Moscow State University

Home

Материалы для сверхпроводящих, магнитных и термоэлектрических приложений

Цель направления:

Разработка новых сверхпроводящих, термоэлектрических и магнитных наноструктурированных материалов и устройств на их основе, а также создание новых и улучшенных методов и технологий генерации, транспортировки и преобразования энергии.


Стремительное развитие альтернативной энергетики, в первую очередь, увеличение доли «чистой» энергии создает условия для снижения нагрузки на экологическую обстановку. Одновременно, для обеспечения экономической эффективности, возрастают требования к разработке новых методов преобразования энергии и резкой минимизации потерь при её передаче. В этих условиях создание новых материалов, позволяющих эффективно преобразовывать и транспортировать энергию, становится ключевой задачей. Передача электроэнергии без потерь связана с разработкой новых высокотемпературных сверхпроводников и технологий на их основе. Развитие сверхпроводниковой техники смыкается с задачами создания новых и улучшенных принципов генерации холода и транспорта тепловой энергии в интервале от сверхнизких до комнатных температур, для чего требуется разработка магнетокалорических и термоэлектрических материалов нового типа. С помощью термоэлектрических материалов решается и самостоятельная задача энергетики — прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию. В МГУ имеются все предпосылки для решения поставленных задач: существует лабораторная база и высокопрофессиональные кадры, активно проводятся фундаментальные и прикладные исследования и накоплены результаты мирового уровня, к ярчайшим из которых относится открытие нового семейства высокотемпературных сверхпроводников, обладающих рекордной температурой перехода в сверхпроводящее состояние (138К).

Задачи, решаемые в рамках направления

  1. Разработка технологии создания кабелей ВТСП 2-го поколения;
  2. Создание новых высокотемпературных сверхпроводников с высокими критическими параметрами;
  3. Развитие методов фононной инженерии и создание на их основе новых термоэлектрических материалов для сверхпроводниковой техники и солнечной энергетики;
  4. Разработка магнетокалорических материалов нового типа для создания новых и улучшенных принципов генерации холода.

Разработка технологии создания кабелей ВТСП 2-го поколения:

Важнейшим достижением последних лет в МГУ стали разработки новых наноструктурированных высокотемпературных сверхпроводящих материалов для целей передачи энергии. В последние годы мировое сообщество специалистов по сверхпроводимости успешно развивает технологии сверхпроводящих длинномерных кабелей 2-го поколения, способных функционировать при температуре жидкого азота. Это направление рассматривается международной научной-технической общественностью как реальная технология, способная революционизировать многие технические решения при производстве, передаче и потреблении электроэнергии. Сверхпроводящие кабели 2-го поколения представляют собой металлические ленты с нанесенным на них текстурированным слоем сверхпроводника YBCO. Такие материалы будут в ближайшее время применяться для передачи больших токов без потерь на тепловыделение по компактным линиям (что особенно важно для ввода энергии в мегаполисы), для создания мощных токоограничителей (потребность России в них огромна), в качестве обмоток криомоторов, генераторов, надежных и экологически безопасных криотрансформаторов и во множестве других электроэнергетических проектов. Выгода от применения сверхпроводников в перечисленных электрических машинах состоит не только в экономии электроэнергии (до 20%), но и в резком (в 4-5 раз) снижении массогабаритных показателей и металлоемкости, что в ряде случаев не менее важно (пример: судовые двигатели ВМФ). Важно, что сверхпроводящие материалы нового поколения позволяют создать оборудование, принципиально нереализуемое с традиционными проводниками (пример: индуктивные накопители с неограниченным сроком хранения энергии). Высокотемпературные сверхпроводники известны уже, начиная с 1987г., однако достижение высоких значений плотности критического тока на технически- приемлемых металлических подложках стало возможным лишь в последние годы благодаря освоению нанотехнологий текстурированных буферных слоев и эпитаксиальных пленок сверхпроводников. Таким образом, работы в направлении развития основ технологии ВТСП-материалов второго поколения с полным правом относятся к области нанотехнологии функциональных покрытий.

В МГУ создана уникальная экспериментальная база по получению и исследованию тонких оксидных пленок методом химического осаждения из паров летучих металл-органических соединений (MOCVD.) К числу конкретных достижений в этой области следует отнести а) разработку технических условий, реализуемые в настоящее время в заводских условиях при получении металлической ленты-подложки; б) создание буферных слоев с новой (более простой) архитектурой; в) разрабатку новых подходов к газофазному осаждению слоя сверхпроводника (новые технические способы микродозирования прекурсоров в паровую фазу, новые принципы нагрева растущего оксидного слоя), г) с применением этих усовершенствований достигнуты плотности критического тока 0,5х106 А/см2.

Создание новых высокотемпературных сверхпроводников с высокими критическими параметрами:

В МГУ в течение 20 лет проводятся исследования мирового уровня в области высокотемпературных сверхпроводящих материалов. К числу ярких достижений относится открытие нового семейства ртуть-содержащих сверхпроводников, обладающих до настоящего времени рекордными температурами перехода в сверхпроводящее состояние, достигающие 138К при нормальном давлении и 165К под высоким давлением. Новой задачей является создание высокотемпературных сверхпроводников с высокими критическими параметрами (ТС, JC) на основе недавно открытого семейства ферроарсенидных соединений и их аналогов.

