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

Сверхпроводниковые технологии в Национальных Лабораториях США

2008, Tом 5, выпуск 1
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения

Успехи американских компаний базируются, в основном, на знаниях, полученных в университетах и национальных центрах. Так, технология, используемая American Superconductor (AMSC), разрабатывалась в Оак Ридже (ORNL), а технологические процессы SuperPower впервые опробованы в Лос-Аламосе (LANL). Кооперация осуществляется как в рамках двустороннего сотрудничества, так и при финансовом участии государства, в основном, в лице министерства энергетики (т.н. Cooperative Research and Development Agreement, CRADA). Только на поддержку ORNL в этом году было выделено 800 тыс. USD – для сотрудничества с SuperPower и 850 тыс. USD – с AMSC. LANL на разработку 2G-ленты по CRADA выделено 1,75 млн. USD. Объём исследований огромен, поэтому автор нижеследующей заметки остановился только на наиболее примечательных результатах, представленных на Peer Review 2007 [1].

Лента-подложка

Текстурированной лентой в Америке занимается группа из Оак Риджа. В этом году завершена передача технологии производства RABiTS (биаксиальное текстурирование подложки с помощью прокатки) из ORNL в AMSC и компания теперь сама производит текстурированную ленту. ORNL продолжает активно работать над усовершенствованием текстурированных подложек и предоставляет AMSC свои технологические возможности (прокатное оборудование, установленное в чистых комнатах). Что нового в 2007-м году? Во-первых, отметим угасание интереса ORNL к подложкам из меди и немагнитного сплава Ni-Cr. Вероятно, подходящей для промышленности технологии нанесения на них оксидных слоев американцам создать не удалось. Вместо этого внимание вновь обращено на, казалось бы, изученный вдоль и поперёк сплав Ni-W. Хорошо известно, что при содержании вольфрама более 5 ат. % происходит смена текстуры прокатки типа меди на текстуру типа латуни. Исследователям из ORNL удалось найти обходную дорожку – после горячей прокатки сплав Ni с 9,3 ат. % вольфрама обладал желаемой текстурой типа меди! Но получить кубиче-скую текстуру при отжиге сначала не удалось – после горячей прокатки лента обладала окисленной, сильно дефектной поверхностью. После стравливания поверхностного слоя и высокотемпературного отжига искомый результат был получен: образец из сплава Ni-9,3%W обладал кубической текстурой. Второе важное направление в прошедшем году – разработка биметаллических лент (по-английски их называют composite или clad tapes) (рис. 1). Ранее разными группами была не раз продемонстрирована перспективность такого подхода. Действительно, внутренний слой в такой ленте может нести, например, механическую нагрузку, а внешний, с повышенной устойчивостью к окислению – служить основой для эпитаксии. В работе ORNL показано, что внутренний слой может быть совсем нетекстурированным, и это не нарушает текстуру внешнего слоя. Созданная по биметаллической технологии лента обладает высокой прочностью (более 350 МПа, что в 2 раза больше прочности Ni-5%W). Состав использованных сплавов не раскрывается.

Рис. 1. Пути изготовления биметаллической ленты.

Буферные слои

Национальная лаборатория в Лос Аламосе (LANL) является создателем значительной части технологии, используемой SuperPower (см. рис. 2). В этом году исследователи показали, что пятислойную буферную структуру можно упростить, сделав трёхслойной: SZO/IBAD*-MgO/Al-Y-O/хастеллой. Два первых слоя в пятислойке, Al2O3 для блокирования диффузии кислорода ("buffer layer") и Y2O3 для предотвращения взаимодействия MgO с Al2O3 ("nucleation layer"), успешно заменили аморфным слоем Al-Y-O. Такой слой толщиной около 150 нм оказался даже лучше двух слоёв. Текстура MgO не зависит от соотношения Al/Y в широких пределах, слой полностью блокирует диффузию Ni, Cr и Mo из подложки внутрь плёночной структуры, получены ВТСП покрытия с отличной текстурой (разориентация 1,23° вне плоскости и 3,9° в плоскости подложки). Вместо второго слоя MgO и слоя манганита лантана опробован слой твёрдого раствора Sm2O3-ZrO2 (рис. 3). Оказалось, что этот слой неплохо растёт на ISD(осаждение на подложку, расположенную под углом к направлению осаждения) MgO. Исследован широкий диапазон соотношения Sm/Zr и показано, что наилучшая текстура слоя получается при содержании самария 60-75 ат. %. Это соответствует содержанию Sm2O3 от 43 до 60 мол. % и, как следует из фазовой диаграммы, такой твёрдый раствор обладает наименьшей температурой плавления. Большее содержание самария приводит к образованию нежелательных модификаций с некубической структурой. К достоинствам нового слоя авторы работы относят низкую стоимость самария (в настоящее время это самый доступный РЗЭ), возможность использования мишеней из сплава Sm-Zr, инертность SZO по отно-шению YBCO, а также возможность изменять постоянную решётки, варьируя состав.

