Метод лазерного напыления в синтезе ВТСП Пленок тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ
|
Предтеченский, Михаил Рудольфович
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Новосибирск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1993
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.14
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ
На травах рукописи УДК: 539.23; 533.52; 533.6.011:537.312.62.
Предтеченский Михаил Рудольфович МЕТОД ЛАЗЕРНОГО НАПЫЛЕНИЯ- В СИНТЕЗЕ ВТСП ПЛЕНОК 01.04.14 теплофизика и молекулярная физика
Диссертация на соискание ученой стэпеки доктора физико-матемэтическкх наук
Научный доклад
Новосибирск 1943
С.1
Работа выполнена в Институте теплофизики СО РАК
Официальные оппоненты: академик М.Ф.Жуков (ИТ СО РАН)
доктор физико-ыатематичесхих наук К.М.Еетеров (ИФП СО РАН) доктор химические наук В.И.Федоров(ИКС СО РАН)
Ведущая организация: Физико-технический институт РАН им.А.Ф.Иоффе
Защита состоится "/^ " ¡^Ы^Ща^Х^^ '''года в ( Ъ часог на заседании специализированного совета Д.002.65.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте теплофизики С-0 РАН (630090, г.Новосибирск, цр. Академика Лаврентьева, 1)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.
Автореферат разослан НО
Просим принять участие в работе Совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации. (ФАКС--3832 357880)
Учений секретарь специализированного совета
доктор физико-математических наук [((1_у РЛ'.Шарафутдинов
Актуальность проблемы. Практические перспективы,
обусловленные открытием материалов, обладакцжс сверхпроводящими свойствами при температурах выше температур:: гашения азота, поставили исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) на уровень приоритетных задач современной: науки. Эти исследования в настоящее время развиваются по двум оспозшш .направлениям: исследование механизмов возникновения ЕТСП и создание ВТСП материалов с заданными свойствами с целью использования их в сверхпрсЕодгацих устройствах. Как пергая, тех« и вторая, задачи, в ■ частности, требуют создания высококачественных ВТСП пленок с совершенной кристаллической структурой' к высокими транспортными свойствам, .являющихся для первой задачи образцами для исследований и конструкционным материалом для второй. Одним из наиболее перспективных методов получения ВТСП . пленок является метод лазерного напыления в кислороде. Этим методом' били получены гкзтжп наиболэе высокого каче ства. Однако, слсзхный химический состав ВТСП пленок, являякдхся многовлёыентшшк оксидами, а такие наличие многочисленных технологические параметров присущих методу лазерного напыления и, опрзделящвм образом, влияющих на свойства пленок, порождает ряд проблем при оптжетзгции процесса их получения.
Для решения отих проблем необходимы детальные исследования всей последовательности физико-химических процессов, протекащих при напылении пленок, выявление процессов, определяющих качество пленок, и, в конечном итоге, создание фундаментальных основ технологии лазерного напыления.
В связи с отим "актуальным является исследование процесса образования лазерной плазмы при взаимодействии лазерного излучения с клпаенью, дютамкки расширения плазмн в кислороде, осазкдекия частиц на подложку, переноса кислорода в пленку, формирования кристаллической структуры пленок, взаимодействия пленки с материалом подложки и изучение сверхпроводящих свойств.
Особый практический интерес представляет получение ВТСП пленок на подложках из материалов с низкий тангенсом диэлектрических потерь, в частности, на подложках из сапфира.
Создание технологии получения таких пленок необходимо для изготовления быстродействующих приборов микроэлектроники- к устройств, работающее в СВЧ диапазоне. Проблема получения а тих пленок заключается е качественном различии кристаллических решеток ВТСП материалов и сапфира, что приводит к трудностям реализации епитаксиального роста пленок. К дополнительным сложностям приводит- эффект взаимодиффузии на границе пленка-подлогка. Решении перечисленных задач посвящена настоящая работа.
Работа выполнена в рамках проекта "Напыление" Государственной программы по проблеме высокотемпературной езерхпроводимо с ти.
Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование влияния условий напыления ВТСП пленок на протекание физико-зашичееккх процессов, сопровождающих напыление, рост пленок, их структурные и сверхпроводящие свойства. В тем числе:
- выяснение роли основных параметров напыления (давление фонового кислорода, енергия лазерного пучка, разкер пятна фокусировки, расстояние машень-подлогшт) в процессах при расширении лазерной плазмы в кислороде и осаждении продуктов расширения на подлокку;
- исследование возмущающего влияния подложи на образование кластеров и их влияние на стехиометрию напыляемых плзеок;
- исследование особенностей роста ВТСП пленок на подлогасах из сапфира и 2гТ103;
- выяснение влияния температуры и ориентации подложке на формирование кристаллической структуры пленок;
- изучение корреляции условий напыления со структурными и сверхпроводящими свойствами пленок;
- измерение изотопического эффекта по кислороду в епитаксиалышх УВа.гСи307_ь планках.
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований решена важная комплексная проблема лазерного напыления многокомпонентных оксидных ВТСП пленок. Задачи, поставленные
при внгалпеЕРЗг работа, орягппалыш, ж би-та рэшепы вперена. На защиту выкосятся результаты:
~ модель расширения лазерной плазмы в буферном газе v осакдсптся продуктов распшргггяя на /тодттсжу;
- г.наллтаче cicie Е^ракепия, ОЕЛЗнваетде зка чензя параметров напыления (онзргля лазерного куч:;?., плояадь пятна фокусировки, раоотеяназ истень-подгтегоя, пжотнос-ть и температура фонового газа) о параметрами частиц лазерной плазмы (плотность, теьсгзратура), г^акетс/алъным размером пульсзрупщего плазменного факела,, распределением скорости ооакдепкя к стчыюметркк по поверхности подлегает;
- ;.;зтод Кнудсековской сеткк для исследования характеристик, падакадх на поверхность подлог« частиц;
- результаты вреняпролетЕых маос-газктро^этркчеокггх доследований образования кластеров в расицрягкцейая лазерной шгзгмг к в ударном слое, форьируемом у поверхности подложи;
- результаты последованЕя переноса ктолородя при папнлзнак оксидных сверглроЕодгЕ^п: пленок с'поиошьзэ изотопа кислорода',о0.
