CC BY
52УДК 538.945.9
DOI: 10.21779/2542-0321-2020-35-4-79-89
С.Х. Гаджимагомедов1, Д.К. Палчаев1, Ж.Х. Мурлиева1, Г.Ш. Шапиев1, Р.М. Эмиров1, Н.М.-Р. Алиханов1, Ф.Ф. Оруджев1, М.Х. Гаджиев2, П.М. Сайпулаев1, А.Э. Рабаданова1
Структура и свойства сверхпроводящей пленки состава YBCO/SiOi/Si
1 Дагестанский государственный университет; Россия, 367000, г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43а; [email protected]
2Объединенный институт высоких температур; Россия, 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2
Сверхпроводящие пленки YBa2Cu3O7-s (YBCO) выращены на подложках из монокристаллического кремния с аморфным оксидным слоем методом магнетронного распыления нано-структурированной мишени без предварительного нанесения дополнительных согласующих слоев.
Приведены результаты исследования структуры и свойств пленки YBCO/SiO2/Si. Показано, что у пленки металлический характер проводимости, температура начала ее перехода в сверхпроводящее состояние составляет ~ 78 К, ширина перехода ~ 8.4 К, количество основных фаз - три, у которых индекс по кислороду выше ~ 6.70.
Показана возможность получения сверхпроводящих пленок состава YBCO на подложках из аморфного кварца (YBCO/SiO2/Si) методом магнетронного распыления наноструктуриро-ванных мишеней без нанесения дополнительных согласующих слоев, а также проведены исследования морфологии и электрических свойств пленки.
Ключевые слова: сверхпроводимость, YBa2Cu3O7-s магнетронное распыление, пленки на диэлектрических подложках, структура, электрические свойства.
Введение
В течение последних лет предпринимаются попытки повышения сверхпроводящих характеристик (температуры сверхпроводящего перехода Tc и плотности критического тока jc) керамик на основе YBCO путем замещения материнских элементов [1, 2] и введения наноструктурированных несверхпроводящих добавок на основе перовски-тов [3-9] в качестве искусственных центров пиннинга. Хрупкая керамическая структура таких сверхпроводников, помимо потерь мощности из-за движения вихрей [10], ограничивает их использование [11] в двигателях, генераторах, кабелях или катушках. В этой связи актуально изготовление сверхпроводников в виде тонких пленок на длинных гибких металлических подложках-лентах, из которых в последующем создаются сверхпроводящие кабели. Сверхпроводящие слои на подложки наносятся эпитаксиаль-но физическими или химическими методами осаждения. Наиболее часто для этого используются методы магнетронного распыления [12-14], химического осаждения метал-лоорганических соединений из газовой фазы [15-18], импульсного лазерного осаждения [3, 19], осаждения из химического раствора [20] и др.
Для обеспечения структурного совершенства самой пленки YBCO необходимо, чтобы буферные слои были текстурированы. Особую значимость приобретает и опти-
мизация толщины сверхпроводящего слоя: с ростом ее толщины возможно повышение шероховатости поверхности (из-за большой объемной доли пор) и в последующем разориентирование зерен YBCO, приводящее к снижению плотности [4].
Помимо возможности внедрения искусственных центров пиннинга в последнее время исследуются методы [21], позволяющие модифицировать поверхность подложек путем создания нановключений перед осаждением пленки YBCO. Такие включения нужны для образования областей повышенного напряжения структуры (в частности, в виде наностержней) во время роста пленки. При этом внедряемые добавки из частиц с размерами, соответствующими длине когерентности, должны быть инертными к сверхпроводящей матрице и способными к эффективному [22] пиннингу - «фиксированию» вихрей.
Несмотря на некоторые успехи в плане повышения значений критической плотности тока до ~ 106А/см2, что на три порядка ниже теоретического значения, все еще не решена проблема высоких резистивных потерь на переменном токе, особенно во внешнем магнитном поле [23]. В частности, потери за счет собственного магнитного поля устраняются при использовании немагнитных подложек на основе оксидных волокон (из сапфира или кварца).
Авторами [24] получены пленки YBCO на сапфировой фасетированной нитке с буферным слоем диоксида церия. Сверхпроводящие пленки на подложке из аморфного кварца, включающей три слоя (кварц, диоксид циркония со стабилизированным иттрием и диоксид церия), были изготовлены [25] при сочетании методов магнетронного распыления и импульсного лазерного осаждения.
