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 второго поколения: Россия в ожидании инвесторов

2005, Tом 2, выпуск 1
Тематика: Российские разработки

Путь к высокой технологии всегда начинается с фундаментального результата. Этот неоспоримый факт подтвержден и в случае разработок ВТСП проводников второго поколения (2G) зарубежными фирмами - патентами на основополагающие технологии владеют университеты и исследовательские лаборатории, а промышленные фирмы выступают, как потребители соответствующих лицензий. В США, Китае, Японии, Германии университеты – равноправные участники разработок в области

высоких технологий, в частности, в разработке 2G ВТСП. Именно так, наработав огромный фундаментальный багаж, в России включилась в разработку 2G ВТСП технологии научная группа под руководством проф. А.Р. Кауля (кафедра неорганической химии Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий кафедрой – акад. РАН Ю.Д.Третьяков).

Эта группа имеет многолетний опыт синтеза и исследования разнообразных функциональных тонко-пленочных и объемных материалов на основе сложных оксидов. За последние десять лет ей (в сотрудничестве с коллегами-физиками) проведены многосторонние исследования эпитаксиальных пленок оксидов, родственных перовскиту, включая сверхпроводящие купраты, манганиты с колоссальным магнетосопротивлением (КМС), сегнетоэлектрики (титанаты Ba, Sr и Pb; KNbO3), никелаты,

кобальтиты РЗЭ и рутенаты с металлической проводимостью.

Все эти материалы были получены c использованием метода химического осаждения из паровой фазы (MOCVD). Наряду с перовскитами изучаются соединения со структурами шпинели, граната и флюорита, преимущественно в аспекте получения их в виде тонких пленок и взаимосвязи реальной структуры пленок с их функциональными свойствами. В последние годы были достигнуты серьезные успехи в получении слоистых тонкопленочных гетероструктур, сочетающих в себе различные по составу и структуре функциональные слои (например, ВТСП/манганит с КМС, магнитная шпинель/манганит с КМС, проводящий никелат (кобальтит)/сегнетоэлектрик и т.д.). Изучены эпитаксиальные соотношения слоев в названных и подобных им гетероструктурах, способы аккомодации напряжений в пленках, возникающих при неполном соответствии параметров пленок и подложек, доменная и дислокационная структура, химическое взаимодействие на границе между эпитаксиальными слоями. Больших успехов группа добилась развивая практику эпитаксиальной стабилизации неустойчивых оксидных фаз и концепцию образования нанодоменных вариантных структур в эпитаксиальных пленках [1]. В тесном взаимодействии с коллегами из России и других стран (Германии, Франции, Испании, Швеции и Нидерландов) изучены электрические, магнитные и магнитооптические свойства полученных пленок и гетероструктур. Созданы прототипы тонкопленочных устройств.

Неудивительно, что появление в 1997 году первых сообщений о ВТСП кабелях второго поколения (2G ВТСП кабели) на основе пленок YBa2Cu3O7-y, нанесенных на защищенные оксидным буфером биакси-ально текстурированные ленты из никелевых сплавов, было с большим интересом воспринято в этой научной группе. При этом практически сразу родилась оригинальная концепция изготовления 2G ВТСП кабелей в рамках одного технологического цикла, основанного на методе MOCVD.

Смелость этого замысла состояла в том, что, как правило, методы осаждения пленок, идеально подходящие для получения эпитаксиальных пленок YBa2Cu3O7-y, не работают столь же хорошо при получении оксидных буферных слоев, разделяющих слой ВТСП и металлическую ленту. Неудивительно – ведь при этом, в отличие от окислительной атмосферы, используемой для получения ВТСП, требуются восстановительные условия, исключающие поверхностное окисление Ni-сплава: парциальное давление кислорода в условиях осаждения не должно превышать 10-13-10-15 атм при 700-800оС.

Напротив, одним из достоинств метода MOCVD является технологическая гибкость: условия нане-сения пленок легко могут варьироваться или настраиваться на определенный диапазон парциальных давлений кислорода (в зависимости от стабильности тех или иных оксидных фаз) при изменении соотношения реакционных газов (O2, H2O, H2, NH3 и ряда других), без каких-либо изменений в аппаратурном оформлении процесса. Это открывает принципиальную возможность осаждать буферный слой и слой ВТСП в едином технологическом цикле, что необходимо для достижения высокой производительности процесса изготовления 2G ВТСП кабелей.

Сущность метода MOCVD состоит в том, что пары летучих металлорганических соединений в заданном соотношении транспортируются потоком инертного газаносителя в реактор, где на поверхности подложки под одновременным действием реакционных газов и термического возбуждения происходит их превращение в неорганические соединения (какие именно, зависит от выбора реакционных газов). Процесс MOCVD характеризуется высокой технологичностью: не требуется создания высокого вакуума в реакторе, нет необходимости в использовании дорогостоящей аппаратуры, не нужна предварительная подготовка мишеней – целевой состав покрытия можно изменить в любой момент за счет изменения состава паровой фазы. Оппоненты метода MOCVD обычно указывают на высокую стоимость летучих металлорганических соединений (как правило, бэта-дикетонатов металлов), однако при больших объемах производства цена летучих прекурсоров должна радикально снизиться, тем более, что наиболее популярные сейчас сложные дипивалоилметанаты металлов могут быть в перспективе заменены на более дешевые соединения. По-этому, современный уровень цен на летучие прекурсоры, как на вещества для научных исследований, не должен рассматриваться как существенное ограничение технологии MOCVD при масштабировании в будущем.

