esillä olevan keksinnön mukainen materiaali on tunnettu siitä, mitä on tuotu esiin patenttivaatimuksessa 1. Esillä olevan keksinnön mukaisen materiaalin käyttö on tunnettu siitä, mitä on tuotu esiin patenttivaatimuksessa 4.
Esillä olevan keksinnön kohteena on korkean lämpötilan suprajohteiden (HTSC) materiaali. Kuten alan ammattilaiset hyvin tietävät, suprajohde tarkoittaa materiaalia, jolla on lähes täydellinen sähkönjohtavuus ja lähes täydellinen diamagnetismi niin kutsutun kriittisen lämpötilan Tc alapuolella, jota kutsutaan myös transitiolämpötilaksi. Lähes täydellinen johtavuus tarkoittaa sitä, ettei HTSC-materiaalien ominaissähkövastus välttämättä mene nollaan magneettisten virtauslinjojen termisen liikkeen vuoksi, joka vähenee jatkuvasti lämpötilan laskiessa. Lähes täydellinen diamagnetismi ottaa huomioon sen, että suprajohdemateriaaleissa ulkoinen kenttä voi osittain tunkeutua materiaaliin magneettisten virtauslinjojen muodossa. Se, missä määrin tätä ilmenee, riippuu lämpötilasta, ulkoisesta magneettikentästä ja materiaalista ja johtaa siihen, ettei diamagnetismi ole täydellistä. Korkean lämpötilan suprajohteilla HTSC tarkoitetaan tässä materiaaleja, joiden kriittinen lämpötila on noin 25 K:ssa tai sen yläpuolella.
Esillä olevan keksinnön materiaali käsittää vuorotellen pinottuja ensimmäisiä ja toisia kerroksia, jolloin kukin kerros käsittää verkon, jossa on kationeja anionien ympäröimänä. Kerrostettu kiderakenne on yleinen tunnuspiirre tunnettujen HTSC-materiaalien, kuten YBa2Cu3C>7:n ja Bi2Sr2CaCu208: n sekä äskettäin löydetyn LaOi-yFyFeAs : n, yhteydessä. Olennaisena erona on esillä olevan keksinnön mukaisesti kuitenkin se, että materiaalilla on ilmeniittikiderakenne ja materiaalin yleinen koostumus on tyyppiä ABX3, jossa A ja B ovat vastaavasti ensimmäisten ja toisten kerroksen kationipaikat vallitsevasti miehittäviä alkuaineita, jolloin vähintään toinen alkuaineista A tai B on siirtymämetalli, ja X on anionipaikat vallitsevasti miehittävä anionialkuaine.
Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuodossa X käsittää hapen, F:n, Cl:n, Br:n, S:n, N:n, P:n ja As:n. Anionipaikat vallitsevasti miehittävä alkuaine voi toisin sanoen olla happi, F, Cl, Br, S, N, P, As tai muu anionialkuaine. Esillä olevan keksinnön eräässä edullisessa suoritusmuodossa X on happi.
Ilmeniittikiderakenteella tarkoitetaan ensinnäkin mineraalisen ilmeniitin FeTiCp mukaan nimettyä rakennetta, jolloin rakenteen avaruusryhmäsymmetria on R-3. Ilmeniittiä käytetään tässä kuitenkin yleisempänä määritelmänä, joka kattaa myös korundin AI2O3 mukaan nimetyn lähisukua olevan korundikiderakenteen, jonka avaruusryhmäsymmetria on R-3c. Korundia voidaan itse asiassa pitää ilmeniitin yleisemmän määritelmän erikoistapauksena. Ja kuten alan ammattilainen tietää, nämä kaksi kiderakennetta luokitellaan usein yksittäiseksi ilmeniitti- korundirakenteeksi. Näitä kahta lievästi erilaista kiderakennetta ei itse asiassa pystytä edes erottamaan tavanomaisilla kiderakenteen määritystekniikoilla, jotka perustuvat röntgendiffraktioon.
