O efeito da aplicação de corrente eléctrica e da composição nominal
6.3. Propriedades supercondutoras da fibra 2212 crescida com 50mA
Os valores das densidades de corrente crítica de transporte, JCT=2.8×103A/cm2 e magnética
JCM=9.8×104A/cm2 obtidos na fibra C1I50 (Tabela 6.3.), estimularam um estudo mais profundo das
propriedades magnéticas e da microestrutura desta amostra. Uma vez que a optimização das propriedades de transporte passa por factores como a homogeneização das fases supercondutoras de alta temperatura, o aumento do alinhamento e da conectividade entre os grãos supercondutores [SAT91], foi analisada em detalhe a matriz supercondutora da fibra C1I50. De acordo com os resultados de EDS, após tratamento térmico, a matriz supercondutora é constituída essencialmente por cristais supercondutores da fase 2212 de composição média Bi2.44Sr1.93Ca0.68Cu2.00Ox. A
homogeneidade da matriz é visível na fotomicrografia de SEM da Figura 6.8.a). Este resultado é consolidado pelos resultados dos estudos de ρ(T) (Figura 6.4.) e χ(T) (Figura 6.6.). Estes apontam para a presença de uma única fase supercondutora, a 2212. A figura de polos realizada no plano (008) que corresponde ao ângulo 2θ de 22.98º, Figura 6.8.b), mostra a intensidade da reflexão na direcção perpendicular ao eixo da fibra (ϕ =-90º, +90º). Tendo em consideração a posição relativa
da amostra e do goniómetro (Figura 2.4.), verifica-se que o grau de alinhamento do eixo-b dos cristais 2212 paralelamente ao eixo de crescimento da fibra, nas condições de solidificação assistida por corrente eléctrica, é elevado.
a) b)
Figura 6.8. –a) Fotomicrografia de SEM da fibra C1I50 recozida; b) Figura de polos dos cristais
2212 no plano (008) que corresponde ao ângulo 2θ de 22.98º dos cristais 2212 da fibra C1I50. Os ciclos de histerese magnéticos obtidos a várias temperaturas são apresentados na Figura 6.9. A forma do ciclo M(H) à temperatura de 5K, resultante do comportamento da magnetização da amostra com a intensidade do campo magnético aplicado (H), é característica de um supercondutor com ancoragem de fluxo. No estado crítico remanente, após o aumento e diminuição da intensidade
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do campo magnético aplicado, no final de meio ciclo para campo nulo (H=0Oe), regista-se uma diminuição do valor da magnetização com o aumento da temperatura de medida.
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 -150 -125 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 M (emu /cm 3 ) H (kOe) 5K 10K 15K 25K 40K 50K 77K
Figura 6.9. – Ciclo de histerese M(H), com campo magnético aplicado paralelamente ao eixo
azimutal da fibra C1I50 às várias temperaturas indicadas no gráfico.
A região inicial do ciclo magnético, na qual se encontra o campo crítico inferior (HC1) é
apresentada em detalhe na Figura 6.10.a). O valor de HC1 foi calculado de acordo com o método
indicado no capítulo 2. A evolução dos valores de HC1 em função da temperatura, Figura 6.10.b), é
a caracterizada por uma diminuição de HC1 com o aumento da temperatura, que tende para zero
para T>85K, valor de temperatura obtido das medidas de χ(T) como correspondendo ao aparecimento de comportamento diamagnético.
A variação da densidade de corrente crítica magnética (JCM) da fibra C1I50 em função do
campo magnético, às várias temperaturas de medida, é representada na Figura 6.11. Os valores de
JCM foram determinados a partir dos ciclos de histerese via modelo de Bean do estado crítico, como
referido na metodologia de cálculo do Capítulo 2. Note-se que do gráfico da Figura 6.11. não faz parte a curva a JCM(H) obtida a 77K, devido à irreversibilidade magnética observada ser da ordem
da dispersão dos valores obtidos. Nos dados da diminuição de JCM com o aumento do campo
aplicado (H) são identificados dois regimes: i) um para temperaturas T≤25K no qual as curvas
JCM(H) medidas a 5,10,15 e 25K evoluem sensivelmente paralelas; ii) outro para T≥25K, nas
curvas obtidas a 40 e 50K, onde se observa um decaimento mais rápido. Esta alteração do regime
0 2 4 6 8 10 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 5K 10K 15K 25K 40K 50K M (emu /c m 3 ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 b) HC1 (k Oe) T(K) H (kOe) a)
Figura 6.10. – a) Variação da magnetização (M) em função do campo magnético aplicado (H),
para campos magnéticos H≤103Oe obtidos após arrefecimento em campo nulo; b) Comportamento
do primeiro campo crítico (HC1) em função da temperatura para a fibra C1I50.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 1x104 2x104 3x104 4x104 5x104 6x104 7x104 8x104 9x104 1x105 JCM (A/ cm 2 ) H (kOe) 5K 10K 15K 25K 40K 50K
Figura 6.11. – Evolução da densidade de corrente magnética (JCM) em função do campo magnético
(H) aplicado paralelamente ao eixo azimutal da fibra, para a fibra C1I50 às várias temperaturas indicadas no gráfico.
