Серебряный шарик в керамике

На этой фотографии, полученной при помощи растрового электронного микроскопа и затем раскрашенной, запечатлена серебряная микросфера диаметром порядка 10 мкм, которая находится в окружении частиц керамики с составом Bi₂Sr₂Co₂O_x (красные пятна на заднем плане) — вещества из класса перовскитов с очень интересными свойствами, в частности, высокотемпературной сверхпроводимостью. Вместе серебро и керамика составляют композитный материал с не менее интересными свойствами: он проводит электрический ток (полупроводник p-типа), но при этом очень плохо проводит тепло. Это означает, что в данном материале можно создать значительный градиент температур, который приведет к перераспределению зарядов, а, значит, к возникновению электродвижущей силы (эффект Зеебека). Такая конвертация тепловой энергии в электрическую — важное и актуальное свойство, поскольку в настоящее время более половины производимой человеком энергии теряется в виде тепла. А термоэлектрические устройства из таких композитных материалов помогут эти потери снизить.

Для получения керамики такого сложного состава требуется точно подобрать соотношения всех компонентов (висмута, стронция, кобальта и серебра), равномерно смешав их источники (это могут быть и порошки соответствующих оксидов, и водные растворы соответствующих солей) друг с другом. Затем полученную смесь переводят в твердое состояние, стараясь сохранить высокую степень дисперсности компонентов — для этого существуют специальные методы, например, золь-гель. Из смеси формируют цилиндр, один из концов которого поддерживают в расплавленном состоянии лазерным излучением. С этого конца вещество аккуратно вытягивают из зоны расплава, что приводит к его кристаллизации — обычно в виде набора вытянутых монокристаллов размером 10–200 мкм. Это метод «пьедестала» (см. Laser-heated pedestal growth) — один из классических методов выращивания монокристаллов.

Интересная сферическая форма частицы серебра обусловлена кристаллизацией из капли. Жидкое серебро не смачивает керамику, и в расплавленном состоянии композит находится в виде капелек серебра в расплаве керамики, словно эмульсия масла в воде. Поскольку температура плавления серебра выше чем у керамики, то оно первым начнет кристаллизоваться из капель своего расплава, распределенного в расплаве керамики. Ступенчатые образования на поверхности частицы серебра — вицинальные холмики — могут образовываться разными путями: они могут быть и реальными гранями образовавшегося кристалла, и кинематическими волнами уплотнения атомных ступеней, возникшими в результате конвекционных потоков вокруг кристаллизующейся капли. Отличить истинные макроступени (образованные гранями) от кинематических волн можно, сравнивая округлость контуров ступени. Большая округлость свидетельствует о большей средней плотности изломов на торце ступени, то есть, о наличии кинематической волны. Кроме того, кинематические волны являются неравновесными объектами и будут стремиться перейти в грани кристалла. На картинке мы наблюдаем как раз такой процесс формирования четких контуров у округлых ступеней. Иными словами, кружочки на шарике — это кинетические волны, а многоугольники — грани кристалла.

Фото из статьи M. A. Madre et al., 2016. Thermoelectrics. Оно было помещено на обложку журнала «Materials Today».

См. также о высокотемпературной сверхпроводимости:
Источником высокотемпературной интерфейсной сверхпроводимости оказался атомарный слой оксида меди, «Элементы», 13.11.2009.

Алексей Япрынцев