Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6773
Hochfrequenzeigenschaften von
YBa2Cu3O7-x – Massivmaterial in Korrelation
zum Gefüge
Annegret Brendel
Zusammenfassung
Der Hochtemperatursupraleiter YBa2Cu3O7-x hat
aufgrund seiner geringen Hochfrequenzverluste ein vielfältiges
Einsatzpotential im Hochfrequenzbereich. Speziell bei Anwendungen in der
Kommunikationstechnologie sind die als Resonatoren ausgeführten
Hochfrequenzfilter aus YBa2Cu3O7-x bereits
jetzt konventioneller Technik überlegen. Zur Erschließung weiterer Anwendungsgebiete
ist ein grundlegendes Verständnis der Eigenschaften bei hohen Frequenzen
erforderlich.
Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Hochfrequenzeigenschaften von YBa2Cu3O7-x im Mikrowellenbereich unter Einsatz eines Hohlraumresonators bei 10 GHz und eines offenen Resonators bei 145 GHz. Durch die Verwendung von Massivmaterial war es möglich, den Einfluß der Korngrenzen auf die Hochfrequenzeigenschaften zu untersuchen.
Aus kommerziell erhältlichem stöchiometrischem YBa2Cu3O7-x–Pulver wurden scheibenförmige Proben gepreßt und bei Temperaturen zwischen 920°C und 950°C 10 h gesintert. Die Herstellung der schmelztexturierten Proben erfolgte über die Erwärmung von gesintertem Material bis über den Schmelzpunkt (1040°C) gefolgt von einer langsamen Abkühlung von 0,5 K/h bis 1 K/h. Zur Einstellung der supraleitenden Eigenschaften wurden alle Proben in reiner Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 300°C und 500°C geglüht.
Die Sintertemperatur hatte Einfluß auf die Korngröße und auf die Form und Verteilung von Fremdphasen. Die Kornquerschnittsfläche der 920°C-Proben betrug durchschnittlich 60 mm². Sie nahm mit steigender Sintertemperatur zu und erreichte ihr Maximum mit ca. 600 mm² bei den Proben, die bei 950°C gesintert wurden. Im Gefüge der Sinterproben wurden die Fremdphasen BaCuO2 und CuO nachgewiesen. Durch das Verfahren der Schmelztexturierung wurden Korngrößen im mm-Bereich erreicht. Im Gegensatz zum Sintermaterial bestand bei den schmelztexturierten Proben keine Fremdphasenbelegung der Korngrenzen. Im Korninneren wurde die „grüne Phase“ (Y2BaCuO5) gefunden. Kupferoxid befand sich zwar an der Korngrenze, jedoch nicht als durchgehender Belag.
Die Hochfrequenzeigenschaften des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O7-x wurden vom Gefüge beeinflußt. Im Sintermaterial wirkten sich speziell die Form und Verteilung von Fremdphasen auf Eigenschaften im Hochfrequenzfeld aus. Im schmelztexturierten Material dominierte die Kornorientierung den Oberflächenwiderstand. Dabei erreichten nicht nur (001)-orientierte Körner niedrige Werte. Auch Körner mit (100)- oder (010)-Orientierung besaßen niedrige Oberflächenwiderstände, wenn die (001)-Achse der Körner senkrecht zum elektrischen Feld ausgerichtet war.
High-frequency
properties of YBa2Cu3O7-x bulk material in
correlation to microstructure
Abstract
Due to its minimal high-frequency loss characteristics, the high temperature
superconductor YBa2Cu3O7-x has a variety of
application potentials in the high-frequency range. For example, applying this
high temperature superconductor to resonator design allowed for the production
of more efficient filters than was possible with conventional technology. This
is especially evident in communications technology applications. In order to
development further areas of application, a basic understanding of the material
properties at high frequencies is necessary.
The goal of
the research was to analyze the high-frequency characteristics of YBa2Cu3O7-x
in the microwave band under the application of an end-plate resonator at 10 GHz
and an open resonator at 145 GHz. The use of bulk materials made it possible to
analyze the influence of the grain boundaries on the high-frequency properties.
The disc
shaped specimens were pressed from commercially available stoichiometric YBa2Cu3O7-x-powder
and then sintered at temperatures in the range of 920°C to 950°C. During the melt-texturing
process, the sintered material was then heated beyond its melting point. This
was followed by a low transient cooling ramp in the range of 0.5 K/h to 1.0
K/h. In order to attain superconductive properties, all specimens were heat
treated in a pure oxygen environment at temperatures between 300°C and 500°C.
The grain
size as well as the shape and distribution of the secondary phases were
affected by the sintering process. The grain cross-sectional area of the 920°C specimens was on average 60 mm2. It was observed that the average
resulting grain size was a function of the sinter temperature. A maximum
cross-sectional area of approximately 600 mm2 was attained at a
sinter temperature of 950°C. Secondary phases BaCuO2
and CuO were discovered in the microstructure of sintered specimens. The
process of melt-texturing enabled grain sizes in the millimeter range to be
obtained. In contrast to the sintered material, the melt textured specimens
exhibited no secondary phase loads on the grain boundaries and the Y2BaCuO5
phase was found in the grain interior. Though it did not appear as a continuous
coating, CuO was indeed present on the grain boundary.
The
high-frequency properties of the high temperature superconductor YBa2Cu3O7-x
were found to be dependent upon its microstructure. The surface resistance of
sintered material was primarily influenced by the shape and distribution of the
secondary phases. The high-frequency properties of melt-textured material were
dominated by the grain orientation. Not only the (001)-orientated grains, but
also grains with (100)- or (010)-orientation attained low surface resistances,
if the (001)-axis of the grains were oriented perpendicular to the electrical
field.