Особенности получения тонких эпитаксиальных пленок CeO2 в качестве завершающего буферного слоя для ВТСП-проводов 2-го поколения (стр. 4 )

Следует также упомянуть, что даже без подачи O2 в вышеупомянутой установке для нанесения пленок CeO2 на неподвижную металлическую ленту всегда присутствует некоторое количество кислорода. Однако этого количества O2 недостаточно для образования (001)-ориентации кристаллитов CeO2, что и подтверждается полученными результатами рентгено-дифракционного анализа (отсутствием (001)-ориентации и наличием примесной (111)-ориентации на рентгенограмме; рис.4.2.2).

3) Температура реактора от 350оС до 550оС.

Рис.4.2.3.Данные рентгеновской дифракции для 3 (стандартные условия нанесения; зеленая линия) и для 13 (T реактора = 250оС; красная линия).

Из полученных данных можно сделать вывод, что при температуре реактора ниже 350oC на пленке не происходит образования (001)-ориентации CeO2 (рис.4.2.3). Значит, приемлемым для дальнейшего исследования является интервал температур от 350 до 550oC.

4.3. Исследование влияния температуры реактора на текстуру получаемых пленок

Было проведено осаждение пленок при различных температурах реактора: 550, 500 (рентгенограмма представлена на рис.4.3.1), 450, 400 (рис.4.3.2), 350, 300°С (рис.4.3.3).

Рис.4.3.1.Данные рентгеновской дифракции для 2 (550оС; красная линия) и 6 (500оС; зеленая линия).

Рис.4.3.2.Данные рентгеновской дифракции для 9 (450оС; красная линия) и 7 (400оС; зеленая линия).

Рис.4.3.3.Данные рентгеновской дифракции для 10 (350оС; красная линия) и 12 (300оС; зеленая линия).

Карты ДОЭ и линии Кикучи образцов CeO2/SrF2/MgO/Ni(Cr, W)

Центры линий Кикучи на дифракционной картине являются пересечением кристаллографических осей, генерирующие данную линию, исследуемой точки образца с поверхностью люминесцентного экрана. Пересечения линий Кикучи соответствуют пересечению кристаллографических осей с люминесцентным экраном. Поэтому как линиям Кикучи, так и их пересечениям можно приписать соответствующие индексы.[6]

Картирование кристаллографических ориентаций производится методом автоматического индексирования по узлам некоторой сетки на поверхности образца. Чем мельче будет выбрано зерно сетки, тем более детальная информация будет получена. Но при этом может значительно увеличиться время эксперимента. Необходимо соблюсти баланс детальности во времени исследования в зависимости от задач эксперимента. Очевидным результатом картирования являются крайне наглядные и привлекательные карты, но все же основным результатом будет подробная информация о зернах, межзёренных границах, текстуре. Для непроводящих материалов возможны затруднения, связанные со скоплением заряда на поверхности образца, при этом картина ДОЭ будет «плыть», либо вообще не получится получить данных. Избежать этих явлений можно либо с помощью компенсации дрейфа (при незначительной зарядке), а также съемкой в режиме низкого вакуума либо локального низкого вакуума, когда атмосфера создается в локальной области над исследуемой частью образца.

Из информации, полученной картированием, можно выделить области с определёнными преимущественными кристаллическими направлениями — текстурой. Возможно построение полюсных и обратных полюсных фигур. Возможно получение карт особых границ, и, как говорилось выше, полнейшей статистики по ним.[7]

Табл.4.3.1. Изображения линий Кикучи и карт кристаллографических ориентаций, полученных методом EBSD для образцов 2, 6, 9, 7, 10, 12.

Образец	Линии Кикучи	Карта кристаллографич. ориентаций
2 (Т реактора = 550оС)		41%
6 (500оС)		96%
9 (450оС)		81%
7 (400оС)		57%
10 (350оС)
12 (300оС)		0,4%

Табл.4.3.2. Результаты φ- и ω-сканирования, EBSD и EDX.

Образец	T, оС	ПШПВ для пиков на φ(111)- сканах	ПШПВ для пиков на ω(002)-сканах	EBSD, %	EDX, % (содержание Ce по данным элементного анализа)
2	550	7,75		41	1,78
6	500	7,42	RD: 7,07	96	1,04
9	450	8,31		81	1,02
7	400	8,40	RD:8,72; TD:11,48	57	1,37
10	350	10,53	RD: 13,82	0	0,75
12	300	7,99		0,4	0,53

Полученные результаты представлены в таблицах 4.3.1 и 4.3.2.

