2.2. Пленки ВТСП на металлических лентах (ВТСП-провода 2 поколения)
Сверхпроводимость большинства оксидных высокотемпературных сверхпроводников связана главным образом с проводящими слоями Сu-О, роль остальных элементов сводится к сохранению нужной кристаллической структуры.
Для всех высокотемпературных оксидных сверхпроводников-монокристаллов характерна резко выраженная анизотропия электрических и магнитных свойств. Один из наиболее часто применяемых в наше время ВТСП YBa2Cu3O7-x (YBCO), структура которого изображена на Рис. 2.2.1, имеет сверхпроводимость только вдоль плоскостей (CuO2).[2]
Подобная анизотропия влечет за собой важное требование к ВТСП материалам, предназначенным для практического использования. Оно заключается в том, что высокие значения критической плотности тока могут быть достигнуты только при определенной ориентации кристаллитов. Иными словами, критический ток через образцы с одинаковыми площадями сечения при прочих равных условиях напрямую зависит от содержания в них зерен с определенной ориентацией.
Перечисленные выше проблемы и обстоятельства (анизотропия СП-свойств и влияние высокоугловых границ) привели к разработке так называемых ВТСП-проводов второго поколения. Они представляют собой пленки ВТСП в высокоориентированном состоянии на длинных гибких подложках. Текстура ВТСП обеспечивается за счет использования явления гетероэпитаксии — повторения осаждаемым веществом, отличным по составу от подложки, структуры подложки.[3]
Рисунок 2.2.1. Структура YBa2Cu3O7 (a = 3.82, b = 3.89, c = 11.68 Å).
Для успешной реализации подобного процесса необходимо, чтобы подложка была текстурированной (состояла из кристаллитов определенной ориентации). Кроме того, метод осаждения и условия его проведения должны обеспечивать возможность роста пленки по механизму гетероэпитаксии.
Для получения устойчивой системы эпитаксиальных пленок необходимы:
ü отсутствие химического взаимодействия между пленкой и подложкой;
ü близость определенных параметров кристаллической решетки;
ü стабильность подложки в условиях нанесения пленки.
ü сходство коэффициентов термического расширения пленки и подложки в параллельных направлениях (для дальнейшей устойчивости).
Для получения эпитаксиальных пленок одним из наиболее технологически удобных методов является метод химического осаждения из паровой фазы, или CVD (Chemical Vapor Deposition).
Другие методы:
§ Термическое испарение металлических прекурсоров или молекулярно-лучевая эпитаксия (Molecular-Beam Epitaxy — MBE). Метод требует очень высокого вакуума, порядка 10-5– 10-4 мбар, тонкого контроля подвода кислорода и скорости реакции.
§ Импульсное осаждение с лазерным (Pulsed Laser Deposition — PLD) или электронно-лучевым распылением. Требует подвода к поверхности средней мощности порядка десятка Вт/см2.
§ Магнетронное распыление материала слоев. Эта технология характеризуется весьма низкой скоростью роста пленок (порядка 20–300 нм в час).[4]
Для получения самих гибких текстурированных подложек для выращивания на них эпитаксиальных пленок ВТСП были предложены три метода. В любом случае, подложка представляет собой металлическую ленту, поверхность которой покрыта слоем оксида, обладающего биаксиальной текстурой и напоминающего протяженный мозаичный монокристалл. Поверх такого оксидного слоя оказывается возможным эпитаксиальный рост толстой пленки YBCO.
3 метода создания гибких текстурированных подложек:
1. метод осаждения, стимулированного ионным пучком (IBAD - Ion-Beam-Assisted-Deposition).
2. осаждение на наклонную подложку (ISD - Inclined-Substrate-Deposition).
3. RABiTS (Rolling-assisted-biaxially-textured-substrates) - подложки с биаксиальной текстурой, полученной с помощью прокатки.
Ни в одном из этих методов в качестве подложки не используется серебро. Более того, с применением каждого этих методов удается получать материалы, критическая плотность тока которых приближается к значениям, характерным для монокристаллического YBCO. Выбор того или иного метода получения подложки и осаждения сверхпроводящего слоя приобретает ключевое значение, поскольку этим определяется соотношение цены и эксплуатационных характеристик сверхпроводника и, в конечном итоге, успех внедрения технологии в производство для крупномасштабной коммерциализации.
ВТСП-провода второго поколения, часто именуемые "проводами с покрытием", являются одной из наиболее многообещающих разработок в области высокотемпературной сверхпроводимости. Они потенциально способны нести без потерь на сопротивление токи, в 100--1000 раз превышающие значения, характерные для медных проводов сравнимого сечения. Силовое оборудование, созданное на основе таких ВТСП-проводов, может иметь размеры в два раза меньшие, чем аналогичное оборудование традиционного исполнения, при том же или более высоком уровне мощности и при более чем двукратном сокращении потерь энергии. Очевидно, что в перспективе это может привести к огромной экономии средств и энергии.[1]
2.3. Буферные слои для осаждения пленок ВТСП
В качестве подложки при создании ВТСП проводов 2-го поколения применяют текстурированную ленту сплава на основе никеля (NiCrW).