Существенно, что спектр оксидных материалов, которые могут быть использованы в качестве буфера, разделяющего металлическую ленту и слой YBa2Cu3O7-y значительно расширяется. Так, в группе МГУ показано, что кроме уже хорошо изученных буферов на основе CeO2, ZrO2 и оксидов РЗЭ со структурой флюорита, непосредственно на поверхности никеля возможен эпитаксиальный рост перовскитов с металлической проводимостью, обеспечивающих в дальнейшем электрический контакт YBa2Cu3O7-y и металлической основой кабеля. Последнее весьма важно для электрической стабили-зации кабеля в случае локального выхода YBa2Cu3O7-y из сверхпроводящего состояния.

Увы, в конце 90-х общий интерес к ВТСП снижался и получить необходимое финансирование под эти исследования в нашей стране не удалось. Надо сказать, что исследователи из МГУ не стояли на месте: ими были проведены важные подготовительные эксперименты по химической совместимости слоев, по кинетике рекристаллизации поверхности никелевых лент в различных атмосферах и эпитаксии перовскитов в восстановительных условиях [2,3], установлено прочное сотрудничество с Институтом физики металлов УрО РАН, где профессором Д.П. Родионовым одновременно были изучены закономерности образования кубической текстуры Ni-сплавов при их прокатке [4]. Однако, строительство технологической линии для непрерывного нанесения эпитаксиальных функциональных слоев на бегущую ленту металлического сплава оказалось слишком дорогой задачей.

В этих условиях важным стало наличие единомышленников и надежных партнеров за рубежом, которые также поверили в возможности технологии МОCVD для изготовления 2G ВТСП. Такие работы успешно развиваются, например, в Хьюстонском центре сверхпроводимости (США) и в Техническом университете Брауншвейга (ФРГ). В обоих случаях эти научные исследования дошли до стадии “отпочкования” частных компаний, рассчитывающих на коммерциализацию конечного продукта – 2G ВТСП кабелей. Следует отметить, что в обоих случаях существенный вклад в успех внесли молодые российские ученые, выпускники МГУ, бывшие аспиранты лаборатории проф. А.Р. Кауля, которые активно используют знания процесса MOCVD, приобретенные в Alma Mater. Совместные разработки лаборатории химии координационных соединений МГУ и ТУ Брауншвейг защищены патентом.

Бурный успех технологии лент 2G ВТСП за последние два года, и, прежде всего, впечатляющий рост длины лент, на которых реализованы величины транспортного тока, уверенно перешагнувшие через рубеж 100 A на 1 см ширины ленты, привели к всплеску коммерческого интереса к этим материалам в ведущих странах (США, Япония, ФРГ). Перспективность этого направления стала в последнее время понятной для значительно более широкого круга исследователей, а также заинтересованных бизнесменов и инвесторов.

В текущем году Федеральное агентство по науке и инновациям России в рамках Программы по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалов» впервые в нашей стране объявило о начале финансирования работ по теме “Разработка перспективных технологий получения ВТСП материалов второго поколения”. Выделяемые (пока!) финансы явно недостаточны для полномасштабного освоения технологии 2G ВТСП кабелей, но, надо полагать, важность этой проблемы убедит государственных и частных инвесторов в необходимости “раскошелиться”.

Лаборатория под руководством проф. А.Р. Кауля готова включиться в эту работу и открыта к сотрудничеству с другими научными группами, способными внести свой вклад в развитие технологии 2G ВТСП лент.

Читайте по теме:

1. А.Р. Кауль, О.Ю. Горбенко, А.А. Каменев. “Роль гетероэпитаксии в разработке новых тонкопленочных функциональных материалов на основе оксидов”. Успехи химии 2004, 73, 932

2. O. Stadel, J. Schmidt, M. Liekefett, G.Wahl, O.Yu. Gorbenko, and A. R. Kaul. MOCVD Techniques for the Production of Coated Conductors. IEEE Trans. Appl. Superconductivity 2003, 13, 2528

3. O. Yu. Gorbenko, O. Stadel, G. Wahl, A. R. Kaul. MOCVD of LaMnO3 on Biaxially Textured Ni-based Substrates in a Reducing Atmosphere. Chem. Vapor Deposition 2004, 10, 109

4. Счастливцев В.М., Устинов В.В., Родионов Д.П., Соколов Б.К., Гервасьева И.В., Носов А.П., Сазонова В.А., Васильев В.Г., Владимирова Е.В. Эпитаксиальные подложки из сплавов никеля с острой кубической текстурой для ленточных высокотемпературных сверхпроводников. ДАН 2004, 395, 339

О.Горбенко

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.