- результаты исследования роста и свойств ляенотс УСь2Са3СГ ня подлогах кз сапфира, в тол числе:
а) получение етттат'.сиэлышх пленок УЕагСазОх « вксскиг-.н: трэчспортнЕмя свойства!,!!!, • б) результаты исследования да£фузви алямшня кз подлогтст а пленку,
в) результаты исехедоваЕИЯ условий непнлзнпя на характер роста, фазовый состав, структуру, фопоыягА спектр, морфология к СЕерхпронодящко свойства пленок,
г) результат?! исследования сзяыи структурных к свэрхпрОЕОдящшс свойств пленок;
- результаты исследования роста и снойств пленок на подложках из SrTi03;
- результаты исследования изотопического ефзректа по кислороду в
пленках YBagCu^O^.
Нзучпа.ч и практическая значимость результатов исследований.
Результаты работы носят как фундаментальный, так и
прикладной характер. Показано принципиальное шакппге атмосферы фонового газа па расширение лазерной плазмы к стехиометрическое осаждение частиц на подагоаасу при лазерном напылении пленок. Созданы модельная' представления и установлена функциональная взаимосвязь параметров напыления и их влияние на протекание этих процессов.
Выявлены особенности роста ВТСП пленок на подложат, из сапфира и SrTi03. Продемонстрирована возможность выращивания пленок на SrTi03 с анизотропными свойствами.
Разработана технология лазерного напыления епитаксяальных ВТСП пленок с высокими сверхпроводящими свойствами на подлохках из сапфира, что имеет важное значение для использования- ВТСП пленок в устройствах микроэлектроники.
Показано отсутствие изотопического еф$екта по кислороду с точностью 0.1 К в епитаксиальных пленках YBa£Co302.
Полученными результатами завершена работа по теме "Разработка фундаментальных основ технологии лазерного напыления ВТСП пленок, проект "Напыление" Государственной программы по высокотемпературной сверхпроводимости. Полученные образцы пленок в настоящее время используются для создания ряда сверхпроводящих устройств в организациях России и за рубежом.
Апробация работы. Результаты выполненных исследований докладывались на:
- Beijing Int.Conf. on High T0 Superconductivity. Beijing, China. 1989.
- 8-я Всесоюзная конференция то теплофизическим свойствам вещества. Новосибирск, 1988.
- 1-е Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости. Харьков, 1988.
3-й Всесоюзный симпозиум "Неоднородные электронные состояния". Новосибирск, 1989.
- 1-е Всесоюзное совещание по проблемам диагностики материалов ВТСП. Черноголовка, 1989.
- 1-е Всесоюзное совещание "Физико-химия и технология высокотемпературных сверхпроводящих материалов". Москва, 1989.
XI Всесоюзная конференция по высокотемпературной
б
сверхпроводимости. Киев, 1989.
- Second World Congress on Superconductivity,USA,Houston, 1990.
- Topical Conference on Materials Aspects of High-Temperature Superconductors. Germany, Garmisb-Partenkirhen, 1990.
- Int.Conf. on Superconductivity. India, Bangalore, 1990.
- Всесоюзная конференция по формированию металлических конденсатов. Харьков s 1990.
- Int.Synp. on Superconductivity. USA, Orlando, 19S1.
3-е Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости. Харьков, 1992. -XI Всесоюзная конференция по динамнко разреженных газов. Ленинград, 1991.
- 10th Int.Synp. on Plasma"Chemistry. Germany, Bochum, 1991.
- 7-я Всесоюзная конференция по росту кристаллов. Москва, 1988.
- 3rd World Congress on Superconductivity. Munich, Germany, September 1992.
- NATO Advanced Study Institute. Germany, Bad Windcheira, 1992.
- 18th Int.Synp. on RSD. Vancouver, Canada, July 1992.
Содержанке работы.
В соответствии с последовательностью процессов, протекающих зри импульсном лазерном напылении ВТСП пленок в фоновом :<ислороде, в работе рассматривалась следующие Еопросы:
- расширение лазерной плазмы а фоновом кислороде,
- осяждепиэ частиц на подложку,
- перенос кислорода в пленку,
- формирование фазового состава к кристаллической структуры ЗТСП пленок,
- связь структурных и сверхпроводящих свойств ВТСП пленокv
- использзвахшз ВТСП пленок как объекта для исследования изотопического еффекта по кислороду.
Для испарогсил мишени использивался тзердотельнкй :ат^ульсн;й лазэр о длиной волны 1,0б:яо.'. и длительностью л-шульса ~15нс. Мишенью слугсма керамика Y-iBs^CusOx.
РАСШИРЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В <К>НОВОМ КИСЛОРОДЕ. ' В отличие от расширения лазерной плазмы в вакуум, когда после втапа газодинамического усхорения движение газа приобретает инерциальный характер, расширение в фоновый газ представляет существенно более сложную картину.
Продукты расширения образуют характерную структуру, включаыщую першгтау» ударную волну (Р), движущуюся по кислороду, контактную границу (С), отделяющую продукты испарения от ударно-скатого слоя кислорода, и вторичную ударную волну (С) -Рис. 1а . При этом подавляющая часть испаренного
5 'С Р
I
I
&
ГЦ 1 1 1
1 1
вргнр
Рис.1.а) Схема расширения продуктов лазерной абляции в кислороде: 1 - мишень, 2 - пятно фокусировки, 3 - зонд для определения Влях. б)Н-г диаграмма расширения, в) Распределение давления Р, плотности р, температуры Т, энтропии Б в ударном слое Р-8. (Сплошными линиями показано реальное распределение, пунктирными - используемое в модели.)
лазером вещества сосредоточена в слое кожду поверхностями C,S, причем дшженжз отого слоя имеет периодический пульсирующий характер - Рис.16.
С целью выяснения геометрического масштаба амплитуды пульсаций , оценки температуры и плотное ni частиц ударного слоя, его скоростин: влияние особенностей такого расширения на напклеаие шггяок, аналитически решалась система уравнений, списывающая н рамках приближения топкого ударного слоя движение и изменение параметров в слое продуктов испарения SC и .сяатого слоя кислорода СР. Приближения, используемые в модели, шшострируктея рисунком 1в. Асферичность расширения лазерной плазмы учитывалась в начальных условиях задачи. Для отого была .сделана сценка соотношения скоростей, приобретаемых продуктами испарения вдоль поверхности мишени (О* 1) и по нормали к ней ((J*) з процессе газодинамического ускорения, когда влияние фонового кислорода не существенно,
В соответствии с полученной оценкой -
'¡■".■('З-Г
где а = го/хо» хо/го, г0 - радиус пятна фокусировки
ti
лазерного излучения, ха - размер лазерного сгустка в направлении, перпендикулярном' поверхности ыииени в момент окончания, лазерного импульса, Е -енергяя лазерного пучка, Ц -. масса испаренного за импульс вещества.
