SMERI RAZVOJA TEHNOLOGIJ IN UPORABE NOVIH
SUPERPREVODNIKOV
D.Uvodič
UVOD
Prevajanje toka brez izgub, prenos magnetnih polj IZ notranjosi! materiala in pojav kvantnih feno-iiienov so lastnosti ki dajejo superprevodnikom o-bi ie'zje skupintj materialov s posebnimi, nenavadnimi labtnostmi
Do^ ler je bil mogoč prehod v superprevodno stčtnie samo z ohlajevanjem s tekočim helijem, so mdi superprevodniki status eksotične skupine .novi k! so jsh uporabljali samo tam, kjer proble-isiov s konvuficionalno tehniko absolutno niso jiiogli resiti Z odkritjem materialov, ki imajo super-pruvodni prehod okoli 100K, pri čemer za hlajenje
uporabljamo le še mnogo cenejši tekoči dušik, se je odprlo novo, večje področje. To področje pa je možno osvojiti le z intenzivnim, obširnim delom, ki je povezano s precejšnim tveganjem.
Odkritje superprevodnega materiala s prehodom pri 90-95K je povzročilo precejšno senzacijo po svetu. Nekaj časa je bilo opaziti močno konkurenčno tekmo, pri čemer ni bilo enotnega mnenja glede pomembnih parametrov: ali je to res najvišja kritična temperatura prehoda, oz. tokovna prehodnost, ali so bistveni osnovni eksperimenti, ali razvijanje modelov za razlago mehanizmov, ki povzročajo superprevodnost.
Sedaj so se duhovi pomirili in gredo več v smeri formul, krivulj in
prijavljanja pa-
raznih
o možnih
konferencah in simpozijih, kjer so vseh smeri: fiziki, kemiki.
so ugotovili, da je treba raziskovalni pristop k temu področju
skupine z intenzivnimi stiki in potencialnimi uporabniki.
Dr. G. Bednorz in Dr. A. Mueller, dobitnika Nobelove nagrade za fiziko leta 1987, sta s svojimi raziskavami odprla povsem nove samo, da sta prekoračila magičn
: prehoda 23,3K za niobijev germanat, spremenila tudi smer raziskav in sicer od kovin na sisteme kovinskih oksidov. Slednji dajejo pri kemičnih variacijah nevei
I učinke in tehnično zanimive I
Superprevodnost oksidov so pravzaprav odkrili že pred več kot 20 leti (stroncijevtitanat, litijev , barij-svinčev bizmutat). Z odkritjem visoko-superprevodnikov je nastalo večje za to področje. Sistema Y-Ba-Cu-0 in Bi- Ca-Sr-Cu-0 in njune variante dajejo materiale s temperaturnimi prehodi do 125K. S tem je bila odprta druga etapa raziskovalne tekme, ki je v t lih dveh letih povzročila 1
; je bil v firmi IBM v Zuerichu infor-o stanju raziskav na področju superprevodnih materialov, o tehnologijah in o njihovih industrijskih uporabah v okviru EIRME (European industrial Research Management Association). Osrednji dogodek je bilo obširno predavanje Nobelovega nagrajenca dr. G. Bednorza. Naslednja poglavja predstavljajo povzetek informacij s te-
UPORABA IN TEHNOLOGIJE
Superprevodniki imajo tri lastnosti, ki so tehnično zanimive:
*	pri prehodu iz normalnega v superprevodno stanje izgine električna upornost
*	pri tem prehajajo magnetna polja iz notranjosti materiala navzven
*	v superprevodnih strukturah se pojavljajo kvantni fenomeni.
Te
izkoriščajo že pri klasičnih
prevodnikih. Značilna področja uporabe superprevodnih sestavnih delov v sistemih so:
razis-
ločevanje surovin
Pri tem superprevodniške elemente uporabljajo pretežno v obliki žic, navitih v tuljave, ki služijo n.pr. kot močni magneti z veliko notranjo prostornino za NMR-tomografijo, za prečiščevanje rud, ali za različne I
Pri senzorjih se srečujemo v glavnem s „SQUID" (Superconducting Quantum Interference Devices), magnetnimi senzorji za raziskave na področju fizike trdne snovi, geologije in medicine.