*IBAD – осаждение с помощью ионных пучков.

Рис. 2. Этапы сотрудничества LANL – SuperPower.

Рис. 3. Текстура нового буферного слоя SZO на IBAD MgO. Фазовая диаграмма взята из [2].

Слой ВТСП

О рекордах SuperPower хорошо известно. Высокие значения критического тока достигаются благодаря процессу MOCVD (осаждение металлорганических соединений из газообразной фазы) с применением многократного прохода ленты через зону осаждения. В чём же заключается секрет высоких сверхпроводящих характеристик? В LANL проведено всестороннее исследование этого вопроса на плёнках YBCO (10% Sm) с использованием просвечивающей электронной микроскопии. Для толщины слоя YBCO 0,7 мкм показано, что высокие значения критического тока (4,2 MA/см2, 295 А/см) характерны для слоёв с равномерной микроструктурой без частиц CuO на поверхности. Пониженные характеристики (3,3 MA/см2, 230 А/см) измерены для образца, в котором на поверхности наблюдалось большое количество частиц CuO и купратов бария, а вторые фазы в объёме были распределены неравномерно. Качественные плёнки YBCO толщиной 2,8 мкм (2,1 MA/см2, 600 А/см) обладали высокой концентрацией дислокаций и наночастиц (Y,Sm)2O3. (рис. 4) Для скоплений последних (которые авторы называют "плоскостями") наблюдался наклон относительно плоскости ab YBCO на 3-7°. Количество этих частиц коррелирует с плотностью криттока в поле при H//ab. Обнаружены также частицы купрата YCuO2, рост которых происходит в виде колонн диаметром 10-20 нм, проникающих сквозь толщину плёнки. Для покрытий толщиной более 1 мкм наблюдалось образование небольшого количества а-ориентации на поверхности. Интересно, что для таких образцов обнаружено некоторое повышение криттока при H//c. При определённых обстоятельствах а-ориентация может быть полезной, внося искажения, увеличивающие силу пиннинга, предполагают авторы. Показано также, что рядом с а-ориентированными зёрнами охотно образуются вторые фазы. Продемонстрировано, что токонесущая способность плёнок YBCO производства SuperPower в магнитном поле возрастает с увеличением толщины практически линейно, то есть слои 0,7 мкм, получаемые за 1 проход, эквивалентны друг другу - существенной деградации свойств не происходит. Это достижение крайне важно для технологии, включающей многократный проход ленты через зону осаждения.

Рис. 4. Микроструктура MOCVD-покрытия YBCO производства SuperPower. Толщина слоя YBCO 2,8 мкм, Jc(77К) = 2,1 MA/см2. Видны дислокации, проникающие сквозь толщину плёнки, и наклонённые "плоскости"(Y,Sm)2O3. На поверхности - а-ориентированные зёрна.

Научные исследования, лежащие в основе технологии ВТСП-проводов второго поколения, идут в США крайне интенсивно и сразу по всем направлениям. Коммерческие фирмы получают массированную поддержку от государства, сотрудничая с университетами и национальными лабораториями. В следующем году обе американские компании планируют в несколько десятков раз увеличить объём производства. Очевидно, что без крепкой научной базы это было бы невозможно осуществить в столь короткие сроки. Также очевидно, что без участия государственных научных центров не было бы новых идей, повышающих качество ВТСП-проводов и приближающих их широкое применение.

С.В. Самойленков

  1. A. Rouanet and M. Foex, Seances Acad. Sci., Ser. C, 267, 873 (1968).
  2. Сверхпроводники в электроэнергетике, 4, №5, 7 (2007).
  3. Superconductivity for Electric Systems 2007 Annual Peer Review, USA, Virginia, Arlington.
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.