При любом методе нанесения сверхпроводника YBa2Cu3O7-x присутствует стадия окислительного высокотемпературного отжига. При нем поверхность металлической ленты неизбежно окислялась бы.
Также нанесению сверхпроводника YBa2Cu3O7-x непосредственно на никелевую ленту препятствуют следующие возникающие при этом проблемы:
· возможное восстановление ВТСП никелем;
· возможное отслоение ВТСП из-за непрочного слоя оксида никеля;
· невозможность роста текстурированного ВТСП на оксиде никеля из-за плохого эпитаксиального соотношения;
· в некоторых методах (IBAD, ISD) текстура формируется именно в процессе роста буферных слоев.
Вышеперечисленные обстоятельства привели к осознанию необходимости нанесения системы буферных слоев, к которым предъявляются определенные требования.
В случае технологии MOCVD-RABiTS буферные слои должны наследовать текстуру подложки, чтобы в дальнейшем обеспечить рост пленки YBa2Cu3O7-x в ориентированном состоянии. Верхний (завершающий) слой должен иметь хорошее эпитаксиальное соответствие со структурой ВТСП и не взаимодействовать химически с этой фазой.
Наиболее широко применяемые буферные слои:
1) затравочный: MgO, CeO2;
2) барьерный: BaZrO3, LaMnO3, LaCoO3
3) завершающий: CeO2,Y2O3, BaZrO3, LaMnO3.
Одним из перспективных оксидных материалов, способных выступать в качестве буфера, является CeO2, имеющий структуру флюорита с кубической элементарной ячейкой (Рис. 2.3.1) и способный образовывать эпитаксиальные пленки на текстурированных подложках из никелевых сплавов.
Рисунок 2.3.1. Кристаллическая структура CeO2 (a=5.41 Å)
При напылении на текстурированную подложку диоксид церия склонен в большинстве случаев образовывать кристаллиты с двумя типами ориентации: (001) (куб элементарной ячейки, стоящий на грани) и (111) (куб, стоящий на одной из вершин). Для последующего роста пленки ВТСП с нужной ориентацией требуется добиться преимущественной, а в идеале — единственно существующей (001) ориентации буферного слоя диоксида церия. Элементарная ячейка YBa2Cu3O7-x имеет форму параллелепипеда, вытянутого в одном из направлений, при этом сверхпроводимость возможна в плоскости, параллельной основанию ячейки. Для обеспечения сверхпроводимости в плоскости, параллельной поверхности ленты, необходимо, чтобы основание элементарной ячейки было параллельно поверхности ленты (c-ориентация), а не перпендикулярно ей (a-ориентация). Это должно достигаться за счет близости длин стороны элементарной ячейки CeO2 (a=5.41 Å) и диагонали основания элементарной ячейки YBa2Cu3O7-x (рис.2.3.2).[5]
Рисунок 2.3.2. Эпитаксиальное соотношение элементарных ячеек YBa2Cu3O7 и CeO2 в плоскости подложки.
2.4. Химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений в технологии создания сверхпроводящих проводов на основе YBa2Cu3O7.
Химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD) – одна из многих, доступных в настоящее время, технологий получения сверхпроводников состава YBa2Cu3O7-x (YBCO). Физические методы осаждения пленок, такие как лазерная абляция, испарение и магнетронное распыление, характеризуются низкой скоростью осаждения, требуют высоковакуумных условий, накладывают некоторые ограничения на размеры и обеспечивают рост пленки лишь на одной стороне подложки. Эти ограничения, в особенности низкая скорость осаждения, делают невозможным использование этих методов для промышленного получения пленок YBCO в виде длинных лент и проводов. Метод MOCVD лишен этих недостатков, поэтому может быть эффективно применен для осаждения тонких пленок YBCO (а также буферных слоев) и создания сверхпроводящих проводов второго поколения.
Сущностью метода химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений является транспортировка металлических компонентов в виде паров летучих металлоорганических соединений в реактор, часто смешение с газообразным реагентом, разложение паров и конденсация оксидной пленки на подложку. Данный метод позволяет получить тонкие ВТСП-пленки, сравнимые по своим характеристикам с образцами, изготовленными физическими методами напыления. К сравнительным преимуществам данного метода перед последними относятся:
а) возможность нанесения однородных пленок на детали не планарной конфигурации и большой площади;
б) более высокие скорости осаждения при сохранении высокого качества;
в) гибкость процесса на этапе отладки технологического режима, благодаря плавному изменению состава паровой фазы.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
