Email this article Synthesis of HTSP Y11-xFexBa2Cu3Oy by Sol-Gel and Solid-Phase Methods
- Authors: Pigalskiy K.S.1, Vishnev A.A.1, Baldin E.D.1, Trakhtenberg L.I.1,2
-
Affiliations:
- Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences
- Lomonosov Moscow State University
- Issue: Vol 43, No 3 (2024)
- Pages: 122-124
- Section: Short Communication
- URL: https://journals.rcsi.science/0207-401X/article/view/263301
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0207401X24030136
- EDN: https://elibrary.ru/VFNFRC
- ID: 263301
Cite item
Full Text
Abstract
A modified version of using of the sol-gel process at the initial stage of the synthesis of a high-temperature superconductor (HTSC) Y1-xFexBa2Cu3Oy with low Fe doping is proposed. The properties of samples obtained by sol-gel and solid-state synthesis have been compared. It has been shown that a more uniform distribution of the dopant throughout the volume of the sol-gel samples makes it possible to obtain materials with improved microstructural and performance characteristics.
Keywords
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, различные методы сдвига по составу и допирование позволяют значительно улучшать функциональные характеристики таких материалов, как ионные проводники [1, 2], пьезоэлектрики [3, 4] и смешанные оксиды [5–8]. Недавно было показано [9], что даже небольшое (в несколько процентов) замещение ионов Y3+ в высокотемпературном сверхпроводнике YBa2Cu3Oy на магнитные ионы Fe3+ приводит к существенному увеличению плотности критического тока. В работе проведен синтез высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) Y1–xFexBa2Cu3Oy (0 ≤ x ≤ 0.08) золь–гель и обычным твердофазным методами для выяснения в дальнейшем влияния способа получения сверхпроводящего материала на его рабочие характеристики.
Первоначально золь–гель метод получения высокогомогенного наноразмерного прекурсора был направлен на реализацию мелкокристаллических порошковых материалов. Для синтеза ВТСП YBaCuO модификация нитратно-цитратного варианта золь–гель процесса была предложена в работе [10] и использовалась в других работах (см. например, [11]). Однако с целью получения слабо допированных образцов с однородным распределением допанта этот метод до сих пор не применяли. Кратко изложим содержание метода. Предварительно прокаленные оксиды CuO, Y2O3 и карбонат BaCO3 растворяли в водном растворе азотной кислоты в стехиометрической пропорции; к смеси добавляли необходимое количество раствора Fe(NO3)3, концентрация которого предварительно определялась гравиметрическим методом.
Лимонную кислоту добавляли в количестве 1 гр-экв. на 1 гр-экв. металла. Далее каплями добавляли этилендиамин при постоянном перемешивании раствора до достижения pH = 6. Как было показано ранее [12], использование этилендиамина имеет несколько преимуществ по сравнению с водным раствором аммиака. В результате получали темно-фиолетовый гель.
Рентгенофазовый анализ показывает, что полученная шихта содержит смесь оксидов иттрия и меди с карбонатом бария, а рефлексы от оксида железа не проявляются. Это указывает на равномерное распределение оксида железа по объему шихты, что важно для получения однородного конечного материала. Размер синтезированных частиц составляет около 100 нм.
Синтез конечного соединения проводится в несколько этапов.
1) Отжиг при 895°C порошка в муфеле, при котором происходит свободное выделение CO2. Уже на этом этапе реакция образования Y(Fe)BaCuO протекает практически полностью.
2) Окончательный синтез при 925°C в таблетках.
3) После перепрессовки образцы медленно нагревали до 955°C. При этом происходит интенсивный рост зерен керамики и увеличивается плотность.
4) Насыщение образцов кислородом путем медленного охлаждения в токе кислорода от 920 до 380°C с последующей выдержкой в течение 20 ч.
