Mehrphasiger Supraleiter und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrphasigen keramischen Supraleiter, der die nicht-supraleitende Phase Strontiumindat und mindestens eine supraleitende Phase bestehend auf den Elementen Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff enthält, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Verbindung Strontiumindat, Srl^O^, ist seit längerem bekannt (Z. Naturforschung 19b (1967) 955).

Es ist bekannt, daß keramische Supraleiter, die aus den Elementen Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff aufgebaut sind, i.a. nur geringe Anteile einer bei 110 K supraleitenden Phase enthalten.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, um den Anteil der bei -Η.OK supraleitenden Phase im Supraleiter- Körper zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Anteil der bei 110 K supraleitenden Phase, die aus den Elementen Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff besteht, erhöht wird, wenn die Phasenbildung in Gegenwart von Strontiumindat stattfindet.

Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung eines Supraleiters gefunden, der mindestens eine aus den Elementen Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff aufgebaute supraleitende Phase enthält, wobei man ein Gemisch der Oxide von Wismut, Strontium, Kalzium und Kupfer oder

entsprechender Oxidvorläufer vermischt und dabei ein Atomverhältnis der Elemente einhält, das einer Bruttozusammensetzung entspricht, wobei k eine Zahl von 4 bis 8 ist und das Atomverhältnis Sr/Ca 1:9 bis 9:1 beträgt, und man die Mischung in Anwesenheit von Sauerstoff längere Zeit erhitzt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man dem Gemisch vor dem Erhitzen im allgemeinen die 0,428- bis 9-fache Menge an Strontiumindat- Pulver zusetzt. Vorzugsweise wird die dreifache Menge an Indat untergemischt.

Anstelle von Strontiumindat kann man auch die Mischkristallverbindung Strontium/Kalzium-Indat mit allen Atomverhältnissen Sr/Ca, z.B. auch reines Calciumindat, Cal^O^, benutzen.

Die genannten Indate sind unter den Bedingungen der Synthese des Supraleiters inert. Der zugesetzte Anteil an Indat findet sich daher im erhaltenen keramischen Supraleiter wieder.

Man kann auch das in situ aus den

Erdalkalioxiden und Indiumoxid oder Indiumcarbonat z.B. nach der Gleichung

0,4 CaC0 ₃ + 0,6 SrC0 ₃ + ln ₂ 0 ₃ ^■ + (Ca,Sr)In ₂ 0 ₄ + C0 ₂ bereiten. In diesem Fall sollte der Ansatz zur Herstellung des Supraleiters einen der Indiumoxidmenge äguimolaren Überschuß an Erdalkalioxid aufweisen. Wichtig ist, daß zugesetztes Indat in feinpulvriger Form vorliegt und mit dem indiumfreien Ansatz gründlich gemischt wird.

Nach dem angegebenen Verfahren lassen sich Supraleiter herstellen, die neben Strontiumindat mindestens eine der supraleitenden Phasen Bi ₄ (Sr,Ca) ₄ Cu2θ _χ oder Bi ₄ (Ca,Sr) ₆ Cu ₄ 0 _χ oder Bi ₄ (Ca,Sr)gCu ₆ O _χ enthalten, wobei jeweils das Atomverhältnis Ca/Sr von 1:9 bis 9:1 beträgt.

Die neuen Supraleiter lassen sich dadurch herstellen, daß man Oxide oder Oxidvorläufer der Elemente Bi, Sr, Ca und Cu

zusammen mit Srl^O^ gründlich vermischt und das Gemisch auf Temperaturen von mindestens 700°C erhitzt.

Während der Reaktion ändert sich das Atomverhältnis der eingesetzten Metalle in erster Näherung nicht. Das verwendete Atomverhältnis entspricht daher der angestrebten Oxidzusammensetzung.

' Als Oxidvorläufer lassen sich allgemein Verbindungen, die bei der Reaktionstemperatur zu den entsprechenden Oxiden reagieren, einsetzen, insbesondere die Hydroxide und Nitrate.

Verwendbar sind ferner die Acetate, Formiate, Oxalate sowie

Carbonate der genannten Metalle. Verwendbar sind z.B.

Calciumoxid, Strontiumcarbonat, Wismutsäure, Wismut- III-oxid, Wismut-V-oxid, Cu 0 und CuO.