Возможность изготовления ВТСП проводников третьего поколения была показана ранее в работе [26]. Причем критическая плотность тока (~ 7 104 А/см2) для них [19] оказалась ниже, чем для лент второго поколения. Для таких проводников остаются нерешенными проблемы повышения значений критического тока и согласования наносимых слоев из-за большой разницы в значениях коэффициента теплового расширения. Например, для YBCO этот коэффициент на порядок выше, чем для аморфного кварца, что приводит к растрескиванию пленок.
Характеристика и методика получения образцов
Для изготовления наноструктурированной мишени нанопорошок YBCO, термо-обработанный в течение 20 часов при 910 °С, прессовался (с добавлением бутилового спирта) под давлением ~ 100 МПа и спекался при 920 °С в течение 1 часа [27]. Плотность наноструктурированной мишени, полученной за один этап спекания, порядка ~ 6.0 г/см3 (теоретическое значение ~ 6.3 г/см3). Доля сверхпроводящей фазы керамической мишени с индексом кислородной стехиометрии ~ 6.90 составляла не менее 90 %, а температура начала перехода (Тс, нач.) ~ 92 К. Сопротивление этой керамики при 300 К (р300 к) порядка ~ 9.810-3 Ом см. Размеры распыляемой мишени: толщина 2-6 мм, диаметр 30-40 мм.
Сверхпроводящая пленка YBCO/SiO2/Si изготавливалась при следующих технологических параметрах магнетронного распыления [14]: давление ~ 4 Па; конфигурация - «off-axis»; подложка расположена под углом а ~ 35° к плоскости мишени; температура подложки ~ 700 °С; ток разряда ~ 200 мА; среда - смесь Ar + O2 в соотношении 1:2; время - 60 мин. При выбранном режиме распыления скорость роста пленки составляла ~ 0.6 мкм/ч.
Исследования морфологии скола пленки проводились на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) «Titan 80-300» в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт». Фурье-преобразования осуществляли с помощью программного комплекса Digital Micrograph. Удельное электросопротивление образцов измерялось четырехзондовым методом на автоматизированной (среда программирования LabView) установке на базе приборов Keithley.
Результаты и обсуждение
Морфология (ПЭМ изображения) скола пленки YBCO/SiO2/Si показана на рис. 1. Для выделенных (рис. 1б) областей № 1-6 проведен Фурье-анализ. На рис. 2-7 представлены Фурье-образы этих областей и соответствующие профили выделенных на них участков. Как видно из рис. 2, в области № 1 просматривается упорядоченная структура монокристаллической кремниевой подложки. В области № 2 (рис. 3) наблюдается плавный переход от кристаллической подложки к аморфному слою из оксида кремния: обнаруживаются области с высоким искажением, в основном сжатием. Межплоскостное расстояние уменьшается примерно в 1.3 раза (рис. 3, профиль).
Рис. 1. Результаты исследования ПЭМ изображения скола структуры 8^Ю2/УВСО при различных увеличениях. Области, где проводили Фурье-преобразования, обозначены № 1-6
Выше аморфного слоя толщиной ~ 10 нм наряду с тетраэдрическими элементами (характерными для БЮ2) размером ~ 0.5 нм наблюдается (рис. 4) несколько областей с некоторым упорядочением. Далее следует (рис. 5 и 6) плавный переход к нанокристал-лическому состоянию пленки. Образуется наноразмерная блочная структура осаждаемой пленки на поздних стадиях роста, ориентированная различным образом. Заметим, что в отличие от микрокристаллической мишени при распылении наноструктурирован-ной мишени на подложке вырастает согласующий слой толщиной примерно 15 нм за счет самоорганизации наночастиц. Межплоскостное расстояние (рис. 5 и 6, профили) в среднем составляет примерно 0.18 нм и 0.23 нм соответственно.
После этого формируется (рис. 7) поликристаллическая структура из зерен сверхпроводника YBCO с межплоскостным расстоянием в зерне в среднем ~ 0.3 нм. Толщина такой пленки порядка 1 мкм.
