Обзор продукции компании STI

2014, Tом 11, выпуск 2

Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения

Новой компанией на рынке сверхпроводниковых изделий является компания Superconductors Technology Industries (STI) из Техаса, США. Первые результаты в сотрудничестве с Лабораторией Лос-Аламоса были опубликованы в 2010 году [2], в 2011 году STI запустила пилотную линию ВТСП-лент 2-го поколения (2G) длиной 100 м [4], а в 2014 году собирается начать их крупномасштабное производство. Планируемый объем производства — 750 км ленты в год с критическим током не менее 500 А/см. Изюминкой технологии производства ВТСП-2G лент компанией STI является метод осаждения из газовой фазы с реактивным испарением и осаждением на вращающуюся подложку с последующей реакцией (RCE-CDR), с помощью которого на ленту наносится слой сверхпроводника YBCO [2].

 Метод реактивного испарения, обычно показывающий скромные значения плотности критического тока J_c, долгое время упоминался в литературе как устаревший [1], на этот раз токонесущие характеристики стали сравнимы с рекордными значениями (J_c > 4 MA/см²), полученными методом лазерного осаждения (PLD). Максимальные значения критического тока на единицу ширины ленты (600 А/см) при 75К в собственном поле удалось получить на небольших отрезках ленты длиной 5м. Обладая целым рядом преимуществ (например, стоимость изготовления исходных оксидов для RCE ниже, чем стоимость мишеней для PLD), RCE-CDR позволяет получать ВТСП провода с экономическими характеристиками, не уступающими характеристикам ВТСП-2G лент, полученных наиболее задействованными в масштабном производстве методами: PLD, MOCVD и CVD.

Архитектура сверхпроводящих лент, производимых  STI, представлена на Рис. 1.

• Подложка из неполированного хастеллоя толщиной 100 мкм.
• Аморфные буферные слои Y₂O₃ - Al₂O₃ (90%-10%)_, нанесены на подложку для предотвращения диффузии атомов подложки в сверхпроводник с помощью техники подготовки подложки, называемой Solution Deposition Planarization. Данный метод позволяет осадить из раствора на подложку аморфный слой смеси оксида иттрия с оксидом алюминия с шероховатостью менее 2-3. Это позволяет не использовать электрополировку.
• Буферные слои — IBAD-MgO  (7 нм) и эпитаксиально выращенный на нем слой MgO (25 нм). Такое разделение MgO-слоя на 2 подслоя, очевидно, продиктованное экономическими соображениями, позволяет сократить время осаждения IBAD-слоя , которое весьма длительно и в литературе зачастую называется «бутылочным горлышком» всей технологии производства ВТСП — 2G.
• Сверхпроводящий слой YBCO (толщина 1 мкм) получен при помощи RCE-CDR (максимальная полученная толщина слоя YBCO 4 мкм)

Рис. 1. Схема слоев в ВТСП ленте 2-го поколения

компании STI.

Рис . 2. Технологическая цепочка производства ВТСП ленты 2-го поколения компанией STI.

Основной особенностью, выгодно отличающей процесс RCE-CDR от других методов, является возможность осаждения сверхпроводящего слоя прямо на MgO, минуя долгий и дорогостоящий процесс осаждения буферного слоя из LaAlO₃ (или SrTiO₃), как правило, служащего для сохранения текстуры монокристаллического роста. В данных лентах слой LaAlO₃ отсутствует в принципе. При этом характеристики полученной ленты не уступают характеристикам лент, с таким слоем, о чем свидетельствует анализ рентгеновской дифракции: качество текстуры, определяемое шириной линии рентгеновской дифракции на полувысоте линии  в плоскости ab (ф-скан), составляет  Dф = 2,4 градуса,  вне плоскости ab (кривая качания) Dw = 0,9 градусов при толщине сверхпроводящего слоя 4 мкм. Авторы называют эти результаты великолепными [2]. Электронная микроскопия также показывает высокую степень текстуры.