Na področju elektronike se pojavljajo hitri logno-digitalni pretvorniki in
Počasi se
tudi razvoj sestavnih delov nabitih delcev
Skoraj na vseh področjih delajo v pretežni meri še vedno z nizkotemperaturnim (hlajenje s tekočim helijem) niobijem, ali njegovimi legurami. Žice za izdelavo tuljav so iz niobijevega titanata, delno tudi iz niobijevega stanata. SQUIDi so po večini ki so sestavljene iz niobija in ni-i nitrida. Hitro se uveljavljajo novejši maki za svoje delovanje potrebujejo temperaturo 1 ■ " .....
Neposredno po odkritju superprevodnikov so bila i predvsem na področje tehnologij v Vendar so strokovnjaki hitro ugotovili, da tako obsežne naloge ne bodo mogli rešiti v kratkem času, temveč da bo za to potrebno najmanj 5 do 10 let, po nekaterih predvidevanjih tudi več.
V nasprotju s to ugotovitvijo pa je
nosti SQUID tja do 77K, prvi uspeh, ki nriu mora da bo iz teq
pa je tudi to samo še precej 1 zrel proizvod.
Isto velja tudi za v polprevodniški tehniki. Tu je eno izmed glavnih področij uporabe povezava med čipi v računalnikih. Superprevodne povezave bi bistveno zmanj-
šale energijske izgube in povečale hitrost računalnikov ter omogočile prenos signalov brez po-pačenj. Hlajenja s tekočim dušikom v tem primeru ne štejemo za pomanjkljivost, ker so danes računalniki, hlajeni na tak način, že na tržišču.
Se vedno je potrebno hlajenje visokotempera-turnih superprevodnih elementov s tekočim dušikom. Delovna temperatura bi morala biti praviloma manjša od 2/3 temperature prehoda (Tc) Parametre je namreč težko držati v tako ozkem temperaturnem intervalu, da bi bilo zagotovljeno normalno delovanje superprevodnega elementa. Delovanje le-tega bo, ob hlajenju z vodo pri sobni temperaturi, možno šele, ko bomo imeli superpre-vodnike s temperaturo prehoda blizu 400K. To pa pomeni tudi, da je potrebno vzporedno z razvojem superprevodnikov razvijati tudi hladilno tehniko.
Velik poudarek velja še vedno novim, nepoznanim uporabam supeprevodnikov, bodisi že znanih komponent v novih sistemih, ali pa iznajdbi povsem novih komponent.
Za skoraj vsa področja uporabe je značilno, da superprevodnike ne uporabljajo same, temveč v povezavi z drugimi materiali, ki služijo kot podlaga, funkcijska medplast, prevleka ali mehanska opora. To pomeni, da so področja uporabe superprevod-nikov odvisna od velikega števila parametrov, ki jih je treba optimirati, kar ima za posledico široko, obsežno in multidisciplinarno delo.
SEDANJE RAZISKOVALNO DELO
število sintetiziranih novih supreprevodnikovje veliko in skoraj nepregledno. Tudi neuspehov je bilo precej.
Pri iskanju novih materialov je nujno tesno sodelovanje med kemijsko preparative in teoretično fiziko, pri čemer se razkriva mehanizem superpre-vodnosti.
Velika pozornost je posvečena izdelavi monok-ristalov in epitaksialnih tankih plasti ter preučevanju ponovljivosti teh postopkov.
Zelo problematična je stabilnost superprevodnih materialov. Posebno material Y-Ba-Cu-0 je nagnjen k oddajanju kisika, k hidralizi in reakciji z ogljikovim dioksidom iz zraka. Poznavanje mehanizmov reakcij pri staranju materiala, oz. po stiku z o-kolico je bistvenega pomena za uporabo teh materialov v tehnične namene. Potrebno bo doseči njihovo dolgoročno stabilnost s spreminjanjem sestave, z določenimi dodatki ali z zaščitami.
Razvoj reproducibilnih proizvodnih postopkov in specifičnih kontrolnih postopkov je tudi ena izmed osrednjih nalog razvoja. Uporabljajo številne specialne postopke priprave prahov, tja do sol-gel postopka, ki je znan po tem, da daje prahove z zelo homogeno velikostjo delcev. Zaenkrat je še prezgodaj, da bi že lahko navedli tiste postopke in tehnologije, ki se bodo na tem področju uveljavili. Oblikovanje elementov gre v glavnem v dve smeri: oblikovanje in sintranje masivne keramike (in bulk) in izdelovanje tankih superprevodnih plasti.