Ilmeniittirakenteen määritys suoritetaan yleisesti ja tarkoituksenmukaisesti heksagonaalisten akselien perusteella, mikä on tässä omaksuttu käytäntö. Molemmat näistä rakenteista käsittävät vuorottelevia ensimmäisiä ja toisia kationialkuaine- anionialkuainekerroksia, joista kukin koostuu kationialkuaine(M)-anionialku-aine(0)-ryhmistä, oktaedreistä MCk, joita on pinottu heksagonaaliselle c-kideakselille. Kationialkuaineet A ja B ovat tyypillisesti metalleja, ja anionialkuaine on tyypillisesti happi. Sen lisäksi ilmeniittimääritelmän on tarkoitus kattaa tässä myös tapaukset, joissa ainakin joko A- tai B-kationipaikat ovat vähintään kahden eri alkuaineen tilastollisesti miehittämiä. Tämänkaltaisessa materiaalissa kidesymmetria voi olla hieman modifioitu mainittujen eri alkuaineiden lähtömateriaalien kidesymmetriaan verrattuna.
Yleiskoostumuksella ja vallitsevalla miehityksellä tarkoitetaan sitä, että materiaalin stoikiometria voi jossain määrin poiketa mainitusta ABX3:sta. Kaikki kationi- tai anionipaikat eivät esimerkiksi välttämättä ole miehitettyjä, vaan voi olla tyhjä paikka, jota kutsutaan vakanssipaikaksi, tai monia tyhjiä paikkoja, vakansseja. Tämä vastaa stoikiometrian muutosta. Erityisesti anionipaikat vallitsevasti miehittävän anionin pitoisuus edullisesti laskee tai nousee anioni- ja kationialkuaineiden välisestä tarkasta suhteesta 3:1:1. Kuten jo edellä todettiin, myös kationipaikat voivat olla osittain jonkin muun alkuaineen (alkuaineiden) kuin A:n ja B:n miehittämiä. Mainittu vallitseva miehitys on toisin sanoen selkeää enemmistöä tarkoittava tilastollinen ilmaisu, mutta kaikki mainituista paikoista eivät välttämättä ole mainittujen alkuaineiden miehittämiä. Yleiskoostumuksen ABX3 eräänä erityisenä muunnelmana kahden kerrostyypin kationialkuaineet A ja B voivat olla myös samaa materiaalia kuin korundikiderakenteessa, jonka yleiskoostumus on tyyppiä A3X3. Kun materiaalin tarkka koostumus valitaan asianmukaisesti, sen suprajohtavia ja muita ominaisuuksia voidaan säätää.
Esillä oleva keksintö perustuu ensinnäkin keksijöiden yllättävään havaintoon, että mainittu ilmeniittityyppinen kerrosrakenne mahdollistaa HTSC-materiaalien valmistamisen selvästi yksinkertaisemmalla koostumuksella ja valmistusprosesseilla tekniikan tason ratkaisuihin verrattuna. Koostumuksen ja valmistuksen yksinkertaisuus on erityisen suotuisaa, kun voidaan helpommin säätää transitiolämpötilaa, jonka alapuolella hyödylliset fyysiset ominaisuudet - nolla-tai lähes nollasähkövastus ja diamagnetismi -ilmenevät. Esillä olevan keksinnön HTSC-materiaalit voivat koostua lisäksi vain toksittomista ja suhteellisen halvoista materiaaleista, mikä avaa HTSC:ille hyvin laajat mahdollisuudet uusille käytännön sovelluksille. Eräänä muuna hyvin edullisena tunnuspiirteenä esillä oleva keksintö mahdollistaa materiaalien saamisen, joilla on samanaikaisia korkean lämpötilan suprajohtavia ja ferromagneettisia ominaisuuksia.
Mainituksi ilmeniittityyppiseksi kiderakenteeksi järjestäytymistä varten kationipaikkojen täytyy olla miehitettyjä alkuaineilla, joilla on suunnilleen samansuuruiset ionisäteet. Kaikkien kationien, so. materiaalin kationipaikat miehittävien atomien, kationien ionisäteen painotettu keskiarvo on alle 1 Å, vielä edullisemmin alle 0,8 Å.
Esimerkkejä edellä mainittujen edellytysten mukaisen kerrosmateriaalin muodostavista mahdollisista alkuaineista voidaan löytää esim. jaksollisen järjestelmän alkuainetaulukon ryhmistä 1-14. Esillä olevan keksinnön eräässä edullisessa suoritusmuodossa materiaali on manganeesi-titaanioksidi MnTiCg, jossa O3 tarkoittaa happipitoisuuden perustasoa, joka käsittää kuitenkin poikkeamia siitä stoikiometrisen arvon ympärillä. Kuten jäljempänä selostetaan yksityiskohtaisemmin, tästä peruskoostumuksesta koostuvilla näytteillä oli suprajohtavia ominaisuuksia vähintään 68 K: n transitiolämpötilan yhteydessä. Tämän materiaalin näytteillä oli myös samanaikaisia ferromagneettisia ominaisuuksia, mikä ei ole ollut mahdollista tekniikan tason HTSC-materiaalien yhteydessä.
Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuodossa anionipaikat miehittää vähintään kaksi eri alkuainetta, jotka käsittävät hapen, F:n, Cl:n, Br:n, S:n, N:n, P:n ja As:n. Useiden eri anionialkuaineiden, kuten hapen, F:n, Cl:n, Br:n, S:n, N: n, P:n, As: n tai muiden alkuaineiden, yhdistelmät voivat näin ollen miehittää anionipaikat. Tarkka molaarinen alkuainesuhde saattaa vaihdella.
Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuodossa anionipaikat vallitsevasti miehittävä alkuaine korvataan ainakin osittain vähintään yhdellä muulla alkuaineella. Anionipaikat vallitsevasti miehittävä alkuaine voidaan toisin sanoen korvata osittain tai kokonaan jollakin muulla alkuaineella (alkuaineilla) kuin sillä hetkellä anionipaikat miehittävällä. Esillä olevan keksinnön eräässä suoritusmuodossa tämä vähintään yksi muu alkuaine käsittää hapen, F:n, Cl:n, Br:n, S:n, N:n, P:n ja As:n. Mikäli X on vallitsevasti hapen miehittämä, ainakin osa happianioneista tai kaikki happianionit voidaan esillä olevan keksinnön mukaisesti korvata vähintään yhdellä muulla alkuaineella kuin hapella, kuten F:llä, Cl:llä, Br:llä, S:llä, N:llä, P:llä, As:llä tai muilla alkuaineilla. Jos X on vallitsevasti fluorin F miehittämä, ainakin osa fluorianioneista tai kaikki fluorianionit voidaan korvata vähintään yhdellä muulla alkuaineella kuin fluorilla, kuten hapella, Cl:llä, Br:llä, S:llä, N:llä, P:llä, As:llä tai muilla alkuaineilla.
Esillä olevan keksinnön mukaisella, materiaalin koostumusta ja rakennetta koskevat perusedellytykset täyttävällä materiaalilla ei välttämättä ole suprajohtavia ominaisuuksia heti perusvalmistusprosessin jälkeen. Suprajohtavien ominaisuuksien aikaansaamiseksi edellä mainitun raja-arvon ylittävän lämpötilan yhteydessä materiaalinäytettä täytyy mahdollisesti hieman modifioida stoikiometriaa tai kerroksissa olevaa jännitystä muuttamalla. Modifiointi voidaan suorittaa esimerkiksi hehkutusprosessin avulla pelkistävässä kaasuatmosfäärissä tai tyhjiössä tai suljetussa kvartsiputkessa hapensitojan, kuten metallin Ti tai Ta, kanssa. Lämpökäsittely alentaa materiaalin happipitoisuutta, mikä muuttaa materiaalin koostumusta muuttaen sen HTSC-materiaaliksi. Lämpökäsittelyä voidaan käyttää myös happipitoisuuden nostamiseen, mikä voidaan tehdä hehkuttamalla näytettä happikaasuvirrassa. Modifiointiprosessin tarkat yksityiskohdat vaihtelevat kyseessä olevan materiaalin mukaan.
Esillä olevan keksinnön mukaisia materiaaleja voidaan yleisesti ottaen valmistaa millä tahansa alalla tunnetulla tekniikalla, jolloin niiden erilaiset muunnelmat ovat alan ammattilaisten hyvin tuntemia. Valmistusprosessien yksityiskohtainen selostus ei näin ollen ole tässä tarpeen.
Edellä kuvattujen suoritusmuotojen tunnuspiirteet voivat esiintyä esillä olevan keksinnön mukaisessa materiaalissa minä tahansa yhdistelmänä.
Esillä olevan keksinnön käyttöaspektin mukaisesti jotakin edellä olevien määritelmien mukaisista materiaaleista käytetään korkean lämpötilan supraj ohteena.
