Особенности получения тонких эпитаксиальных пленок CeO2 в качестве завершающего буферного слоя для ВТСП-проводов 2-го поколения (стр. 1 )

Московский государственный университет им.

Факультет наук о материалах

Особенности получения тонких эпитаксиальных пленок CeO2 в качестве завершающего буферного слоя для ВТСП-проводов 2-го поколения

Научно-исследовательская работа

Классификатор 3: "Функциональные, полифункциональные, гибридные наноматериалы и методы их получения"

Тема 3.5: "Методы получения, структура и свойства наноматериалов и функциональных нанокомпозитов с практически важными электрическими свойствами"

Работа студентки 1 курса

Лелюк Дарьи Петровны

Научные руководители:

вед. инж., к. х.н.

магистрант 1 г/о

Москва – 2012

Оглавление

Аннотация. 2

1. ВВЕДЕНИЕ.. 3

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ... 4

2.1. ВТСП-провода первого поколения и их недостатки. 4

2.2. Пленки ВТСП на металлических лентах (ВТСП-провода 2 поколения) 5

2.3. Буферные слои для осаждения пленок ВТСП.. 7

2.4. Химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений в технологии создания сверхпроводящих проводов на основе YBa2Cu3O7. 8

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. 9

3.1.Синтез Ce(hfa)3*diglyme. 9

3.2. Получение пленок CeO2 методом MOCVD.. 9

3.3. Методы исследования. 11

3.3.1. Рентгено-дифракционный анализ. 11

3.3.2. Сканирующая электронная микроскопия. 11

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.. 11

4.1. Нанесение тонких пленок CeO2 в стандартных условиях. 11

4.2. Обоснование необходимости некоторых условий нанесения. 12

4.3. Исследование влияния температуры реактора на текстуру получаемых пленок. 13

4.4. Исследование влияния скорости подачи прекурсора на текстуру пленок. 17

4.5. Сканирующая электронная микроскопия. 17

5. ВЫВОДЫ... 19

6.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ: 19

Аннотация

Одним из наиболее перспективных подходов к созданию ВТСП проводов второго поколения является метод химического осаждения из газовой фазы на биаксиально-текстурированные ленты из металлических сплавов (CVD-RABiTS), предполагающий изначальное формирование текстуры в металлической ленте с последующей ее передачей за счет явления гетероэпитаксии через буферные слои к пленке YBa2Cu3O7-x.

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 делают затратным 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.

Перспективным оксидным материалом, способным выступать в качестве буфера, является CeO2, имеющий структуру флюорита и способный образовывать эпитаксиальные пленки на текстурированных подложках из никелевых сплавов. Его кубическая элементарная ячейка имеет хорошее эпитаксиальное соотношение с YBa2Cu3O7-x.

Непосредственное нанесение CeO2 на ленту из сплава Ni(Cr, W) представляется невозможным по причине окисления поверхности ленты, приводящего к нарушению текстуры пленки. Для решения этой проблемы использовалась комбинация промежуточных буферных слоев MgO (защищающего подложку от окисления) и SrF2 (имеющего, как и CeO2, структуру флюорита). На таких гетероструктурах были получены текстурированные пленки CeO2 .

В ходе работы был проведен синтез диглимового аддукта гексафторацетилацетоната церия (III) и его очистка. 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. На основании полученных данных была обоснована необходимость некоторых условий нанесения и исследовано влияние температуры реактора и скорости подачи прекурсора на текстуру получаемых пленок.

Рис.1. Изображение поверхности пленки CeO2/SrF2/MgO/Ni(Cr, W), полученное методом сканирующей электронной мироскопии

Рис.2. Данные рентгеновской дифракции для одного из полученных образцов.

1. ВВЕДЕНИЕ

Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в 1986 г. двумя исследователями из компании IBM привело к беспрецедентному взрыву научно-исследовательской активности во всем мире, что было обусловлено огромными перспективами применения этих материалов. Интенсивное применение технологий сверхпроводимости является одним из важнейших направлений развития электроэнергетики в ближайшие десятилетия. Масштабные технические проекты, основанные на сверхпроводимости и входящие в энергетические программы многих стран, в том числе России, диктуют необходимость разработки новых сверхпроводящих материалов. Высокотемпературные сверхпроводники с критической температурой выше температуры жидкого азота занимают в этих разработках особое место, поскольку доступность этого хладоагента и относительная простота обращения с ним (по сравнению с жидким гелием, водородом или углеводородами) не только сильно упрощают создание и эксплуатацию многих сверхпроводящих устройств, но и позволяют планировать их широкое распространение в электроэнергетике. Примерами таких устройств, потребность в которых чрезвычайно велика, могут быть уже реализованные мощные сверхпроводящие кабели для передачи электроэнергии на расстояния, измеряемые сотнями метров, разрабатываемые сверхпроводящие токоограничители, трансформаторы, моторы и генераторы. В большинстве этих устройств применяют (или планируют применить) сверхпроводящие ВТСП-провода 2-го поколения, содержащие тонкие слои сверхпроводника, нанесенные на металлическую подложку. Разработка этих материалов в мире проводится уже более 15 лет и, несмотря на большие сложности принципиального характера, сейчас дошла до стадии промышленного производства.[1]