В результате решения системы уравнений были получены выражения:
: 1) для скорости ударного слоя в зависимости " от расстояния, от области испарения (Ri)
' v.w-fe^-O]'". <г-
q., 9Шхг .
где А = T—; В = Аг+ -LUÍ ; р0>р0 - давление и
А%Р<> 8тс2р0Р0
плотность фонового газа; , 2) для, Максимальной амплитуда колебаний контактной границы
(нта=с., .) (см. рис. 16); I I эА
<«., 1> 1/3 И
¡¡,1 1 ¡,1 I тс2Р0р0 >
3) для давления газа в ударном слое (Р);
Р = (% + .Ур ♦ 0 ' + Ъ - Ус + а ' )
т,п» г - 9 Г т? М + 2/3-7Ш.р§ „Л „„ . где й = Е---^-0^-ЗРо ;
г г
В = 4ГСГо*0Е .
9(12'Е)ЗН9
4) температуры и плотности в слое продуктов испарения Тв, п0 и в сжатом слое кислорода ТР, пр;
\п
^ _ _ К_Г2Кх0г|Р у I
т,я~ %г2х ш I 3(7-1)Е }
еа а-и^а-^ т
"р И1_ (Т+1 -У-1 ' 1в,р-
р" Ир (7+1)Р0+(7-1)Р ' кп„.р
ша - средняя масса атомов испаренного вещества (для керамики УВаСиО ш3-80ат.ед.), ир - масса молекул кислорода, 7 ~ показатель адиабаты,к-постоянная Больцмана;
5) ечергют частиц в ударном слое в гломент его остановки вблизи поверхности подложки Ев, Ер* для слоя продуктов испарения и сжатого слоя кислорода соответственно
Е3.р = | к Гв>р
ю
Рис.2. а> Зависимость максимального расстояния мишень-внешняя граница расширяющихся. продуктов абляции «шах от давленияфонового кислорода при Е = 50 мДж, М = 1 мкг/импульс и различных радиусах пятна фокусировки г0. б,в) Зависимости Еаэнцентраццй атомов .и температуры в слоях р-С и С-з от расстояния мишень-ударный слой «1 при р0 = 30 Па, Е = 100 мДж.
г) Зависимости энергии частиц в слоях р-с и с-а в момент их остановки у поверхности подложки от давления фонового кислорода Р0 при Е =100 цДк и расстоянии мишень-подложка 2,5 см.
Максимальная амплитуда колебаний ятах . 11експериментально эпределялась по границе напыления на тонкий зонд (Рис.1 а). Из зоотношепия ктах,/'г^таг определялся параметр х01 который был
^ Н '
эавен 60 мкм, что согласуется с масс-спектрометрическими гзмерениями скорости частиц лазерной плазмы, расширяющейся в закуум V» Ю5-ю<> см/с при используемой длительности мзерного импульса 15 не. Сравнение експериментально и :еоретически полуденных значений Яв^х ДОМ различных размеров
и
I
пятна (¿скусярошся г0, показгаахое на рис. 2а, демонстрирует хоре глее согласие, что свидетельствует о правильность. выбранной модели. Колебательный характер двиаенля продуктов лазерного испарения мгаэыи УВа^СизОх в кислороде был зарегистрирован о помощью времяпролетного масс-спзктрометра в условиях, типичных для напыления плзнок.
Вычисленные значения темпзрагуры Т3,р, плотности частиц в ударных слоях Х15,р 2 екергик Е5>$> в условиях, типичных. для напыления (см. рис.26,в,г), свидетельствует о сильном влиянии на них фонового кислорода. Снсокие зкачсюш . плотности п. при относительно уыереннкх темпзратурах Т„ создам благоцрияишэ условия для образования кластеров. С помощью ыремклролетной масс-спектроыетрии было показано, что ■ при рземирепии лазерной плазмы вффзктивно происходят образование киолородосодэргсащих кластеров с типичным составом (Уг03)п МО (где }1 - атомы п - О,.. .13) (Рис. 3.).Размер л количество
кластеров растет при увеличении размэра пятна фокусировгог. Еало показано, что увеличение давления кислорода, как к
л г
5 2
V) У
$) N '
за
УЛ
¿¡О
I I
у А
I I
С? V, I ^ О
А],
I I
<? |«а
а
Сэ сГ
'н
500
750 1000 _ 1500 /п/г, ат.^о.
£¡00
Рис. 3. Масс-спектр продуктов абляции мишени У1Бг1гСи30х. ожидалось, сопровождается эффективным усилением процесса кластерообразования.
Полученные результаты, безусловно, не ограничиваются проблемой лазерного напыления ВТСП пленок и могут быть использованы при рассмотрении широкого крута задач, связанных с расширением газовых образований в среду с противодарлением.
Для практического использования особый интерес представляет формула (3), которая в простой форме связывает основные
параметры напыления.
Из полученных результатов следует: Расширение лазерной плазмы в фоновом газе качественно отличается от расширения в вакуум, что проявляется в образовании ударного слоя к пульсацконном характер его движения; сильном изменении характеристик частиц в процессе расширения на масштабах, сопоставимых с расстояниями , мишень-подлокки, используемых при напкяении; образовании кластеров, которое, как будет видно ниже, играют существенную роль в напылении пленок.
ОСАДЦЕНИЕ ЧАСТИЦ.НА ПОДЛОЖКУ..
-Для исследования . возмущающе го влияния подаогаси на характеристики осаждаемых ! частиц, был разработан метод "Кнудсеновской сетки"..Подложа в этом методе моделировалась мелкоячеистой сеткой прозрачностью 155? и' размеров* отверстий 2 мкм, что значительно меньше длины свободного пробега . частиц в лазерной плазме (Рис.4). Энергия и состав частиц, пролетевших V ~ ï 4 ' 'Рис. 4. Схема оксперимента.
г-—, \J - ' ■ 1 -мишень,.2-пятпо фокусировки,
î ^ ' | 3 - Кнудсеновская сетка, 4 -
времяпролетный масс-спектрометр.