KUVIOIDEN LYHYT KUVAUS
Esillä olevan keksinnön erästä edullista suoritusmuotoa selostetaan seuraavaksi yksityiskohtaisemmin MnTiO^-näytteiden mittaustuloksia esittäviin oheisiin kuvioihin viitaten, joissa kuvio 1 on tyypillinen graafinen esitys, joka esittää nollakentässä jäähdytetyn ja kentässä jäähdytetyn näytteen magneettisen suskeptibiliteetin lämpötilariippuvuuden; kuvio 2 on tyypillinen graafinen esitys, joka esittää näytteen röntgenjauhediffraktiokuvion huoneen lämpötilassa; kuvio 3 on tyypillinen graafinen esitys, joka esittää magnetoitumisen riippuvuuden käytetystä magneettikentästä eri lämpötiloissa.
SUORITUSMUOTOJEN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS
Esillä olevan keksinnön suoritusmuotona valmistettiin manganeesi-titaanioksidinäytteitä sekoittamalla ensin stoikiometrinen määrä MnO:ta ja Ti02:ta moolisuhteessa 1:1 akaattihuhmareessa, jonka jälkeen sekoitettu jauhe puristettiin pelletiksi. Seuraavaksi pellettiä esikuumennettiin 1000 °C:ssa 6 tunnin ajan laatikkouunissa. Esikuumennettu jauhe sekoitettiin Ti-ylimäärän kanssa, ja sitä hehkutettiin putkiuunissa 1000 °C:ssa 12 tunnin ajan 10 %:n H2-/90 %:n Ar-atmosf äärissä sen jälkeen, kun se oli puristettu pelletiksi. Tämän seurauksena materiaalin happipitoisuus aleni ja saatiin suprajohdemateriaali, jonka transitiolämpötila oli vähintään 68 K.
Kuviossa 1 esitetään alentuneen happipitoisuuden käsittävän MnTi03-näytteen magneettisen suskeptibiliteetin riippuvuus lämpötilasta magneettikentässä jäähdytyksen (FC) aikana mitattuna ja nollamagneettikentässä jäähdytyksen (ZFC) jälkeen mitattuna. Kuten kuviossa 1 on havainnollistettu, magneettinen suskeptibiliteetti alkaa heiketä, kun Tc=68 K. Tc:n alapuolella magneettinen suskeptibiliteetti on negatiivinen ja materiaalista tulee diamagneettinen, mikä viittaa voimakkaasti suprajohtavuuteen. Tässä mittauksessa käytettiin 1 0rstedin jatkuvaa magneettikenttää.
Kuviossa 2 esitetään tutkitun näytteen röntgenjauhediffraktiokuvio huoneen lämpötilassa. Mainittu kuvio saatiin aikaan näytteen tunnistusta varten, jonka peruskoostumus tunnistettiin MnTiChrksi. Kuviossa 2 olevat viivamerkinnät vastaavat Braggin heijastuksia ilmeniittifaasista ja nuolet osoittavat heijastuksen näytteenpitimestä.
Kuviossa 3 esitetään magnetoitumisen riippuvuus käytetystä magneettikentästä. Mittaukset suoritettiin neljässä eri lämpötilassa, jotka olivat arvon Tc=68 K ylä- ja alapuolella; kun T=100 K, T=80 K, T=60 K ja T=5 K. Arvon Tc=68 K alapuolella suoritetun mittauksen tietojen perusteella havaitut hystereesisilmukat vahvistavat, että tutkittu näyte, MnTiCh, on ferromagneettinen.
Alla oleva taulukko 1 esittää, kuinka lämpökäsittelyn yksityiskohtien muutokset vaikuttavat MnTiChin suprajohtaviin ominaisuuksiin. Tulokset havainnollistavat hyödyllisen mahdollisuuden säätää materiaalin tarkkoja suprajohtavia ominaisuuksia hallitusti, kun prosessiparametrit valitaan asianmukaisesti. Näytteiden 1 ja 2 valmistusreittien välisenä erona on se, että näytteen 1 lähtömateriaaleihin lisättiin Ti-ylimäärä ennen lämpökäsittelyj ä.
Taulukko 1.
On tärkeää huomata, ettei keksintö ole rajoittunut edellä kuvattuihin esimerkkeihin, kuten alan ammattilaiselle on ilmeistä. Esillä olevan keksinnön varsinaiset suoritusmuodot voivat vaihdella vapaasti patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (5)