Для сравнительного анализа влияния метода синтеза были также приготовлены образцы с применением модифицированного твердофазного метода из стехиометрической смеси компонентов Y2O3, Fe2O3, BaCO3 и CuO. Для достижения фазового равновесия использовалась многостадийная процедура синтеза, состоящая из последовательных стадий отжига в токе кислорода при ступенчато возрастающей температуре: 915 (48 ч), 925 (67 ч), 965 (23 ч), 995°C (10 ч). Между стадиями отжига образцы перемалывали и снова прессовали в таблетки. Процедуру насыщения образцов кислородом проводили путем медленного охлаждения в токе кислорода при температуре от 920 до 380°C с последующей выдержкой в течение 20 ч.
Рентгеновские данные (дифрактометр компании Rigaku (USA) SmartLab SE, CuKa-излучение) демонстрируют орторомбическую структуру образцов, полученных обоими методами. С увеличением x происходит уширение и смещение дифракционных пиков. В образцах с Fe фиксируется наличие небольшого количества примесной фазы BaCuO2. Параметры элементарной ячейки, рассчитанные с помощью программного комплекса FullProf в рамках пространственной группы Pmmm, показали, что с увеличением содержания железа заметно увеличиваются параметр a и объем элементарной ячейки; при этом степень ромбического искажения s = (b – a)/(b + a) уменьшается.
Сопоставление рентгенограмм образцов с различным содержанием железа, полученных с применением двух способов синтеза, не показывает существенных различий. Также метод синтеза слабо влияет на параметры кристаллической решетки. Вместе с тем, при использовании золь–гель метода были получены образцы с существенно лучше ограненными кристаллитами большего размера. Кроме того, как показали предварительные данные, однородное распределение допанта при золь–гель-методе существенно увеличивает гистерезис намагниченности и плотность критического тока.
Работа выполнена при поддержке Российским научным фондом (грант № 22-29-00442).
About the authors
K. S. Pigalskiy
Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences
Email: baldin.ed16@physics.msu.ru
Russian Federation, Moscow
A. A. Vishnev
Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences
Email: baldin.ed16@physics.msu.ru
Russian Federation, Moscow
E. D. Baldin
Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: baldin.ed16@physics.msu.ru
Russian Federation, Moscow
L. I. Trakhtenberg
Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University
Email: baldin.ed16@physics.msu.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow
References
- Shlyakhtina A.V., Lyskov N.V., Shchegolikhin A. N. et al. // Ceram. Intern. 2020. V. 46. P. 17383.
- Ma J., Chen K., Li C. et al. // Ibid. 2021. V. 47. Issue 17. P. 24348.
- Politova E.D., Kaleva G.M., Mosunov A.V. et al. // Ferroelectr. 2020. V. 560. P. 38.
- Politova E.D., Kaleva G.M., Ivanov S.A. et al. // Ibid. 2023. V. 605. P. 73.
- Ikim M.I., Spiridonova E.Yu., Gromov V.F. et al. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. P. 774.
- Dokhlikova N.V., Gatin A.K., Sarvadiy S.Yu. et al. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2022. V. 16. P. 772.
- Gerasimov G.N., Gromov V.F., Ikim M.I., Trakhtenberg L.I. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2021. V. 15. P. 1072.
- Gromov V.F., Ikim M.I., Gerasimov G.N., Trakhtenberg L.I. //Russ. J. Phys. Chem. B. 2021. V. 15. P. 1084.
- Pigalskiy K.S., Vishnev A.A., Efi mov N.N., Shabatin A.V., Trakhtenberg L.I. // Curr. Appl. Phys. 2022. V. 41. P. 116.
- Liu R.S., Wang W.N., Chang C.T., Wu P.T. // Jap. J. of Appl. Phys. 1989. V. 28. P. L2155.
- Raittila J., Huhtinen H., Paturi P.,. Stepanov Yu.P // Physica C. 2002. V. 371. P. 90.
- Mamsurova L.G., Trusevich N.G., Vishnev A.A. et al. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2020. V. 14. P. 986.
Supplementary files