сквозь отверстия, регистрировался ■времяпролетным
масс-спектроиетром. •1 \ ; •
Результаты ыасс-спектрсиетркческих исследований, полученных при использовании сетки^ к в ее' отсутствие, т.е. при свободном расширении лазерной ' плазмы, "окпзали, что перед подложкой формируется ударный слой, , в . котором происходит замедление частиц и еффективпоз образование кнастеров. При радиусе пятна фокусировки ■ го=0,1мм кластеры образуются тольно при использовании сетки (Рис.5). При го=0,1бмм в случае о сеткой кластеры регистрируются при ».¿статей: плотности: енергии и имеют большие размеры.
На рис.6а схемаг-кчно изобраг:ек момент, когда ударный слой продуктов распиренил' лазерной плазма достиг поверхности подложки. Видно, что для того, чтобы испарившиеся с мишени
ОвО-*2°3
< -УП°16
■ Рис. 5. ■ Интенсивность пиков 9 соответотвужзцшс.., клаотерам *20з и в
иасс-спбктрах . для различных радиусов пятна -фокусироаки в зависимости от клотнооти.< энергии • лаз ерногсг излучения.. ;
I 2
плотность энеры*и,Огк/см?
частицы достигли. поверхности подложки, ■ они должны продйф5ундаровать>через 'сжатый" слой кислорода .С-Р. Т.к.,-параметры скатого слоя зависят от- угла- а, то состав в количество продиф$ундировавшихчастиц также будет меняться по поверхности подложки с изменением угла а.
Для оценки этого эффекта в рамках модели диффузии из тонкого источника была получена приближенная формула для зависимости скорости осаждения О от угла а, энергии лазерного импульса Е, давления и температуры фонового кислорода (Р0, Т0) и расстояния мишень-подложка ([>):
0(а)=г-
Т0Е1
-Г в совЗа * 1
)ехр(-
аьрс
ТоСб совЗа + 1)соЕа
) (4)
где в = --—5—в в'- , Ъ - коэффициент пропорциональности,
25/31СР8/3 Ьа
О 05 Н1
5 = —'■---, Ы - число Авогадро.к. - постоянная Больцмана,
к1 /г
о - эффективное сечение рассеяния частиц на молекулах фонового кислорода, являющееся в данном случае свободным параметром.
Угол ос, градусы
Рис.6. а) Схема взаимодействия ударного слоя с подлоккой. б) Угловая зависимость толщины пленок, полученных при различных давлениях Р0.
о) Угловая зависимость отношения концентраций атомов меди к атомам иттрия в пленках.
Значение сечения О подбиралось при сравнении зависимости 0(Ш, полученной по формуле (4) с експериментально полученной зависимостью толщины напыленной пленки от утла а.
' Экспериментальная и.теоретическая зависимости 0(а> для двух значений давления ,Р0 и сечения о = 0,5•10-16 см2, показаны на рис.66.
Для исследования влияния диффузии через ударный слой на стехиометрию напыляемых пленок методом 1СР, измерялась зависимость соотношения концентраций элементов в пленках У1Ва2Са3ох в зависимости от угла а (см.рис.бв).
, Теоретически кривые на рис.бв представляют собой отношение > зависимостей О(а,а)/О(а,о1), подученныхв соответствии о :'- 'У для различных значений сечений о. Цри атом для
; . частиц:меди использовалось полученное выше значение. 0,5-Ю"16 :смг, а значение а для частиц иттрия подбиралось. Представленным '•' на рис;бс кривым . соответствует 0-)=10-16 оиг, т.е. сечение ; ,рассеяния.для чаотиц иттрия вдвое , превышает сечение'-для- частиц : мзди.;' Подученный -.результат, коррелирует с . результатами..;. ' 'С ' ма^с-схюктрометрических Исследований, - согласно - которым именно ■ '_^;атЬ»ы-*1*;.«ттрчя: -'^¡эффективно' ¿¿разуют. ; кластерными. \ * "рио .3) .. -.: ;; ^^тесявеввОд чтоороотомраз^]Ювкла их г
V V ; сечение рассеяния.- . ■■.-,.'.- «Г -Л'.Л" . '-. •; - -' л; соответствие ^ модельного -■ описания .
~ /екс^^шеетальных' результатов свидетельствует о ои^нои^ влиянии . 1', -*-С',' ударного сдая^аа расцредёление. толщины и. стехиометц^ пленок и '..н-'' ■ - отрицатеэй>ной роли кластеров с точки зрения стеет<^трического -те^но'са .вещества на годлр*^^;'С-ш>мощью полученной формулы .4; , ,'
'"'■■'■К которая связывает ати расщюделения с
......................
.. - . ..,.. * Чз
• 3
? - §2
... а .
- ? .
о
СцД ; ¡ -' ' '" ' ' '' .V
' Ва/У лЬ-
—<-■'- ■ ' . ' .i—i—1 ._ ■
Рио. Т. Отношение
концентраций Cu/Y и Ba/Y в пленках в зависимости от температуры подложки Т». ••'•
г.200
400
600 Ve
800
можно определить область стехиометрического напыления,- которая увеличивается, с увеличением энергии Е и уменьшением давления Рс и расстояния !.. . л '.-',
; Ва*ныифактором, влня11ЦИм на стехиометрию осаздаемых' .пленок, является й температура подложки .Как видно из рио. < 7, при пониженных температурах шдложки наблюдается избыток меди, а при повышенных - ее недостаток. Исходя "из изложенной выше /моддли, избыток меди можно . объяснить' относительно большой скоростью даффузии атомов Си в.сжатом слое. Однако, учитывая
то, что медь являемся наиболее слабосвязанным металлом в
системе 123, с повышением температуры подложки коэффициент
осавдения ее мокет уменьшиться существенно быстрее, чем для Ва и У, что в конце концоз и приводит к ее недостатку.
ПЕРЕНОС КИСЛОРОДА. В ПЛЕНКУ.