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Na Figura 6.12, é apresentada a evolução da densidade de corrente crítica magnética extrapolada para campo nulo, JCM(0), em função da temperatura. A evolução é caracterizada por
um decaimento brusco de JCM(0) com o aumento da temperatura, e descrita aproximadamente pela
expressão exponencial inserida no gráfico. O valor mais elevado de 9.8×104A/cm2 é reduzido para
aproximadamente um terço do seu valor ≅3.2×104A/cm2 quando a temperatura a que a amostra está
sujeita aumenta de 5 para 25K.
Em cristais únicos de composição Bi2.03Sr2.08Ca0.85Cu2Oy processados pela técnica de
“Travelling Solvent Floating Zone” (TSFZ), foram obtidas para campo nulo e à temperatura de 20K densidades de corrente entre 1×105A/cm2 e 2×106A/cm2 [CHI04]. Este intervalo de valores é
consequência de variações pontuais na composição. Nestes cristais de composição próxima da estequiométrica 2212, é observado o comportamento da densidade de corrente em função da temperatura, para temperaturas superiores a 20K e a campo nulo, verificando-se a diminuição de uma ordem de grandeza no valor de JCM num intervalo de 30K. Esta diminuição de JCM (0) no
intervalo de 20K a 50K, é mais acentuada do que a registada na fibra C1I50 (Figura 6.12.)
0 20 40 60 80 100 0.0 2.0x104 4.0x104 6.0x104 8.0x104 1.0x105 0 10 20 30 40 50 60 70 80 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 log( J CM (0)) A/cm 2 T(K) JCM (0 ) (A /c m 2 ) T(K) J CM(0,T)=13x10 4 exp(-T/12)
Figura 6.12. – Comportamento da densidade de corrente crítica magnética para campo nulo,
JCM(0), em função da temperatura para a fibra C1I50.
Na fibra C1I50 a temperatura (T) e campo magnético aplicado (H) afectam fortemente a densidade de corrente crítica magnética (JCM), de acordo com os comportamentos exibidos nas
Figuras 6.10. e 6.11. Na diminuição de JCM com o aumento de T e H, a ancoragem de fluxo intra-
[Maley1992]. Em fitas (Bi,Pb)SCCO, o brick-wall model descreve o comportamento de JCM(H) a
baixas temperaturas, um valor significativo de JCM estende-se até campos elevados (>25T),
sugerindo que a baixas temperaturas a ancoragem de fluxo intragranular é adequada para manter o valor de JCM, que é determinado pela transferência de corrente intergranular [MAL92]. Contudo,
em torno de 35K ocorre uma diminuição abrupta de JCM com o aumento de H, similar à observada
em cristais únicos [GHO01] , filmes [SCH91] e fitas [KUM91]. Aqui o declínio de JCM(H,T) é
determinado por ancoragem de fluxo intragranular [MAL92].
O decaimento de JCM(H), que se torna mais acentuado com o aumento do campo
magnético, para temperaturas superiores a 25K (Figura 6.11.) pode ser considerado como o resultado da ocorrência da fluência por activação térmica e consequentemente da diminuição da corrente de transporte intergranular. Quando um supercondutor do tipo II se encontra sujeito a um campo magnético, o limite da densidade de corrente é determinado pelo balanço de duas forças (opostas) que actuam nas linhas de fluxo magnético: a força de ancoragem devida à variação espacial da condensação de energia e a força de Lorentz exercida pela corrente transportada. É dissipada energia sempre que as linhas de fluxo (vórtices) se movem. É possível distinguir entre dois regimes de dissipação: um quando domina a força de ancoragem e o outro quando é dominante a força de Lorentz [PAL88]. Quando a intensidade do campo magnético aumenta o primeiro regime domina sobre o segundo. No entanto, as características microestruturais da fibra C1I50, uma matriz homogénea de cristais supercondutores 2212 na qual se encontra imersa uma única fase secundária o cuprato 14/24, sem outras fases secundárias indicadas em trabalhos anteriores como ancoradouros de fluxo: cuprato 2/1 [KOB98], fase supercondutora 2201 [NEV01], indica que o número de pontos de ancoragem de fluxo da fibra é reduzido. Desde modo, a força de ancoragem é relativamente baixa.
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6.4. Conclusões
A natureza da fase de cristalização mostrou ser independente da composição e influenciada pela presença da corrente eléctrica, passando de 1/1 para 14/24 para uma intensidade de 50mA. A distribuição radial dos elementos (catiões) do sistema BSCCO é homogeneizada nas fibras crescidas por EALFZ, este efeito é mais acentuado nas fibras com maior teor de Cu.
As propriedades de transporte, JCT a 77K e JCM(0), são optimizadas nas fibras crescidas por
EALFZ, verificando-se esta melhoria na capacidade de transporte de corrente nas fibras cuja composição nominal tem menor teor de Cu, e se aproxima da estequiometria da fase 2212.