Развитие методов фононной инженерии и создание на их основе новых термоэлектрических материалов для сверхпроводниковой техники и солнечной энергетики:

В МГУ проводится разработка новых принципов создания термоэлектрических материалов нового поколения для трёх типов применения: 1) Генерация электрического тока из отработанного тепла автомобилей; 2) Прямая конверсия теплового излучения Солнца в электроэнергию; 3) Активное криогенное охлаждение для обеспечения сверхпроводниковой электроники. В качестве основного подхода успешно используется создание наноклеточных и наноблочных соединений и композитов на их основе с пространственным разделением функциональных блоков, позволяющим управлять транспортом тепла в узкозонных и вырожденных полупроводниках, не затрагивая транспорта носителей заряда. Такой подход имеет название фононная инженерия. К настоящему времени получены новые наноклеточные вещества — полупроводниковые клатраты на основе элементов 14й группы — с коэффициентом термоэлектрической добротности ZT = 0.1 при комнатной температуре и ZT = 0.4 при 1000К, что является хорошей основой для создания термоэлектрических материалов нового поколения. Эти вещества обладают аномально низкой теплопроводностью и необычным увеличением термоэдс при низких (30–50К) температурах, что создает основу для разработки низкотемпературных термоэлектрических материалов для сверхпроводниковой электроники.

Разработка магнетокалорических материалов нового типа для создания новых и улучшенных принципов генерации холода:

Настоящее направление связано с комплексным изучением связанных между собой квантовых кооперативных явлений — магнетизма и сверхпроводимости. Особым направлением исследований в этой работе станет изучение передачи тепла в низкоразмерных соединениях, где тепловой транспорт в выделенных направлениях кристалла осуществляется за счет магнонной теплопроводности. Наличие каналов направленной передачи тепла в сочетании с обратным магнитокалорическим эффектом позволит реализовать новые принципы генерации холода и перераспределения тепловой энергии. На физическом факультете МГУ в течение многих лет проводится работа по исследованию магнитоупругого калорического эффекта в соединениях, содержащих редкоземельные элементы. Получены материалы с магнитокалорическим эффектом, достигающим величины 10–15K, что дает возможность их использования в качестве рабочих тел для магнитных холодильных машин. Разработаны физические основы создания холодильных машин нового типа на основе этого эффекта, не содержащих движущиеся элементы.

Ссылки

  1. S.N. Putilin, E.V. Antipov, O. Chmaissem, M. Marezio. Superconductivity at 94 K in HgBa2CuO4+σ. Nature. 362 (1993), 226–228.
  2. S.V. Borisenko, V.B. Zabolotnyy, D.V. Evtushinsky, T.K. Kim, I.V. Morozov, A.N. Yaresko, A.A. Kordyuk, G. Behr, A. Vasiliev, R. Follath, B. Buchner. Superconductivity without Nesting in LiFeAs. Phys. Rev. Lett. 105, 067002 (2010)
  3. А.В. Шевельков. Химические аспекты создания термоэлектрических материалов. Успехи химии, 2008, т. 77, №1, с. 3–21.
  4. J.V. Zaikina, T. Mori, K. Kovnir, D. Teschner, A. Senyshyn, U. Schwarz, Yu. Grin, A.V. Shevelkov. Bulk and Surface Structure and High-Temperature Thermoelectric Properties of Inverse Clathrate-III in the Si–P–Te System. Chem. Eur. J. 2010, v. 16, p. 12582–12589.
  5. Никитин С.А. Магнитоупругие эффекты в редкоземельных металлах и их сплавах в области магнитных фазовых переходов, Известия РАН, сер. физ. т. 71, №11, с. 4–8 (2007)
  6. Ivanova T.I., Nikitin S.A., Suski W., Tskhadadze G.A., Ovtchenkova I.A., Badurski D. Magnetic properties, magnetoresistivity and magnetocaloric effect in GdxLa1-xMnSi alloys. Journal of Rare Earths, v. 27(4), p. 684–687 (2009).

Контактная информация

  • Профессор Кауль Андрей Рафаилович, Kaul@inorg.chem.msu.ru, (495)939-14-71. Разработка технологии создания кабелей ВТСП 2-го поколения;
  • Профессор Антипов Евгений Викторович, Antipov@icr.chem.msu.ru, (495)939-28-70. Создание новых высокотемпературных сверхпроводников с высокими критическими параметрами;
  • Профессор Шевельков Андрей Владимирович, shev@inorg.chem.msu.ru, (495)939-33-39. Развитие методов фононной инженерии и создание на их основе новых термоэлектрических материалов для сверхпроводниковой техники и солнечной энергетики;
  • Профессор Никитин Сергей Александрович, nikitin@phys.msu.ru, (495)939-49-02. Разработка магнетокалорических материалов нового типа для создания новых и улучшенных принципов генерации холода.