Для исследования каналов переноса кислорода в. пленку У1ВагСазОг при лазерном напылении применялся изотоп кислорода 1в0. Методом вторичной ионной масс-спектрометрии измерялась концентрация изотопа 180 в пленках УВа2Си30к, полученных при использовании-изотопа на различных этапах синтеза пленок в соответствии с таблицей 1. Из данных, приведенных ;в' таблице было расчитано, что. количество кислорода8 переносимое из мишени в планку, во время напыления,составляло .а; количество
.при> охлаздешп*;; - путём обмена иегду;; •пленкой и кислородной атмоаферой дботиг'ало 90%.> '-'г-> *'••.'•.•-/•*•', "••'•':<'"' '■'г';'.';; ; ; Таблица .1 .. .;•• -"¿'.Ч/'
;Режим. '•' капылегщя -.Кислород; '"в' цилени . .Атмосфера; .•¡К^^црап*..--напылении: г Атмосфера.-! •' ,!грн 1 охлаздешп!;. Концентрация,-изотопа-180 в -. л пленках-. . -'о.Л-:> •
V во-.,: \ .-»¿о •. у' У 1)^0 . .'•;-; ..•' <«• \ •.•'••'■г. V- •
/образованием-' -квсмю^да(^даркацшс:;:'^июстерЬв,.'' котерив?;' могут»- 0 переносить.' в пленку уве * • связанный кислороди : Тем самым -'••';"• 'благоприятно влияют на .образование фазы У1ВагСи3Ьх (123)'Дп 51Ъи.
ФОРШРОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВТСП ПЛЕНОК. ';. .
■ л-
на
■ Параметрами определящими . формирование микроструктуры пленки являются плотность, состав и энергия осаадаемых частиц, температура, материал и ориентация подложки. Что касается
характеристик осаждаемых частиц, то, как показано выше, он» определяются условиями расширения лазерной плазмы, а именно энергией лазерного пучка Б, размером пятна фокусировка г0, давлением фонового кислорода Р0> расстоянием мишень-подложка Ь и свойствами мишени, от которых может зависеть масса испаренного вещества.
Для исследования влияния температуры Т„ на формирование фазы 123 проводилось напыление пленок при различных значениях Т» с сохранением значений других параметров. Фазовый состав пленок анализировался новым методом дифференцирующего растворения (метод описан 'в работе - Малахов и др. Журнал, аналитической химии.1992,т.47,о.484.), позволяющим анализировать микроколичества примесных фаз с точностью до 10~7 г.
В таблице 2 продемонстрировано влияние Т„ на содержание фазы 123 для пленок УВаСиО на сапфире, а также примесных фаз, включая диспергированные (распределенные более менее равномерно со объему пленок) и локализованные. Там асе приведены ориентационные (углы разориентации кристаллических осей С и аЬ) И сверхпроводящие свойства пленок(Т0, ).
Таблица 2
Температура Содержание Содержание Углы То(В=0), io(78K),¡
подложки фазы 123 цримесных разориент. к 1О7А/см*
С ° пасс.X фаз.ыаоо.% во/в».ъ. град.
лок.! дис.
20 36 30 | 31 - -
100 37 26 j 32 - - -
300 51 24 ¡ 22 - - -
420 91 - S 9 - - -
500 94 - I 6 - - -
620 87 3 j 10 - - -
750 78 11 8 5/10 87 0,25
780 89 8 2 3/6 89 0,8
800 78 15 ¡ 5 6/- 85 0,04
Из таблицы видео, что максимальному содержания фазы 123
соответствует температура Т, « 500оС. Однако пленки, полученные при етсй температуре, на. являются сверхпроводящими, что объясняется их структурным несовершенством и низкими ориентационными свойствами. Напротив, плешей, полученные при Т0 « 700т800сС, несмотря на несколько меньшее содержание 123 фазы, впитаксиальна и имеют высокие транспортные свойства. Примесные фазы в них локализованы, что свидетельствует о наличии совершенных протяженных монокристаллнческих областей.
Частный интерес представляет наличие фазы 123 в пленках, полученных при комнатной температуре.- Присутствие втой - фазы подтвердилось такзе результатами ИК спектроскопии. йормирование фазы 123 при пониженной температуре объясняется относительно высокой анергией осаждаемых при лазерном напыления частиц. Этой энергии, как видно, достаточно для ' стимулирования реакции образования фазы.123. Полозктельнув роль здесь, видимо, играет ж перенос кластеракк связанного кислорода.
Наряду ■ с другими технологическимя параметрами,' материал и ориентация подлогкп сильео влияет на структурные и . сверхпроводящие свойства пленок. " .
■ V Одним из_ наиболее "удобных" для напыления ВТСП. пленок материалов подложек является БгТЮ3. . Хорошее структурное соответствие БгТЮз с ВТСП,материалами и химическая инертность позволяют сравнительно легко реализовать впитаксиальный рост ВТСП пленок и получать высокие транспортные свойства, причем углы разориентации кристаллических осей пленок, практически определяются совершенством (кристаллической Сложностью) : подлоаек. Методом рентгеновской дифрактометрки в работе показано, что для ¥-Ба-Са-0 пленок, полученных в довольно широком диапазоне условий напыления, ориентация оси с пленок совпадает с направлением 001 подложки независимо от ориентации■ ее поверхности. Таким образом были получены епитаксизльные пленки с Т0=91 К и Зс(Т8)>106 А/см2 и с осью с, направленной под различными углами относительно нормали к поверхности подлояки (а), в диапазоне а = 0 -5- 45°. Пленки с а И 0 обладают анизотропиыыи сверхпроводящими свойствами, что может использоваться в прикладных целях, учитывая, что фактор анизотропии мозгат задаваться изменением ориентации подложки.
Несмотря на удобство использования подлоаек из SrTiÖ3 для выращивания высококачественных вшгтаксиалышх ВТСП пленок, этот материал обладает существенным недостатком. Большая величина тангенса даелектрических потерь препятствует использованию SrTi03 в микроволновых и быстродействующих устройствах. Одним из наиболее привлекательных материалов, с этой точки зрения, яляется сапфар, широко используемый при создании устройств микроэлектроники и микроволновой технике. В связи с. этим, основные усилия в данной работе были направлены на' исследование условий роста YBaCuO пленок на сапфире с' цель» получения высоких сверхпроводящих характеристик.
После многочисленных неудачных попыток выращивания ВТСП пленок на сапфире, в первые годы после открытия высокотемпературной сверхпроводимости, сформировалось
негативное отношение к этому материалу, как к неперспективному. Из-за взаимодиффузии на границе пленка - подложка в процессе синтеза и из-за качественного несоответствия гексогональной кристаллической решетки сапфира с решеткой ВТСП материалов, выращивание высококачественных епитаксиальных пленок представлялось проблематичным.
Однако, правильный выбор ориентации подлогски (1012) и оптимизация условий напыления позволили в даной работе получить ' епитаксиальные пленки YBaCuO на сапфире с плотностью критического тока j0(7810=107 А/см2, что соответствуют лучшим достижениям даже для пленок, выращенных на подложках из SrTi03.
