DoE Peer Review 2008: новости из Оак-Риджа
2008, Tом 5, выпуск 5
Тематика: ВТСП материалы 2-го поколения
В этом году впервые некоторые презентации c еже-годной сессии Министерства энергетики США (Department of Energy’s High Temperature Superconductivity Program Peer Review) представлены в интернете в урезанном виде, видимо, амери-канцы опасаются излишнего внимания конкурентов из-за рубежа. Много закрытых от публики слайдов в докладе из Оак-Риджа. Это и не удивительно, так как Оак-Риджская национальная лаборатория (ORNL) на протяжении многих лет приносила в технологию ВТСП-лент один из самых весомых вкладов. Например, именно там были разработаны и опробованы первые текстурированные ленты – RABiTS (Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrates). В этой заметке рассмотрены новые достижения лаборатории [1].
ORNL недавно полностью передала компании American Superconductor производство текстурированной подложки из сплава никель-вольфрам. Однако собственные исследования лаборатория на этом не закончила, а продолжает искать новые подходы к созданию длинной текстурированой ленты. В технологии RABiTS акцент сделан на создание заготовок для проката из порошкового металла. Такие заготовки дешевле литых, так как выход продукта равен практически 100%, в то время как при обработке литых заготовок теряется много дорогого металла. Основная проблема порошковой технологии заключается в относительно большой степени загрязнения исходных материалов углеродом, что затрудняет процесс текстурообразования. На Peer Review показано, что лента, приготовленная из порошковых заготовок, даёт нужную кубическую текстуру, но только при отжиге при довольно высоких температурах (1200-1300оС). Американцы склонны рассматривать высокую температуру получения как достоинство, так как получившаяся текстура гарантировано стабильна при последующих высокотемпературных стадиях, например, получении буферного слоя методом MOD (Metal Organic Deposition).
Ничего не сообщается о новых результатах по текстурированию немагнитного сплава с большим содержанием вольфрама, 9 ат. %. В прошлом году сообщалось, что требуемая текстура получается теплой прокаткой и последующей термообработкой. Аналогичные результаты чуть позже представляла дрезденская фирма Evico GmbH по сплаву Ni-7,5%W. Вероятно, на настоящий момент эта тематика в ORNL далее не развивается.
Интересные результаты получены в совместной работе ORNL и Университета Аугсбурга (Германия) по росту плёнок YBCO на бикристаллах SrTiO3 с различным типом разориентации в 6о (рис. 1, 2). Хорошо известно, что критический ток в YBCO резко падает с повышением разориентации соседних кристаллитов (в среднем, 10о разориентации соответствуют падению Jc примерно на порядок). Оказалось, однако, что разные границы зерен действуют на критический ток поразному. Разориентация вне плоскости подложки на углы 4-8о практически не влияет на Jc! Понижение критического тока связано, в первую очередь, с разориентацией кристаллитов в плоскости подложки. Авторам исследования при помощи просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения удалось показать, что это связано с особенностями роста YBCO на бикристаллической границе. При разориентации вне плоскости слои CuO2 не прерываются на ней, а только сгибаются на соответствующий угол. При разориентации на тот же угол в плоскости подложки на границе образуется т.н. антифазная граница (сдвиг на треть параметра с), на которой плоскости CuO2 разрываются, что и приводит к существенному падению транспортных характеристик. С технической точки зрения это означает, что текстура ВТСП должна быть близкой к идеальной в плоскости ленты (минимальная ширина максимумов на рентгеновских j-сканах), в то время как вне плоскости (кривая качания) допускается некоторая разориентация, по крайней мере в области углов < 8о. От себя заметим, что на поведении границ обязаны отразиться особенности механизма роста плёнки, тесно связанные с конкретным процессом и условиями получения. Примером тут может служить образование неровных (меандровых) границ [2]. Нельзя не учитывать также и то, что ВТСП плёнки на "вицинальных" (т.е. срезанных под небольшим углом) подложках сами по себе получаются с лучшей морфологией и свойствами за счёт облегченного зародышеобразования на многочисленных атомных "ступеньках" на поверхности подложки [3]. Бикристаллические подложки с разо-риентацией вне плоскости фактически являются вицинальными.
Рис. 1. Разориентация ВТСП зёрен в плёнке толщиной 0,12 мкм с очень высоким криттоком при 77 К (> 4 МА/см2). Цветом показаны границы с разориентацией более 4˚. Видно, что вне плоскости разориентация больше, тем не менее, это совместимо с хорошими СП-свойствами.
Рис. 2. Исследовавшиеся типы бикристаллических подложек SrTiO3 и свойства плёнок YBCO, выращенных на них.
ORNL на Peer Review 2008 была представлена также идея осаждения ВТСП плёнок на оксидные волокна. Надо сказать, что сама идея не нова, например, об осаждении YBCO на волокна из монокристаллического SrTiO3 с использованием MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) и LPE (Liquid Phase Epitaxy) сообщалось 11 лет назад [4]. В 2008-м году американцы попробовали приспособить для этой цели более технологичные сапфировые волокна с развитыми R-гранями (индексы Миллера (102)). Такие волокна выращивают вытягиванием через вольфрамовый капилляр из расплава Al2O3 при температуре > 2000оС; метод роста известен с 60-х годов [5] (рис. 3). Требуемые волокна удалось вырастить со скоростью до 3 м/ч с общей длиной до 10 м. На волокнах с использованием подслоя CeO2 получены плёнки YBCO с критическим током более 0,4 МА/см2. Хотя разработка направлена на создание круглых сверхпроводников, круглыми покрытые волокна в строгом смысле не являются, так как качественная сверхпроводящая плёнка получается только на двух противоположных гранях волокна.
Рис. 3. Схема установки для роста сапфировых волокон [5].
Оксидные волокна обладают рядом достоинств, например, хорошими механическими свойствами. Привлекательным моментом является также возможность эффективно использовать сечение проводника, так как при малом диаметре волокна (несколько мкм) сечение ВТСП сравнимо с сечением подложки. В сегодняшней технологии ВТСП-проводников
2-го поколения доля ВТСП в сечении еле достигает 5%. Оксидные волокна, к сожалению, недёшевы. Коммерчески доступные волокна из чистого Al2O3 с диаметром 10-12 мкм (марки Nextel 610 производства 3М) стоят сегодня 790 EUR за кг при заказе партии более 100 кг [6]. Монокристаллические волокна со специально развитыми поверхностями стоят гораздо дороже, т.к. не производятся в промышленных количествах. При гипотетической цене 10000 EUR/кг, диаметре волокна 10 мкм и равномерном покрытии ВТСП толщиной 1 мкм с криттоком 1 МА/см2 получаем цену подложки около 10 EUR/кА*м. Большим знаком вопроса являются методы осаждения эпитаксиальных покрытий на волокна (их пока нет). При уменьшении диаметра волокна также уменьшается размер допустимых дефектов, т.к. всего лишь одно зерно YBCO в нежелательной а-ориентации может ис-портить транспортный ток волокна с диаметром порядка 10 мкм.
- http://www.ornl.gov/sci/htsc/index.html; De-partment of Energy’s High Temperature Super-conductivity Program Peer Review 2008.
- J. Ayache et al., J. Appl. Phys., 84, 4921 (1998).
- U. Poppe et al., IEEE Trans. Appl. Supercond., 11, 3768 (2001).
- Y. Ito et al., Physica C, 288, 178 (1997).
- J.T.A. Pollock, J. Mater. Sci., 7, 787 (1972).
- Ceramic Matrix Composites (Ed. Walter Kren-kel), Wiley-VCH, 2008, c. 14.