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Das Reaktionsgemisch braucht nicht oder nur teilweise zu schmelzen. In diesem Fall ist es jedoch erforderlich, längere Zeit bei der .Reaktionstemperatur zu halten.

Die Synthesetemperatur liegt in diesem Fall vorzugsweise im Bereich zwischen 700 und 900°C, vorzugsweise 750 bis 800°C.

Die Reaktionszeit soll mindestens 4 Stunden, noch besser mindestens 8 Stunden betragen. Nach oben wird die

Reaktionszeit nur durch wirtschaftliche Überlegungen begrenzt. Reaktionszeiten von 100 oder 120 Stunden sind möglich.

Man kann auch das Gemisch so hoch erhitzen, daß es vollständig geschmolzen ist. In diesem Fall kann rasch auf Temperaturen von 300 - 900°C abgekühlt und längere Zeit (mindestens eine Stunde, vorzugsweise 4 Stunden) in diesem Bereich gehalten werden.

Vorteilhafterweise kann man die Schmelze auf einem Substrat auftragen und dort erstarren lassen. Nach der anschließenden Temperbehandlung erhält man so kompakte Schichten des Supraleiters auf einer Unterlage. Das Substrat (Unterlage) soll nicht mit dem Reaktionsgemisch reagieren. Geeignet sind z. B. A1 ₂ 0 ₃ , Siθ2 (Quarz), Zr0 ₂ , Srln ₂ 0^, Strontiumtitanat und Bariumtitanat, sowie Metalle wie Stahl und Cr-Ni- Legierungen.

Man kann auch die Schmelze verspinnen. Dabei fallen Drähte an, die nach Tempern ebenfalls supraleitend sind.

Die eigentliche Reaktion soll in einer nicht-reduzierenden Atmosphäre stattfinden. Verwendbar sind z.B. Luft, reiner Sauerstoff, Gemische von 0 ₂ /Ar oder O /N . Es ist bevorzugt, wenn die Umsetzung der Oxide in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre durchgeführt wird.

Nach beendeter Reaktion wird die Probe entweder aus dem Ofen entnommen und in Luft oder Sauerstoff oder im Ofen langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Niedrige

Abkühlungsgeschwindigkeiten wirken sich günstig auf die supraleitenden Eigenschaften des Reaktionsprodukts aus.

Um sicherzustellen, daß sich das gesamte Oxidgemisch umgesetzt hat, ist es vorteilhaft, das erhaltene Pulver nach dem Abkühlen weiter zu zerkleinern und erneut thermisch zu behandeln. Bei dieser Nachbehandlung liegt die Temperatur im Bereich von 300 bis 900°C.

Bevorzugte Untergrenzen der Temperatur der Nachbehandlung liegen bei mindestens 300°C, insbesondere 400°C, eine bevorzugte Obergrenze bei 750°C, besser 600°C, insbesondere

550°C. Die mögliche Nachreaktion soll in Luft, reinem Sauerstoff, oder einem Gasgemisch wie 0 /Ar oder 0 /N

2 2 2 durchgeführt werden. Als Reaktionsgefäße können handelsübliche

Tiegel oder Schiffchen aus inerten Materialien, wie z.B. Aluminiumoxid, Zirkon, Platin und Iridium oder Srln ₂ 0^ benutzt werden, Als Wärmequelle eignen sich handelsübliche Öfen, wie z.B. Kammer-, Muffel- oder Rohrδfen.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der supraleitenden Substanzen besteht darin, daß man Salze der genannten Metalle in Gegenwart einer wäßrigen Phase vermischt, das wasserhaltige Salzgemisch eindampft und bei Temperaturen von mindestens 700°C erhitzt. Mindestens eines der eingesetzten Salze soll wasserlöslich sein und die Salze sollen sich im angegebenen Temperaturbereich zu den Oxiden zersetzen. Hinsichtlich der Reaktionszeit gilt das gleiche wie bei Verwendung der Oxide.

Das einzudampfende Salzgemisch läßt sich auch dadurch herstellen, daß man die Metalloxide in Salpetersäure löst und die Salpetersäure abraucht.