IIa рис.8 показано расположение атомов алюминия на поверхности сапфировой подложки с ориентацией (1QT2). Видно, что атомы образуют псевдокубическую структуру, что и позволило реализовать епитаксиальный рост. Здесь see показана ориентация осей а, Ь пленки, полученная из данных рентгеновского дифракционного анализа. Попытки se получить епитаксиальнул пленку при других ориентация! подложки не привели к успеху.
Для изучения диффузии аллкминия в пленку и ее влияние на фазовый . состав использовался метод диффзренцируаяцего растворения. Зависимости концентрации элементов в растворителе от времени, что соответствует распределению фаз по толщине пленки для поликристаллического и е пит аксиального образцов
т,pceKiL.it* оси С подлог- к и
■ сриенгаи,»* г • - _ А *
СС^ тыки
Рис. 8. Схема расположения атомов аллжминия па поверхности подложи и направления осей а,Ъ пленки при ориентации подложки (10Т2). показаны на рис.9. Видно, что в епитаксиальной шзешсе продиффунднровавпие атомы аллшминия локализованы на границе с подложкой, а в поликристаллической аллюмикий регистрируется по всей толщине и особенно на поверхности пленки. На рис.10 показано влияние температуры Та на суммарное содерасгние аллкминия в пленках. Видно, что с ростом Т3 концентрация Л1 увеличивается, однако в условиях впитаксиального роста происходит резкое ее уменьшение. Эти данные позволяют сделать вывод о том, что диффузия аллюмшшя происходит по границам гранул и кристаллическим дефекта),«. При эп^таксиальном росте уже на первых этапах напыления растущая пленка бистро образует сплошной, хорошо сформированный слой, который и слуашт барьером для диффузии аллкминия.
Роль начального етапа роста хорошо иллюстрирует рис.11, где показаны температурные рэг:имы напыления. Соответствующие этим регымам сверхпроводящие свойства пленок (Т0, проставлены у кривых. Видно, что увеличение температуры подлогам Тя относительно оптимального значения приводит к потере сверхпроводящих свойств. Однако, если напыление нескольких !,:онослоев происходит при оптимальной Тя, то дальнейшее ее изменение слабо влияет на качество пленки.
Структурные свойства первых слоев пленки определяются скоростью образования зародышей фазы 123, которая увеличивается
■п
о
а
и х-
<У / .1
о
Г*.
гг
о £
о
5«
„в* . / 1
АЕ вес
/7
/V \\
а.
<0
у/
I. ж.
го
«о
м .
ю го
Ьр&ьхр. рас.г8ормия, мин.
Рис. 9а,б. Кинетические кривые растворения, епитаксиальной и поликристаллической пленок У1ВагСиз07 соответственно.
'йз ^ 1
52 0
400
О- ноли-Ир.
А
о
/
Рис. 10. Зависимость концентрации атомов аллшшсши в пленках от температуры подлокки.
,-лцитаис.
600 &С0
ъх
с понижением Т8, увеличением потока падащнх на подлокку частиц и уменьшением их анергии. В раыках этих представлений можно
750 —
т££< 78К
(78Ю=1.5-10бд/сн2 напыления.
Ряс. 11. Схема температурных ре гонгов
0 12 3
бргня напылений, гмн.
объяснить связь параметров напыления со сверхпроводящими свойствами, проиллюстрированную рисушсаии 12а,б. На етих рисунках видно, что уменьшение температуры Гя в некоторых пределах может быть скомпенсирована уменьшением давления фонового кислорода Р0, либо увеличением расстояния мишень-подложки С. Действительно, при уменьшения Тз скорость образования зародышей возрастает. В то же время уменьшение давления Р0, как показано выше, приводит к увеличению энергии падающих частиц, и, соответственно, уменьшению скорости
т (1Н)>,к
с
83 86
84
Т (Е=0),К с 88
84 80
- Т<Г?!ЛЛ 770
аоо
Рис. 12а,б. Зависимости Тс от те«перлтуры шдшца Т» для различных давлений Р0 н от расстояния мншень-подлошса Ь дин р азлзгшых Т» соответственно.
15
-ЙПЦ«"*-
зародышеобразования. Увеличение see L сопровождается уменьшением потока чаетиц на подложку и приводит к аналогичному аффекту.
Характерной особенностью YBaCuO пленок на сапфире является то, что они имеют С ориентации при любой ориентации ~ подложки. Такая ориентация характерна для слоевых структур и свидетельствует о слабом ориентирующем воздействии сапфира. С . другой о горюны,, как отмечалось выше, ориентация YBaCuO плевок на SrTi03 от сдваивает ориентацию подложки.
Сравнивая особенности втих двух типов , подаокек, lsozho отметать, что впоргия взаимодействия пленка-подложка для сапфира низко, чем для БгТЮз. Так отличие в. енергии взаимодействия проявляться в сдвиге оптимальных .значений, параметров напыления для случая подложек из SrTt03 относительно значений, соотватствугацих использованию сапфировых подложек.
' лазерного ■>„ излучения, - при ^'. ; прочих. равных -.-Параметрах, на оверхпроводяшие: свойоиза пленок:'на' ~ сапф&ре ¿йгТ 103. что
здщслучая'о■ БгТ10з' оятюмальнц©' пяотоотЬ:в1юрящ сдвинуты в страну больших, значений, что-можно объяснить, большей энергией связи, пленка-подложка. Действительно, скорость образования зародышей возрастает при увеличении энергии связи и уменьшается при увеличении энергии адсорбируемых частиц. "Энергия же адсорбируемых частиц, в свою очередь, возрастает при увеличении плотности енергии лазерного излучения.
гч
Структурное несоответствие кристаллических решеток УБаСиО и сапфира проявляется и/ при напылений- "толстых^ шгейок. Для исследования изменения ориентационных свойств пленок с ростом ' толщины использовался метод комбинационного раосеяния (1СР). Использовались ^вэ схема измерения. . В . тарвои.. случае пробный пучок был направлен на пленку со / стороны; подложки, , соответственно измерялись' ортентацгонныё 'свойства слоев плёнки, вблизи границы о подложкой. Во втором, случае • измерения проводились .по стандартной схеме, где пучок был' паправлен па -Ш9ЕНКП поверхность пленки. '', -л:
J . ТоЛЩИНа •50' НМ . 4оо ни-,'
КР Пробный пучок со ." стороны пленки--- епитакс;/.;- * • поликрнстал.