1. Korkean lämpötilan suprajohde, joka käsittää materiaalin, joka käsittää päällekkäisiä ensimmäisiä ja toisia kerroksia, joista kukin kerros käsittää verkon kationeja anionien ympäröimänä, tunnettu siitä, että - materiaalilla on ilmeniittikiderakenne; - materiaalin yleinen koostumus on tyyppiä ABX3, jossa A ja B ovat alkuaineita, jotka miehittävät vallitsevasti vastaavasti ensimmäisen ja toisen kerroksen kationipaikkoja, vähintään toisen alkuaineista A ja B ollessa siirtymämetalli, ja X on anionialkuaine, joka miehittää vallitsevasti anionipaikkoja; ja - materiaali on mangaanititaanioksidi MnTi(o,74 - i)03, missä materiaalin happipitoisuus on alentunut.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen korkean lämpötilan suprajohde, tunnettu siitä, että osa happianioneista on korvattu vähintään yhdellä muulla alkuaineella kuin hapella, joka vähintään yksi muu alkuaine käsittää F:n, Cl:n, Br:n, S:n, N:n, P:n tai As: n.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen korkean lämpötilan suprajohde, tunnettu siitä, että koostumuksessa kationien ionisäteen painotettu keskiarvo on alle 1 Å, edullisesti alle 0,8 Å.
4. Päällekkäisiä ensimmäisiä ja toisia kerroksia käsittävän materiaalin käyttö korkean lämpötilan suprajohteissa, joista kukin kerros käsittää verkon kationeja anionien ympäröimänä, tunnettu siitä, että - materiaalilla on ilmeniittikiderakenne; - materiaalin yleinen koostumus on tyyppiä ABX3, jossa A ja B ovat alkuaineita, jotka miehittävät vallitsevasti vastaavasti ensimmäisen ja toisen kerroksen kationipaikkoja, vähintään toisen alkuaineista A ja B ollessa siirtymämetalli, ja X on anionialkuaine, joka miehittää vallitsevasti anionipaikkoja; ja - materiaali on mangaanititaanioksidi MnTi(o,74 - i)03, missä materiaalin happipitoisuus on alentunut.
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen materiaalin käyttö korkean lämpötilan suprajohteissa tunnettu siitä, että osa happianioneista on korvattu vähintään yhdellä muulla alkuaineella kuin hapella, joka vähintään yksi muu alkuaine käsittää F:n, Cl:n, Br:n, S:n, N:n, P:n tai As:n.
FI20095711A 2009-06-24 2009-06-24 Korkean lämpötilan suprajohteet FI126113B (fi)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20095711A FI126113B (fi) 2009-06-24 2009-06-24 Korkean lämpötilan suprajohteet
EP10791685.0A EP2445847B1 (en) 2009-06-24 2010-06-24 High temperature superconductor
US13/380,342 US20120172234A1 (en) 2009-06-24 2010-06-24 High temperature superconductors
PCT/FI2010/050544 WO2010149860A1 (en) 2009-06-24 2010-06-24 High temperature superconductors
CA2766245A CA2766245A1 (en) 2009-06-24 2010-06-24 High temperature superconductors
JP2012516811A JP2012530678A (ja) 2009-06-24 2010-06-24 高温超伝導体