Man kann auch, soweit wasserlösliche Salze eingesetzt werden, durch Zugabe einer Base, z.B. Tetramethyl mmonium-Hydroxid die Metallhydroxide ausfällen. Auf diese Weise gelingt es, ein besonders gründliches Vermischen der Ausgangsprodukte zu erzielen. Die ausgefällten Hydroxide können abgetrennt, getrocknet und dann wie oben angegeben getempert werden.

Vorzugsweise werden durch die verwendete Base keine schwer flüchtigen Kationen und »durch die eingesetzten Salze keine schwer flüchtigen Anionen eingeschleppt.

Auch bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Verfahrens entspricht das Atomverhältnis der eingesetzten Metallsalze dem angestrebten Atomverhältnis des Endproduktes. Die aus den Salzen hergestellten oxidischen Produkte lassen sich, wie oben beschrieben, ebenfalls thermisch nachbehandeln.

Im allgemeinen enthält der Ansatz schwarze Kristalle der Phasen Bi^. (Sr,Ca) _j -. Cu _j -._ ₂ O _χ wobei gleichzeitig nebeneinander Kristalle mit k = 4 (T _c = 60 K) , k = 5 (T _c = 85 K) und k = 6 (T _c = 110 K) vorliegen.

Überraschenderweise lassen sich beim erfindungsgemäßen Verfahren aus LaborChemikalien mit einer Reinheit von nur etwa 99,5 % supraleitende Substanzen gewinnen.

Die gewonnenen supraleitenden Substanzen lassen sich in der Energietechnik (für Kabel und Drähte, Transformatoren, und Energiespeicher in Form stromdurchflossener Spulen) in der Magnettechnologie (z.B. für Kernspintomographen und zur Herstellung von Haltemagneten für Schwebebahnen) in der Computertechnik (dünne Schichten, Verbindungen auf Leiterplatten , Josephson-Schaltelemente) und für elektronische Bauelemente (Detektoren, Antennen, Transistoren, elektronische Sensoren, z.B. SQUIDs, Galvanometer, Modulatoren, Bolometer und SLUGs) verwenden. Die Anwendung der Supraleitung in der Meßtechnik wird behandelt in dem gleichnamigen Aufsatz von Prof. F. Baumann, Karlsruhe, in einer Aufsatzreihe des VDI-Bildungswerks (1976) .

Die Erfindung wird durch die Beispiele näher erläutert.

Beispiel

Es werden 3,1250 g ln ₂ 0 ₃ , 1,7508 g Bi ₂ 0 ₃ , 0,8763 g CaO, 4,4736 g SrC0 ₃ und 2,4106 g CuO eingewogen und in einem

Achatmörser innig- gemischt. Die Mischung wird anschließend in einem Korundtiegel 6 Stunden bei 800 °C vorreagiert. Die Temperatur wird dann auf 1000 °C gesteigert und 6 h bei 1000 °C gehalten. Danach kühlt man in 4 Stunden auf 300 °C ab und entnimmt die Probe mit der Bruttozusammensetzung

Bi _Q 5 ^Sr 2 ^CaCu 2°χ- ^{Die Probe} wird wiederum in einem Achatmörser homogenisiert und dann zu Tabletten (Durchmesser: 1 cm, Dicke: ca. 2 mm) verpreßt. Diese werden dann 30 Stunden bei 1000 °C auf einer Unterlage aus A1 ₂ 0 ₃ gesintert und nach Abkühlung auf 100 °C (3 Stunden) dem Ofen entnommen. Eine so hergestellte Probe zeigt eine kritische Temperatur von 102 K (Fig.l ). Im Röntgendiagram findet man im wesentlichen Srln- _j O^, und Bi-haltige supraleitende Phasen. Das Röntgendiagramm von Srln 0^ ist in Fig. 2 dargestellt.

Der Vergleich von Fig. 1 mit Fig. 3 (Herstellung eines Supraleiters der Bruttozusammensetzung Bi^, Sr Ca ₃ Cug 0ιs ₊ a ohne Indium-Zusatz) zeigt, daß die Anwesenheit von Srln ₂ 0 ₄ im Reaktionsansatz die Bildung der 110 K-Phase günstig beeinflußt.

In Fig. 1 und 3 ist jeweils die Abhängigkeit des Widerstands R (Od»tl) von der absoluten Temperatur T (K) dargestellt.