Дробный,-пучок, со . стороны подложки - епитако.' v епитако..
Рентгеновская дифргкто- ... мэтрия апитакс . ; епитахс. . ~ '■
Плотность крит. ' ■ '■• тока (78 К), А/смг . . 1QT . "lo?
Результаты измерения для . плёнок толщиной ■ 50 и. . ,. 400 нм, представленные в таблица>3 показывают, что если, первые слои пленки растут е пит аксиальното внешние сдай разориентированы в, плоскости аЬ, т.е. полукристаллические. Изменение ориентационных свойств с уве'личениеи толщины пленки объясняются накоплением дефектов, являгщихся результатом ' "сбрасывания" напрягеней, возникающих в первых эпитаксиальных слоях из-за структурного несоответствия.. Этим объясняются проблемы получения высоких транспортных' свойств в толстых пленках.
СВЯЗЬ СТРУКТУИЫХ И СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СВОЙСТЙ ПЛЕНОК.
; Как (Зыло отмечено выше, епигаксиальный рост пленок YBaCuO на подложках из сапфира - реализуется в относительно узком. диапазоне параметров, напыления. Выход, из этого диапазона приводит к разориентации пленок в плоскости ab. Сопоставление свойств епитаксиальных-и поликристаллических пленок приведено в таблице 4, которая составлена по результатам
анализа нескольких сотен образцов пленок. Там zee, для сравнения показаны свойства епитаксиальных пленок на SrTiOs и массивных ионокристалличесхих образцов.
Таблица 4
Образцы У1Ва2Си30х С ориентир, епитаксиальн. пленка на сапфире С ориентир, подикрист. пленка на сапфире С ориентир, епитаксиальн. пленка на SrTiOa Монокркс талл
Разориентация осей а,Ь град. Разориентация оси с град. ЬтТ ~ 3 ~ 1 < 0,5 < 0,5 0 0
Величина параметра С, « 11,684-11,69 11,664-11,68 11 ,664-11,68 11,66
Положение максимума пика в спектрах комбинационного рассеяния, см-1 3324336 3374339 338 338
Тс, К ВЫ-УО ву4-уг УЗ
Плотность крит. тока (78 К), А/сн2 10®-г10т 10*4-105 > 106 —
Концентрация аллюыиния в пленках, масс. % < 0.05 1 — —
Видно, что углы разориентации в плоскости а,Ь для епитакспальных пленок на сапфире существенно больше, чем на БгТЮ3, и составляют 6«.ъ(А1г03)=6°. Величина 8аг>(А1г03) обусловлена структурой поверхности сагфгра, где углы между осями псевдокубической решетки составляют 94 и 87 градусов (см. рис.8).
Обращает взимание, что угол разоркентации оси с 9С(А1203) больше для а пит аксиальных пленок, чем для поликристалличаских. Это отличие мранс объяснить теь:, что при поликристаллическом характере роста, когда анергия взаимодействия пленка-подлохка сравнительно мала, ориентация кристаллических осей определяется анизотропными свойствами материала пленки. В случае слоевых ВТСП материалов минимуму свободной анергии соответствует с
. ориентация■'"'■^ штвнок. "' Пря; эшггаксйа^шм' ¡росте енергия вз агата действия-.' йдэнка-подюкка ■■возрастает :. и. ■ проявляется • \• ориентируюарй еф$ект подлогвех. Однако при епитаксиальном . росте • .."отличии от
; -случая - подложкой из-. .ЙгТЮз не достаточно,. чтобы-'у*-'^..\|''©нер.гйз1'',*'''""". реализуемый;'--' при- ' С •'••■ рртантировавном. росте у. и ориентирующцй аффект .мдавт ■ проявляться
?: • Несоответствие крясталл^эских рошеток УВаСиО и сапфира-при ' ' ашта1сскальномЦ"' :рос!ге:' ... также■ -. " к - деформации
■'" кристалгатской' решетки.щмнкиу/, Это • проявляется"'-: а изменении .'вёличетшлпараметра С,, которая больше для епитаксиальныхкленок, -■ чем для полккристалличесюп (см.отроку 3 таблзйщ 4). Увеличение '.'. .параметра, ¿.происходят п при недостаточном насыщенйи кислорода ; пленки. Однако'анализ большого количества образцов с вариацией условий;., термообработки их ".в кислорода позволяет интерпретировгть приведенные данные'как результат деформации. Более того, анализ КР спектров показал, что пик 338 см-1, соответствующий колебаниям . атомов в Си-0 плоскости, . для опитаксиалькых пленок сдвинут в область 334 см"1 (строка 4 таблицы 4). Так как положение данного шпса не зависит от содержания слабосвязанного кислорода в пленках, то можно утверждать, что зафиксированный сдвиг является результатом напряжений, возникавши» зследствии деформации решетки.
Безусловно, особенности кристаллической структуры отражаются в! сверзпроводящих свойствах пленок. В строке 5 таблицы 4 приведены типичные значения температуры сверхпроводящего перехода Тс. Видно, что Тс для епитаксиальных пленок на сапфире несколько ниже, в ряде работ было показано, что напряжения, возникающие при сильном сжатии высокотемпературных сверхпроводников, приводят к сдвигу Тс. Зафиксированное здесь уменьшение Тс для епитаксиальных . пленок на сапфире скорее всего также является результатом напряжений, возникающих при деформации кристаллической решетки. Максимальная же плотность критического тока в епитаксиальных пленках на несколько порядков больше, чем в поликристаллических. Столь существенное различие в трудно
• объяснить только рззоркантациой монахсристалличеегсах блоков. В нижней отрока таблицы наказано усредненное содержание аллмлкнкк в пленках. Для епитаксиальных пленок количество аллюшшкя существенно ниже, и, более того, как было показаны выше, аллпминий локализован на границе пленка-подлокка. Т.е. для поликристалличбских планок атомы аллюмиия, диффундируя по кекгранулышм границам и деффекткл, способствую? образованию прослоек из песверхпроводящих примесных фаз. Как . следствие, образуются слабые связи, которые и являются основной причиной резкого уменьшения .