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. ВТСП-провода первого поколения и их недостатки

В ранних работах по изучению критической плотности тока (Jc) было обнаружено, что для поликристаллических ВТСП-материалов эта величина оказывается существенно ниже, чем для монокристалла. Наличие высокоугловых межзеренных границ, выступающих в качестве слабых джозефсоновских связей, приводит к значительному подавлению сверхпроводимости через границу, особенно, в присутствии магнитного поля. Критическая плотность тока через границы совершенных зерен, не имеющих отклонения от идеальной стехиометрии, зависит, в первую очередь, от их разориентации. Зависимость межзеренной Jc от угла разориентации была определена в случае YBa2Cu3O7-x для различных типов границ, образующихся в тонких эпитаксиальных пленках на бикристаллических подложках. Эти типы включали в себя границы наклона плоскостей (001) и (100), а также границы кручения в плоскости (100). Было показано, что слабыми связями являются высокоугловые границы всех типов. Подобные эксперименты были проведены также на бикристаллах Tl2Ba2CaCu2O8 (Tl-2212), Tl2Ba2Ca2Cu3Ox (Tl-2223), TlBa2Ca2Cu3Ox (Tl-1223) и Nd1,85Ce0,15CuO4 с искусственно сформированной границей наклона плоскости (001). Во всех случаях было обнаружено, что, так же как и для YBCO, Jc сильно зависит от угла разориентации межзеренных границ. Отсюда следует, что низкое значение Jc, характерное для поликристаллических ВТСП-материалов со случайной ориентацией кристаллитов, может быть объяснено тем, что доля малоугловых границ зерен в их общем распределении невелика, и, напротив, часто встречающиеся высокоугловые границы препятствуют протеканию тока на большие расстояния. Измерения взаимной ориентации сотен смежных зерен в наилучших образцах Bi-2223-проводов, толстых пленок Tl-1223 и Bi-2212, выполненные методом дифракции обратных электронов (ДОЭ), указывают на то, что в каждом из этих материалов существует перколяционная сеть малоугловых границ, доля которых соответствует активному поперечному сечению проводника. Таким образом, сформировалось общее представление о том, что проводимость на большие расстояния в поликристаллических сверхпроводниках реализуется через сеть связанных малоугловых границ. Это означает, что существенного улучшения свойств материалов на основе Bi - и Tl-сверхпроводников можно добиться только за счет увеличения доли малоугловых границ и уменьшения доли высокоугловых границ.

Совокупность этих наблюдений привела к выводу, что для получения проводов с высокими значениями Jc на основе любого из ВТСП-соединений необходимо создание биаксиальной текстуры дальнего порядка с резко уменьшенной фракцией высокоугловых границ. Необходимо осознавать, что подобную структуру, близкую в кристаллографическом смысле к монокристаллу, должны иметь гибкие провода длиной порядка километра.

С использованием традиционных технологий удалось успешно получить в поликристаллическом состоянии три типа ВТСП-материалов с невысокими значениями Jc. К ним относятся провода, содержащие сверхпроводник Bi-2223, приготовленные по технологии "порошок в трубе", пленки Tl-1223, полученные методом пиролиза аэрозоля, а также толстые пленки Bi-2212, полученные по расплавной технологии. Эти три типа материалов составляют первое поколение ВТСП-проводов.

Ни одна из традиционных металлургических технологий, применявшихся для создания проводов на основе YBCO, до сих пор не привела к успеху: в большинстве методов получаются проводники с преимущественно высокоугловыми границами и, соответственно, низкими значениями Jc. Первое поколение ВТСП-проводов не только характеризовалось весьма скромными сверхпроводящими свойствами, но и требовало использования значительных количеств серебра. Это делало их неспособными к конкуренции с медными проводами по соотношению цена/производительность. Кроме того, для создания ВТСП-проводов первого поколения невозможно было использовать YBCO, поскольку в поликристаллическом состоянии YBCO демонстрирует очень низкую критическую плотность тока. В то же время это соединение демонстрирует наилучшие сверхпроводящие свойства при рабочих температурах вблизи 77 К, поскольку оно является наименее анизотропным среди всех ВТСП-материалов.[1]