Рис. 2. Результаты исследования Фурье-анализа области № 1 и соответствующий профиль выделенного участка
0.0 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25
Рис. 3. Результаты исследования Фурье-анализа области № 2 и соответствующий профиль выделенного участка
Рис. 4. Результаты исследования Фурье-анализа области № 3
Рис. 5. Результаты исследования Фурье-анализа области № 4 и соответствующий профиль выделенного участка
0.0 0.4 0.8 1.2 1 6
Рис. 7. Результаты исследования Фурье-анализа области № 6 и соответствующий профиль выделенного участка
На рис. 8 приведена температурная зависимость электросопротивления сверхпроводящей пленки состава YBCO/SiO2/Si, полученной магнетронным распылением нано-структурированной керамической мишени.
,-4 I
3,0 х 10
2,0 х 10-4 t
CD
1,0 х 10-4 t
0,0
T
1 c.
- 78 К
\
T ~ 163К
э р = 1,91397-10 в +4,56066 10-8T в
+7,69249■0 0-00T2
9 О
9
JL
р = 0,66542■00" +3,20898^10-7T
50 100 150 200
Т, К
250
300
Рис. 8. Температурная зависимость р пленки УВа2Си307-5
Зависимость р = Г(Т) имеет металлический характер, значение р при 300 К (р300 к) составляет ~ 2.62-10-4 Ом •см. Температура псевдощелевого состояния Т порядка ~ 163 К. До этого значения зависимость р от температуры описывается (рис. 8) линейным полиномом:
р = 1.665 10-4 + 3.208 10-7Т, (1)
а ниже до перехода зависимость параболическая:
р = 1.91310-4 + 4.560 10-8 Т + 7.692 10-10. (2)
Зависимость производной от сопротивления по температуре (ёр/ёТ) в области сверхпроводящего перехода позволяет оценить количество сверхпроводящих фаз в полученной пленке (рис. 9). По содержанию кислорода образец оказался многофазным. Количество основных фаз составляет три с температурами перехода Тс ~ 75.7 К, ~ 73.8 К и ~ 72.8 К. Содержание кислорода в этих фазах (х = 7-5) оценивалось по зависимости Тс (х) из [28] и составляет в среднем примерно 6.73, 6.71 и 6.70. Как видно (рис. 8 и 9), сверхпроводящий переход начинается при температуре ~ 78 К, а ширина перехода составляет ~ 8.4 К.
65 70 75 80 85 90
Т, К
Рис. 9. Зависимостир и dр/dT от Т в области сверхпроводящего перехода пленки УВа2Си3О7_5
Выводы
Показана принципиальная возможность получения сверхпроводящих пленок УВСО/Б1О2/81 на диэлектрических подложках без нанесения дополнительных согласующих слоев. Сверхпроводящая пленка состава УВа2Си3О7-5 была получена методом магнетронного распыления наноструктурированной мишени с плотностью ~ 6,0 г/см3 на подложке монокристаллического кремния с аморфным слоем БЮ2. Наноструктури-рованность мишени приводит к образованию переходного слоя за счет самоорганизации наночастиц.
Содержание сверхпроводящей фазы в наноструктурированной мишени с индексом кислородной стехиометрии ~ 6.90 не менее 90 %, температура начала перехода в сверхпроводящее состояние ~ 92 К. Сопротивление керамической мишени при комнатной температуре р300 К составляло ~ 9, 8 10 Ом-см.
Сверхпроводящая пленка изготавливалась в течение 60 мин в среде Аг + О2 при температуре подложки ~ 700 °С. Характер проводимости пленки металлический, значение р300 К составляет ~ 2,6-Ю-4 Ом см, а переход в сверхпроводящее состояние начинается при ~ 78 К. Получение сверхпроводящих пленок состава УВСО возможно на диэлектрических подложках без нанесения дополнительных согласующих слоев, т. е. допустимо изготовление сверхпроводящих проводников третьего поколения.
Работа выполнена в рамках проектов «УМНИК» № 14045ГУ/2019 и 14057ГУ/2019, а также частично при поддержке гранта РФФИ № 18-08-00092а и Гос. задания ПЖ-2020-0002.