Sedanja ocena je, da bo največ uporabe v obliki tankih plasti in navitij. Slednje se nanaša na nosilce v obliki trakov, ali žic v trdi, ali v fleksibilni obliki. Plasti so po večini tanke, epitaksialne, ali debele. Mikrostruktura teh plasti je odvisna od izbrane tehnologije nanašanja. Glede na to, da je pri mnogih uporabah, posebno tam, kjer pridejo v poštev visoke gostote tokov, pomembna izrazita orientacija zrn, ali je celo potrebna monokristalna struktura, je razvoj metod, ki omogočajo doseganje takih struktur zelo bistvena naloga. Navadno je za to potrebna poobdelava teh plasti. Mikrostrukturira-nje plasti se opravlja s postopki, ki so poznani v polprevodniški tehnologiji.
To posebno pride v poštev pri kombinacijah polprevodnika in superprevodnika. Razen postopkov odjedkavanja materiala je možno tudi ionsko obstreljevanje, pri čemer obstreljevani del superprevodnega materiala izgubi svoje superprevodne lastnosti.
Za večino do sedaj znanih tehničnih uporab superprevodnih materialov je potrebna gostota toka od 15 do 16 A/cm . Take vrednosti so bile do sedaj dosežene le pri epitaksialnih plasteh. Zaradi močno izražene anizotropije in drugih fizikalnih lastnosti teh materialov bi moral razvoj iti v smeri prido-
Področ. uporabe	Element	Oblika
osnovne raziskave	magneti vseh vrst pospeševalniki nabitih delcev SQUID	navitja masivna keramika tanke plasti
medicin, tehnika	NMR magneti SQUID	navitja tanke plasti
senzorji	IR'-detektorji mikrovah.detektorji	tanke plasti tanke plasti
elektronika	napetost standardi mikserji	tanke plasti tanke plasti
bivanja čimbolj enotne orientacije zrn. Poseben problem so meje med zrni. Anizotropija in prisotnost motečili faz predstavljajo ovire za tokovno prehodnost. Zato je eden izmed ciljev raziskav tudi vplivov mej med zrni na najmanjšo
Nadaljnje težave nastopijo pri toplotni obdelavi že nanešenih plasti. Pri tem nastajajo kemične reakcije in difuzijski procesi. Izbira podlag je torej zelo pomembna.
Superprevodniki sodijo med najbolj komplici-
ki
je pri ki jo je
raz-in kom-
Superprevodniki so še vedno predmet osnov-
do
V firmi IBM predvidevajo a 2000 približno
* v glavnem za
i SQUID magnetne senzorje 1 IR-senzorje.
po letu 2000:
druga predvidena področja, pri 5ti pomembna
Morda bi bilo ob tem dobro omeniti dejstvo, da so evropske prognoze na področju razvoja in hi-
cej skeptične in konzervativne. Japonci so v svojih prognozah precej bolj pogumni. Najnovejša predvidevanja Nikkei High Tech Report (julija 1988) so: največji razmah naj bi bil na področju medicinskih naprav (NMR-CT), laserjev, majhnih ciklotronov, pospeševalcev velikih delcev in SQUID na osnovi kombinacije dveh Josephsonovih spojev naj bi se uveljavili v 10 letih po odkritju pravega superpre-vodnega materiala. Sledila naj bi jim uveljavitev transportnih in industrijskih strojev, hkrati z razvojem na področju elektronike. Zadnja v tem zaporedju naj bi bila energetika, ki pa je obeležena z največjimi pričakovanji posebej v vrednostnem pogledu.
Če bo prodor superprevodnikov na pomembna področja, kot so računalništvo in energetika us-bodo nastale globoko;
be v tehničnih konceptih nasploh, kakor tudi v trženju.
Razvoj superprevodnikov pogosto primerjajo z razvojem tehnike optičnega prenosa na področju
preus-
Področje superprevodnikov je tisto, ki bo s seboj prineslo precej sprememb. Zato ga je treba vestno spremljati. Tisti, ki temu zaradi neznanja, ali zaradi pomanjkanja sredstev ne bodo kos (kajti tu pričakujemo velika t( merjanja, ki bodo potegnila za seboj ticije), bodo neusmiljeno obsojeni na
Darja Uvodič, dipl. ing., SOZD- ISKRA Trg revolucije 3, Ljubljana