O excelente alinhamento de grão e a homogeneidade da matriz supercondutora na fibra C1I50 conferem-lhe os valores mais elevados de JCT =2.8×103A/cm2 a 77K e JCM(0)=9.8×104A/cm2
a 5K. O comportamento da densidade de corrente magnética; JCM desta fibra, em função das
variáveis temperatura e campo magnético aplicado, é similar ao observado em cristais únicos da mesma composição.
6.5. Referências
[CAB89] W.C.-Cabrera, W. Göpel, G. de la Fuente, H.R. Verdún, Applied Physics Letters 55[10] (1989), 1032.
[CAR04] M.F. Carrasco, F.M. Costa, R.F. Silva, F. Gimeno, A. Sotelo, M. Mora, J.C. Díez, L.A. Angurel, Physica C 415 (2004) 163-171.
[CHA00] G. Chang, J. Yuan, Z. Wang, C. Wu, X. Wang, H. Hu, Trans. Nonferrous Met. Soc.
China 10 [4] (2000), 445.
[CHA00A] G. Chang, J. Yuan, Z. Wang, C. Wu, X. Wang, H. Hu, Trans. Nonferrous Met. Soc.
China 10 [5] (2000), 610.
[CIM90] M.J. Cima, X.P. Jiang, H.M. Chow, J.S. Haggerty, M.C. Flemings, H.D. Brody, R.A. Laudise, D.W. Johnson, Journal of Materials Research 5 (1990), 1834.
[CHO91] H.M. Chow, X.P. Jiang, M.J. Cima, J.S. Haggerty, H.D. Brody, M.C. Flemings, Journal
of the American Ceramic Society 74[6] (1991), 1391.
[CHI04] N. Chikumoto, K. Furusawa, M. Murakami, Physica C 412-414 (2004), 436.
[COS96] F.M. Costa,”Recristalização e supercondutividade de fibras dos sistemas Bi-Sr-Ca-Cu-O
processadas por fusão de zona com laser”, tese de doutoramento (1996), Universidade de Aveiro,
Aveiro-Portugal.
[COS99] F.M. Costa, R.F. Silva, J.M. Vieira, Physica C 323 (1999), 23.
[FEI88] R.S. Feigelson, D. Gazit, D.K. Fork, T. H. Geballe, Science 240 (1988), 1642. [GHO01] A.K. Ghosh, A.N. Basu, Physica C 361 (2001), 135.
[HUA91] Y. Huang, G. de la Fuente, A. Sotel, A. Badia, F. Lera, R. Navarro, C. Rillo, R. Ibanez, D. Beltran, F. Sapina, Physica C 185-189 (1991), 2401.
[JIN91] S. Jin, R.B. van Dover, T.H. Tiefel, J.E. Graebner, N.D. Spencer, Applied Physics Letters
58[8] (1991), 868.
[KNI93] K. Knízek, E. Pollert, D. Sedmidubský, J. Hejtmánek, J. Pracharová, Physica C 216 (1993) 211-218.
[KOB98] M.R. Koblischka, S.L. Huang, K. Fossheim,T.H. Johansen, H. Bratsberg, Physica C 300 (1998), 201.
[KUM91] H. Kumakura, K.Togano, H. Maeda, J. Kase, T. Moritomo, Applied Physics Letters
58[24] (1991), 2830.
[LI01] F. Li, L.L. Regel, W.R. Wilcox, Journal of Crystal Growth 223 (2001), 251. [MAJ94] P. Majewski, H.-L. Su, F. Aldinger, Physica C 229 (1994) 12-16.
- 174 -
[MAL92] M.P. Maley, P.J. Kung, J.Y. Coulter, W.L. Carter, G.N. Riley, M.E. McHenry, Physical
Review B 45 [13] (1992), 7566.
[NAT02] E. Natividad, J.C. Díez, J.I. Peña, L.A. Angurel, R. Navarro, J.M. Andrés, A.C. Ferrando,
Physica C 372-378 (2002), 1051.
[NAT03] E. Natividad, J.C. Díez, L.A. Angurel, J.M. Andrés, A.C. Ferrando, M.C. Mayoral,
Physica C 379-387 (2003), 379.
[NAT02A] E. Natividad Blanco, Correlation between procesing parameters, microstructure and
Physical Properties on textured Bi2Sr2CaCu2O8+δ superconductors, tese de doutoramento,
Universidad de Zaragoza (CSIC), 2002.
[NEV01] M.A. Neves, M.F. da Silveira, V. Soares, Physica C 354 (2001), 391.
[PAL88] T.T.M. Palstra, B. Batlogg, L.F. Schnneemeyer, J.V. Waszczak, Physical Review Letters
61[14] (1988), 1662.
[SAT91] K. Sato, T. Hikata, H. Mukai, M. Ueyama, N. Shibuta, T. Kato, IEEE Transactions on
Magnetics 27[2] (1991), 1231.
[SCH91] P. Schmitt, P. Kummeth, L. Schultz, G. Saemann-Ischenko, Physical Review Letters