Литература
1. Hidayah H.N., Yahya S.Y.S., Azhan H. et al. Comparison of K, Ca and Zn Substitution on the Superconducting and Structural Properties of YBa2Cu3-xMxOs // Advanced Materials Research. - Trans Tech Publications Ltd. - 2014. - V. 895. - P. 79-82.
2. Rudnev I., Menushenkov A., Blednov A. et al. Magnetization and Critical Current of Calcium-doped YBa2Cu3O7-x Composite Films // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. - 2015. - V. 29. - P. 645-649.
3. Sieger M. Pahlke P., Lao M. et al. Tailoring microstructure and superconducting properties in thick BaHfO3 and Ba2Y(Nb/Ta)O6 doped YBCO films on technical templates // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2016. - V. 27, № 4. - Р. 1-7.
4. Pahlke P., Sieger M., Ottolinger R. et al. Influence of artificial pinning centers on structural and superconducting properties of thick YBCO films on ABAD-YSZ templates // Superconductor Science and Technology. - 2018. - V. 31, № 4. - P. 044007.
5. Rivasto E. Khan M. Z., Wu Y. et al. Lattice defect induced nanorod growth in YBCO films deposited on an advanced IBAD-MgO template // Superconductor Science and Technology. - 2020. - V. 33, № 7. - P. 075008.
6. Lepeshev A.A., Patrin G.S., Yurkin G.Yu. et al. Magnetic Properties and Critical Current of Superconducting Nanocomposites (1-x)YBa2Cu3O7-s + xCuO // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. - 2018. - V. 31. - P. 3841-3845.
7. Menushenkov A.P., Ivanov V.G., Chepikov V.N. et al. Correlation of local structure peculiarities and critical current densityof 2G MOCVD YBCO tapes with BaZrO3 nanoinclu-sions // Superconductor Science and Technology. - 2017. - V. 30, № 4. - P. 045003.
8. Li Guo-Zheng, Wang Shou-Yu, Li Jia-Wei et al. Introducing multi-source pinning centers into Y-Ba-Cu-O superconductor through addition of BiFeO3 nano-particles // Scripta Materialia. - 2017. - V. 132. - P. 22-24.
9. Frolova A., Pompeo N., Rizzo F. et al. Analysis of transport properties of MOD YBCO films with BaZrO3 as artificial vortex pinning centers // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2016. - V. 26, № 3. - P. 1-5.
10. Foltyn S.R., Civale L., MacManus-Driscoll J.L. et al. Materials science challenges for high-temperature superconducting wire // Nature materials. - 2007. -V. 6, № 9 -P. 631-642.
11. Бондаренко С.И., Коверя В.П., Кревсун А.В. и др. Высокотемпературные сверхпроводники семейства (RE)Ba2Cu3O7- и их применение (Обзор) // Физика низких температур. - 2017. - Т. 43, № 10.
12. Мастеров Д.В., Павлов С.А., Парафин А.Е. Новый подход к формированию топологии планарных структур на основе высокотемпературного сверхпроводника YBCO // Физика твердого тела. - 2017. - Т. 59, № 11. - С. 2113-2116.
13. Антонов А.В., EnbK^a А.И., Васильев B.K. и др. Экспериментальное наблюдение s-компоненты сверхпроводящего спаривания в тонких неупорядоченных пленках ВТСП на основе YBCO // Физика твердого тела. - 2020. - Т. 62, № 9.
14. Гамматаев С.Л., Хашафа А.Х.Д, Палчаев Д.К. и др. Получение тонких пленок YBa2Cu3O7-s методом магнетронного распыления // Вестник ДГУ. - 2015. - Вып. 6. -С. 14-20.
15. Харченко А.В., Григорьев А.Н., Ильина Е.Г. и др. Химическое осаждение биак-сиально текстурированных функциональных слоев YBCO, Y2O3 и LZO для ВТСП-лент второго поколения // Вестник Московского университета. Сер. 2: Химия. - 2019. -Т. 60, № 6. - С. 369-374.
16. Wang S.S., Zhang Z.L., Wang L. et al. High quality uniform YBCO film growth by the metalorganic deposition using trifluoroacetates // Physica C: Superconductivity and its Applications. - 2017. - V. 534. - P. 68-72.
17. Zhao Y., Chu J., Qureishy T. et al. Structural and superconducting characteristics of YBa2Cu3O7 films grown by fluorine-free metal-organic deposition route // Acta Materialia. -2018. - V. 144. - P. 844-852.
