Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

ВТСП 2-го поколения: методы формирования текстурированных буферных слоёв

2014, Tом 11, выпуск 1
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения

Сверхпроводящие токонесущие ленты находят множество применений в технике. Они используются при создании сильноточных линий электропередачи и высоковольтных кабелей, а также лабораторных магнитов и ограничителей тока. Сверхпроводящие ленты представляют собой многослойную структуру, включающую металлическую подложку, буферные слои, сверхпроводящий слой и стабилизирующее покрытие. Буферные слои необходимы для создания химического барьера между подложкой и ВТСП, согласования коэффициентов их теплового расширения (разница между температурой нанесения и рабочей температурой более 900° С), а также создания текстуры в ВТСП путем его эпитаксиального роста. Необходимым условием эпитаксиального роста является текстура в самом буферном слое и близкие параметры решёток буферного слоя и ВТСП. Для выполнения всех перечисленных выше функций необходимо нанесение нескольких буферных слоёв. В данной статье рассмотрены основные методы их формирования.

Метод осаждения с ассистирующим ионным пучком (Ion Beam Assisted Deposition, IBAD) был описан группой L.S.Yu в работе, посвящённой созданию ниобиевых плёнок [1]. Впервые для создания буферного слоя сверхпроводящей ленты метод был применен в 1991 году группой Y.Iijima [2]. Метод IBAD позволяет получать текстурированные покрытия различных соединений, таких как диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ), Gd2Zr2O7-x (GZO), CaF2, MgO, TiN. Высокая скорость текстурирования оксида магния (MgO) позволяет выращивать пленки с минимальной толщиной слоя [3]. Именно с использованием IBAD-MgO компания SuperPower добилась наилучших результатов по длине сверхпроводящей ленты (более 1 км) [4]. Данный метод заключается в использовании двух пучков: первый (основной) распыляет целевой материал, в то время как второй (вспомогательный) участвует в формировании текстуры  слоя [5]. В экспериментах с GZO было показано, что направление кристаллографической оси <100> решётки кубического типа в гранулах осаждаемого вещества перпендикулярно поверхности подложки, а направление оси <111> определяется направлением вспомогательного ионного пучка. Согласно данным рентгеновской дифракции, кристаллографическая ось <111> становится перпендикулярной подложке вместо оси <100>, если вспомогательный ионный пучок не используется. Это показывает, что направление оси <100> не является предпочтительным в качестве перпендикуляра к подложке для данного кристалла. Поэтому одной из ролей вспомогательного пучка является ориентация кристаллографической оси <100> перпендикулярно поверхности [6]. Однородность ориентации осаждённых молекул характеризуется шириной рефлексов на φ-сканах (текстурой). Метод IBAD обеспечивает высокую текстуру [7] и минимальный уровень шероховатости [8] формируемых плёнок оксида магния (MgO). Однако значения этих параметров снижаются при формировании плёнок YSZ [9].

В 2007 году с целью улучшения текстуры образуемого слоя YSZ авторами A.Usoskin, L.Kirchhoff [10] была предложена модификация метода IBAD с чередующимся осаждением (Alternating Beam Assisted Deposition, ABAD). Она заключается в чередовании применения основного и вспомогательного ионных пучков. Процесс может быть осуществлен с помощью вращения замкнутой ленты или её обратимого движения. Для получения наилучшего результата необходимо до 60 циклов чередования, что позволяет улучшить значения текстуры и шероховатости по сравнению с IBAD [10][11].

Еще один метод – осаждение на наклонную подложку (Inclined Substrate Deposition, ISD) – был описан в 1996 году группой K.Fujino [12] в работе с YSZ. Данный метод заключается в распылении мишени буферного слоя лазером [12] или путём электронно-лучевого испарения [13] в вакууме. Подложка наклонена таким образом, что пары попадают на её поверхность под углом. Экспериментально подобранный оптимальный угол 55° для буферного слоя MgO позволяет достичь средних значений текстуры 9,4 – 11,4 шероховатости поверхности 11,16 – 23,66 нм [14] и длины ленты до 40 м [14], что является низкими значениями. Следствием этого является низкая распространённость метода при создании ВТСП лент.

Ниже приведена сводная таблица характеристик описанных методов.

 

IBAD

ABAD

ISD

Текстура

~13,2° (YSZ) [9]

~5° (MgO) [7]

8 – 9° (YSZ) [10]

8 – 11° (MgO)[15]

8° (YSZ) [17]

9,4 – 11,4° (MgO) [14]

Шероховатость

3,3 нм (YSZ) [9]

<1 нм (MgO) [8]

1,2 нм (YSZ) [9]

~8 нм (YSZ) [16]

11,16 – 23,66 нм (MgO) [14]

Толщина слоя

0.5 мкм (YSZ) [19]

0.1-40 мкм (YSZ) [18]

2-3 мкм (MgO) [20]

Длина ленты

>1 км [4]

300 м [18]

40 м [14]

Выход

85% [21]

90% [22]

80% [20]

 

 

 

 

 

 

 

В настоящее время методы IBAD и его модификация ABAD коммерциализированы и успешно применяются многими компаниями. Среди них IBAD используют фирмы Fujikura (Япония), SuperPower и Superconductor Technologies Inc (США), Sunam Co Ltd. (Корея), International Superconductivity Technology Center (Япония). Метод ABAD используется в производстве компанией Bruker (Германия). Метод ISD долгое время развивался компанией Theva (Германия), но в настоящее время данных о его успешном коммерческом применении нет. По нашему мнению, на нынешнем этапе развития из-за низкой надёжности при производстве длинномерных лент метод ISD не способен конкурировать с зарекомендовавшими себя технологиями IBAD и ABAD.

 

 

1. L.S. Yu et al., J. Vac. Sci. Technol. A, v.4, 443, (1986).

2. Y. Iijima et al.,. Physica C, v.185–189 1959, (1991).

3. R. Hühne, Physica C, v.426-431 Part 2, 893, (2005).

4. B. Maiorov et al., Physica C, v.426–431, 849, (2005).

5. Y. Yamada et al, Physica C, v.392–396, 777, (2003).

6. S. Miyata et al., Physica C, v.412–414, 824, (2004).

7. J.R. Groves et al., MRS Proceedings, v. 1150, (2008)

8. S. Miyata et al., J. Appl. Phys., v.109, 113922, (2011).

9. B. Ma et al., Supercond. Sci. Technol., v.15, 1083, (2002).

10. A. Usoskin, L. Kirchhoff, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. v.1150, (2009).

11. X. Obradors, T. Puig, ISTEC, Superconductivity Web 21, extra June, 2-14, (2013).

12. K. Fujino et al., Adv. Supercond., VIII, 675 (1996).

13. M. Bauer et al., IEEE Transactions Applied Superconductivity, v.9, 1502, (1999).

14. R. Bhattacharya, Xu. Arg. Nat. Lab. UES Materials Laboratory Report (2005).

15. A. Usoskin, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. v 1150, (2009).

16. B. Ma et al., Supercond. Sci. Technol., v.16, 464, (2003).

17. B. Ma et al., Physica C, v.382, 38, (2002).

18. http://www.bruker.com/products.html 

19. C.L. Thieme et al., IEEE Transactions Applied Superconductivity, v.9, 1494, (1999).

20. W. Prusseit et al., J. Phys. Conf. Ser., v.43, 215, (2006).

21. J. Xiong et al., MRS Fall Meeting, (2013).

22. A. Usoskin, Braunschweiger Supraleit.-Seminar (2013).

А.И. Блудова, В.В. Стоякин

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.