Процесс RCE-CDR, являющейся изюминкой процедуры производства ленты компанией STI, выглядит так. Барий нагревается при помощи инфракрасного нагревателя, иттрий и медь, обладающие большей температурой испарения, нагреваются электронными пушками. Для контроля и  процесса испарения использовалась спектроскопия атомного поглощения. Испаренные вещества попадают на вращающуюся нагретую подложку (750-800 ⁰С) с предварительно нанесенными буферными слоями. Поскольку после нанесения оксиды материалов на время порядка t = 0,1 с остаются химически активными, процесс нанесения и кислородного отжига могут быть разделены. В ходе вращения барабана (рис.3), на котором закреплена лента, из области напыления лента попадает в кислородную камеру, где происходит окисление. Скорость осаждения, составляет 6 нм/с. Таким образом, слой толщиной 1 микрометр на ленте длиной 10 м может быть осажден за 30 минут. Полученная скорость осаждения является неплохим показателем для дальнейшего крупномасштабного выпуска.

Ленты STI показывают достаточно высокую анизотропию токонесущей способности в магнитном поле при 75 К, что показано на рисунке 4. В поле 1 Тл токонесущая способность падает в 3,3 раза для ориентации поля, параллельной плоскости ленты, и в 6.6 раза - при перпендикулярной плоскости ленты ориентации поля [3,4]. При 65 К анизотропия I_c несколько ниже : I_с|| / I_c^ =1.3, а сами значения I_c выше : I_c(65 К, 3 Тл) = 257 А/см против  I_c(75 К, 3 Тл) = 66 А/см, I_c(65 К, 5 Тл) = 153 А/см против

I_c(75 К, 5 Тл) = 24 А/см. По токонесущей способности в магнитном поле при 77 К ленты STI уступают качеству продукции компаний AMSC и Sumitomo. Но приведенные данные указывают на возможность использования лент в магнитном поле при охлаждении до 65 К (например, откачкой азота или использованием криокулера).

Возможно, токонесущие характеристики в магнитном поле будут улучшены включением, например, наночастиц BZO в сверхпроводящий слой.

Рис. 3. Внешний вид барабана для нанесения ВТСП слоя методом RCE-CDR.

Рис. 4. Токонесущая способность ВТСП лент производства STI во внешнем магнитном поле.

Масштабирование технологии RCE-CDR, представляемое сотрудниками STI как «простое и дешевое»,  предполагает решение массы инженерных задач (например, в опубликованных работах лента была закреплена неподвижно на вращающемся барабане, в то время как в коммерческой линии будет осуществлена протяжка ленты по барабану), сложность решения которых до сих пор не позволяла использовать методы реактивного испарения с осаждением на вращающуюся подложку для формирования конкурентоспособных  ВТСП — 2 в больших объемах производства.

Рис 5. Однородность токонесущей способности ВТСП ленты STI  (77 К, собственное поле).

Отметим, что однородность токонесущей способности по длине для ленты, полученной на пилотной линии STI на данном этапе достаточно высока, но для промышленного производства пока что недостаточна (рис. 4.): среднее значение тока на отрезке 3 м составляет 450 А/см, на отрезке длиной 30 м критический ток на 77 % меньше, и составляет 350 А/см_. Тем не менее, многочисленные плюсы и высокий потенциал представленной технологии RCE-CDR делают крупномасштабный выпуск компанией STI лент 2-го поколения в 2014 году возможным.

1. Гоял А. (Ред.).Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников: Под редакцией Амита Гояла. Пер. с англ. 2009. Твердый переплет. 432 с.
2. Vladimir Matias, E John Rowley,Yates Coulter, B Maiorov, Terry Holesinger, Chris Yung, Viktor Glyantsev  and Brian Moeckly, Supercond. Sci. Technol. 23, 014018 (2010).
3. D. Reagor et al.,IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 21, no. 3 (2011).
4. B. Moeckly, Tenth EPRI Superconductivity Conference «Development of 2G HTS Coated Conductors at STI, Wednesday, October 12, (2011).

В.С. Коротков