Были выявлены следующие закономерности: с ростом температуры процент правильно ориентированных кристаллитов возрастает. Это связано с тем, что в данном интервале температур (001)-ориентация термодинамически стабильнее, чем (111), но кристаллиты с ориентацией (111) растут быстрее и не успевают преобразовываться в (001) под новыми порциями осаждаемого CeO2. Для получения большей доли (001)-ориентации необходимо активировать поверхностную диффузию, а наиболее простой способ это осуществить – повышение температуры реактора. Нагрев подложки выше 550°С нецелесообразен вследствие высокой вероятности пиролиза органических остатков, приводящего к появлению в пленках нежелательной примеси углерода.

Также сделан вывод о том, что с ростом температуры увеличивается толщина получаемых пленок.

На основании проведенных экспериментов было сделано заключение, что оптимальной температурой для получения тонких пленок CeO2 с (001) ориентацией кристаллитов является Т реактора = 550оС и 500оС.

4.4. Исследование влияния скорости подачи прекурсора на текстуру пленок

В результате случайного отклонения в работе оборудования при напылении образца 5 прекурсор подавался с большей скоростью, чем при напылении образца 9. Это позволило исследовать влияние скорости подачи прекурсора на текстуру получаемых пленок.

Рис.4.4.1.Данные рентгеновской дифракции для 5 (красная линия) и 9 (зеленая линия).

Рис.4.4.2.Результаты φ-сканирования для 5 (красная линия) и 9 (зеленая линия).

После сравнения результатов рентгено-дифракционного анализа и EBSD для 9 и для 5 (рисунки 4.4.1-4.4.2) можно сделать вывод о том, что при уменьшении скорости роста пленки (т. е. уменьшении ее толщины) ее текстура улучшается (пики на φ- сканах становятся более тонкими, т. е.ближе к идеальным).

Табл.4.4.1. Результаты φ-сканирования и EDX для образцов 5 и 9.

	T, оС	ПШПВ для пиков на φ(111)- сканах	EDX, % (содержание Ce по данным элементного анализа)
5	450	11,67	5,46
9	450	8,31	1,02

4.5. Сканирующая электронная микроскопия

Изображения поверхности пленок CeO2/SrF2/MgO/Ni(Cr, W), полученные методом сканирующей электронной мироскопии

Рис.4.5.1.Образец 5 (срез)

Рис.4.5.2.Образец 3 (вид сверху)

На изображениях поверхности срезов образцов (рис. 4.5.1) можно наблюдать растрескивание пленки, связанное со способом приготовления образца. Тот факт, что растрескивание легче происходит вдоль определенных кристаллографических направлений, свидетельствует о том, что получены пленки с биаксиальной текстурой. По изображению поверхности (рис.4.5.2) можно увидеть, что она относительно гладкая.

5. ВЫВОДЫ

1.  В ходе работы проведен синтез гексафторацетилацетоната церия (III) и его очистка.

2.  Полученный комплекс Ce(hfa)3*diglyme был использован в качестве прекурсора для осаждения тонких пленок CeO2 на металлические ленты на основе сплава Ni/Cr/W с нанесенными слоями MgO и SrF2. Полученные образцы с нанесенным CeO2 были проанализированы с помощью рентгено-дифракционного анализа (2θ/ω-сканирование, φ-сканирование, ω-сканирование) и сканирующей электронной микроскопии.

3.  Была обоснована необходимость некоторых условий нанесения и исследовано влияние температуры реактора и скорости подачи прекурсора на текстуру получаемых пленок.

6.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1.  «Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников» под редакцией Амита Гояла. (Пер. с англ.), 2009;

2.  , , 3., Сверхпроводимость переходных металлов, их сплавов и соединений, М., 1977;

3.  Высокотемпературные сверхпроводники, под ред. Д. Нелсона, М. Уиттинхема, Т. Джорджа, пер. с англ., М., 1988;

4.  . Химические методы получения пленок и покрытий ВТСП. Журнал ВХО, 4 (1989);

5.  Электронная структура и физико-химические свойства высокотемпературных сверхпроводников, М., 1990; Bednorz J. G., Muller K. A., "Z. Physik", 1986;

6.  Oxford Instruments Electron Backscatter Diffraction site (англ.)

7.  Dr. Robert Schwarzer Backscatter Kikuchi Diffraction (BKD, ACOM/SEM)