18. Pinto V., Vannozzi A., Armenio A.A. et al. Nanodiamond addition to chemical solution deposited YBa2Cu3O7-s film: effect on structural and superconducting properties // Thin Solid Films. - 2020. - V. 693. - P. 137696.
19. Блинова Ю.В., Снигирев О.В., Порохов Н.В. и др. Структура и свойства напыленных пленок в композиционных образцах SiO2/YSZ/CeO2/YBa2Cu3Oy // Физика твердого тела. - 2016. - Т. 58, № 8. - С. 1465-1472.
20. Rasi S., Roura-Grabulosa P., Farjas J. Application of thermal analysis and kinetic predictions to YBCO films prepared by chemical solution deposition methods // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2020. - V. 141. - P. 1-10.
21. Piperno L., Armenio A.A., Vannozzi A. et al. Nanostructured templates for critical current density enhancement in YBa2Cu3O7-x films // Superconductor Science and Technology. - 2020. - V. 33, № 9. - Р. 094003.
22. Ushakov A.V., Karpov I.V., Lepeshev A.A. et al. Enhancing of magnetic flux pinning in YBa2Cu3O7-x/CuO granular composites // Journal of Applied Physics. - 2015. -V. 118, № 2. - Р. 023907.
23. Fetisov S.S., Zubko V.V., Nosov A.A. et al. Losses in Power Cables Made of 2G HTS Wires with Different Substrates // Physics Procedia. - 2012. - V. 36. - P. 1319-1323.
24. Xu Y., Djeu N., Qian Z. et al. YBa2Cu3O7-s films grown on faceted sapphire fiber // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2011. - V. 21, № 3. - Part 3. - P. 32813284.
25. Порохов Н.В., Хрыкин Д.А., Кленов Н.В. и др. Способ получения высокотемпературной сверхпроводящей пленки на кварцевой подложке. - 2017 (патент RU 2629136 от 24.08.2017).
26. Чухаркин М.Л., Порохов Н.В., Калабухов А.С. и др. Высокотемпературные сверхпроводящие пленки на фасетированных монокристаллических нитях // Журнал радиоэлектроники. - 2013. - № 2 - С. 1.
27. Palchaev D.K., Gadzhimagomedov S.Kh., Murlieva Zh.Kh. et al. Structure and conductivity of nanostructured YBCO ceramics // Journal of Physics: Conf. Series. - 2017. -V. 941. - P. 012076.
28. Bozin E.S., Huq A., Shen Bing et al. Charge-screening role of c-axis atomic displacements in YBa2Cu3O6+x and related superconductors // Physical Review B. - 2016. -V. 93. - № 5. - Р. 054523.
Поступила в редакцию 20 июля 2020 г.
UDC 538.945.9
DOI: 10.21779/2542-0321-2020-35-4-79-89
Structure and Properties of a Superconducting Film Composition YBCO/SiO2/Si
S.Kh. Gadzhimagomedov1, D.K. Palchaev1, Zh.Kh. Murlieva1, G.Sh. Shapiev1, R.M. Emirov1, N.M.-R. Alikhanov1, F.F. Orudzhev1, M.Kh. Gadzhiev2, P.M. Saypulaev1, A.E. Rabadanova1
1Dagestan State University; Russia, 367000, Makhachkala, M. Gadzhiev st., 43a; [email protected]
2Joint Institute for High Temperatures; Russia, 125412, Moscow, Izhorskaya st., 13,
bld. 2
Superconducting YBa2Cu3O7_s (YBCO) films were grown on single-crystal silicon substrates with an amorphous oxide layer by magnetron sputtering of a nanostructured target without preliminary application of additional matching layers.
The results of studying the structure and properties of the YBCO/SiO2/Si film are presented. It is shown that the film has a metallic character of conductivity, the temperature of the beginning of its transition to the superconducting state is ~ 78 K, the transition width is ~ 8.4 K, the number of main phases is three, in which the oxygen index is higher than ~ 6.70.
Keywords: superconductivity, YBa2Cu3O7-s, magnetron sputtering, films on dielectric substrates, structure, electrical properties.
Received 20 July's 2020