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20095711A FI126113B (fi) 2009-06-24 2009-06-24 Korkean lämpötilan suprajohteet

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20095711A0 FI20095711A0 (fi) 2009-06-24
FI20095711A FI20095711A (fi) 2010-12-25
FI126113B true FI126113B (fi) 2016-06-30

Family

ID=40825415

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20095711A FI126113B (fi) 2009-06-24 2009-06-24 Korkean lämpötilan suprajohteet

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20120172234A1 (fi)
EP (1) EP2445847B1 (fi)
JP (1) JP2012530678A (fi)
CA (1) CA2766245A1 (fi)
FI (1) FI126113B (fi)
WO (1) WO2010149860A1 (fi)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2498565B (en) 2012-01-20 2014-09-17 Siemens Plc Methods for forming joints between magnesium diboride conductors
US9385159B2 (en) * 2014-06-30 2016-07-05 The United States of America as represented by the Sercretary of the Navy Electronic circuitry having superconducting tunnel junctions with functional electromagnetic-responsive tunneling regions

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0286106B1 (en) * 1987-04-08 1995-08-02 Hitachi, Ltd. Process for manufacturing a superconductive device
JPH0196056A (ja) * 1987-10-06 1989-04-14 Seiko Epson Corp 超電導材料
US6027826A (en) * 1994-06-16 2000-02-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Method for making ceramic-metal composites and the resulting composites

Also Published As

Publication number Publication date
CA2766245A1 (en) 2010-12-29
JP2012530678A (ja) 2012-12-06
WO2010149860A1 (en) 2010-12-29
FI20095711A0 (fi) 2009-06-24
US20120172234A1 (en) 2012-07-05
EP2445847A4 (en) 2013-08-07
EP2445847A1 (en) 2012-05-02
EP2445847B1 (en) 2016-08-31
FI20095711A (fi) 2010-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Matsuishi et al. Cobalt-substitution-induced superconductivity in a new compound with ZrCuSiAs-type structure, SrFeAsF
Khalyavin et al. Anisotropic magnetic, magnetoresistance, and electrotransport properties of GdBaCo 2 O 5.5 single crystals
Climent-Pascual et al. Polymorphism in BaPb 1-x Bi x O 3 at the superconducting composition
Karpinski et al. High-pressure synthesis, crystal growth, phase diagrams, structural and magnetic properties of Y2Ba4CunO2n+ x, HgBa2Can-1CunO2n+ 2+ and quasi-one-dimensional cuprates
Sahoo et al. Excess conductivity and magnetization of CoFe2O4 combined with Y1Ba2Cu3O7-δ as a superconductor
Okada et al. Topotactic synthesis of a new BiS2-based superconductor Bi2 (O, F) S2
Jha et al. Superconductivity in Layered CeO 0.5 F 0.5 BiS 2
Lu et al. Superconductivity and phase diagram of (Li 0.8 Fe 0.2) OHFeSe 1− x S x
Hiroi La1− xSrxCuO2. 5as a Doped Spin-Ladder Compound
Erdem Homovalent Ho/Bi substitution effect on characteristic properties of Bi-2212 superconducting ceramics
Yin et al. Magnetic properties of pure and Fe doped HoCrO3 thin films fabricated via a solution route
FI126113B (fi) Korkean lämpötilan suprajohteet
Peña et al. Inter-network magnetic interactions in GdMexMn1− xO3 perovskites (Me= transition metal)
JP2019182739A (ja) 超電導体
Motoki et al. Dramatic effects of chlorine doping on Jc and microstructure of fluorine-free MOD Y123 thin films
Yakinci et al. J c enhancement and flux pinning of Se substituted YBCO compound
Mizuguchi Superconductivity in BiS2-based layered compounds
Aksenova et al. Phase equilibria in the Nd2O3–BaO–Fe2O3 system: Crystal structure, oxygen content, and properties of intermediate oxides
Kurtul et al. Support of polaronic states and charge carrier concentrations of YBa2Cu3O7‐y ceramics by oxygen and Mn2O3 impurity
Boudjadja et al. Microstructural and magneto-transport properties of Bi1. 6Pb0. 4Sr2Ca1− xGdxCu2O8+ δ superconducting ceramics
FI126137B (fi) Korkean lämpötilan suprajohteiden materiaali
Yasukawa et al. Consequence of isovalent rare earth substitution to magnetic irreversibility in cation-stoichiometric CuBa 2 RECu 2 O 6.93±0.01
Nakatsugawa et al. Crystal structure, magnetism, and thermoelectric properties of Nd1− x Sr x FeO3− δ (0.1≤ x≤ 0.9)
Wang et al. Strongly enhanced flux pinning in the YBa2Cu3O7− x films with the co-doping of BaTiO3 nanorod and Y2O3 nanoparticles at 65 K
Dogruer et al. Effect of Nd/Sr partial replacement on characteristic Bi-2223 phase and related fundamental superconducting parameters

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 126113

Country of ref document: FI

Kind code of ref document: B