ЙССЛВДОВАШ® И30Т0ПИЧЕСН0Г0 ЭФФЕКТА ТО КИСЛОРОДУ. , , ' Исследование изотопического эффекта в высокотемпературных сверхпроводниках требует жесткого контроля их характеристик. Б данной работе в качестве объекта исследования были использованы " ;' :• эпитаксиальные пленки, , что - упростило контроль^ степени . изотопического замещения и структурных свойств. Чтобы свести к минимуму влияние подлоажи, пленки УВаСиО напылялись на вгТЮз. ' Исследовалось влияние изотопного замещения кислорода 160 к 180 ' температуру сверхпроводящего перехода. "Замещение ' кислорода производилось двумя путями:. Чп б1Ло. к .термообработкой в ■-• ■ астюсфере изотопа. • '■.-Ч-;.'"' * Ч \-*- '■, ' '.•"' ■
■' .• .В первом, варианте напыление, - и . охлаздение образцов проводилось в атмосфере соответствующего изотопа 1®0 ж '60. При ."-. этом мишень , также была обогащена 7соогаетствуициц изотопом .. кислорода. Такой путь позволил исключить . возможную селективность, замещения для различных позиций ' кислорода. В результате было 'изготовлено/:две^ группы;' 'пленок с/ изотопом кислорода. 1бО и Степень обогащения образцов изотопом 180
по данным вторичной ионной масс-спейтром'зтри^ и комбинационного рассеяния составляла . •
С целью выявления влияния то;ш:>лС'1:иче ского фактора на Тс при изготовлении пленок варьировались условия капнлэния и было получено 60 образцов с различными значениям Тс, лежащими в диапазоне 88 4- 91,6 К, и шириной перехода 0,5 ■: 1 К.
Исследование структурных и сверхпроводящих свойств образцов показало отсутствие однозначной корреляции между величиной
параметра с и значением То.Одной величине параметра с могут соответствовать различные То в диапазоне злачегой 88-91, бК и наоборот, образца могут яметь одинаковые То, но раз.'сготун ьеличлиу С в диапазоне 1,166-1,170 нм. Огседа слодузт, что Ее.тачппа параметров кристаллической рзпотки не является однсзпачнсм критерием сравнения качэсгза образцов. СуцостЕ.ошгсе вгтгяина па Тс, повидпмсму. оказывает ьэлкчица и характер распределения дефектов кристаллической 1>егаетки. Е пользу отого свидетельствует замеченная корелтцм сщляти гнког? на роп'.теповской днгёрзктогракелз с Тс.
В ряде работ било показано, что при прибл1гант;.1 величины индекса по кислороду ;; х-Т значение Тс проходит через максимум. В связи с откм, а такг:з учитывал . проблегш при хэрг.;ктзр:гзгцгм образцов, в качеств® критерии срапненися пленок с разным изотопом ¿сяслорода, было выбрано максимально*} значен;« Тс внутри каждой: из даух груш образцов. ' Максимальные Тс составляли 90.5 а 91.6 К для пленок о изотоп.якм Л60 л 1С0 соотнето'/вбхгио. Тшскм образом, с точностью 0.1 К, что соответствует погрешности определения Тс, сдвига температуры сверхпроводящего перехода при замещении изотопов кислорода 1п не зафиксировано.
Во втором варианте, при замещении изотопов термообработкой пленок в атмосфера соответствующего изотопа кислорода также, как и при замещения з.п -~1ги, основной проблемой является проведение процесса замещения с сохранением гсех структурных свойств образцов. Было показано, ' что в зависимости от температуры термообработк,и температура Тс могсет сдвигаться в пределах 1 -г 2 К. Отот ьффект я проблемы характерпзацки структурных сеойстз объясняют существовавший в
литературеразброс результатов исследования изотопического еффзкта. Чтобы исключать влияние «эффекта термообработки на результаты измерений, проводилось термоциклироЕание образцоз в исходном изотопе киллорода до тех пор, пока значение Тс не стабилизировалось, и последующая термообработка не приводила к изменении температуркой зависимости сопротивления. После отого термообработк!! проводились -б атмосфере другого изотопа кислорода. Степень обогащения по 130, достигаемая при такой
•¿Рко^/Ц;/ Спектры комбинационного: 'рассеяния образцов с 160 и 1в0.;
• ;••/:■ ' Рио.15.^ Температурные / зависимости електросопротивления - ^ ¿ > образцов:
{V"' (1СЮ) и (310). ^ ^ '•. . '
О
86г&. ъо : 92 ,;
термообработке, составляла "80%. На рис.14 'показана спзгстрк * коыбинационнохчэ рассеяния для полученных образцов с 1а0 и "'^О■">.. изотопом. Отчетливо проявившийся при замещении" сдвиг пиков . в области 338 см-1 свидетельствует об изменении внергии фононов. •..
-Однако результаты измерения "температурных зависимостей электросопротивления образцов до и после замещения -изотопов показали их совпадение в пределах погрешности измерения температуры, составлявшей 0.1 К. Эти зависимости, полученные для пленок с различной ориентацией, показаны на рис.15.
Таким образом, оба подхода при замещении изотопа кислорода
привели к одному результату, свидетельствующему об отсутствии изотопического сдвига Тс о точностью 0.1 К.
ВЫВОДЫ
В результате работы проведены комплексные експериментальные и теоретические исследования на основе как традиционных, так и новых методов. Результаты исследований позволили создать общую картину протекания процессов при лазерном напылении высокотемпературных сверхпроводящих пленок, и выяснить влияние этих процессов на их сверхпроводящие свойства, в том числе:
1. Установлен и исследован эффект влияния атмосферы фонового газа на расширение продуктов лазерной абляции при напылении оксидных пленок. Разработана модель расширения. Показано, что расширение продуктов абляции происходит в виде тонкого квазисферического ударного слоя и имеет периодический пульсирующий характер. Получены и вкспериментально проверены аналитические выражения, связывавшие технологические . параметры с амплитудой пульсаций и характеристиками частиц в ударном слое. Расчет показал, что в ударном слое реализуется высокая плотность частиц при умеренных температурах, что создает благоприятные условия для образования мастеров.
2. Показано, что в лазерном факеле, присутствуют кластеры, имеющие конденсационную природу. В случае использования мишеней Т1Ва2Сиз0* кластеры состоят преимущественно из атомов иттрия и кислорода. • •
3. Разработан ыетод Кнудсеновской сетки, позволяющий с помощью времяпролетного масс-спектрометра измерить состав и анергию частиц, падающих на поверхность подложки. Показано, что при взаимодействии лазерного факела с поверхностью подложки формируется схатый газовый слой, в котором происходит дополнительное образование и рост кластеров.
4. Установлено и исследовано влияние сжатого газового слоя на осаждение частиц. Предложена модель диффузии частиц в скатом слое к поверхности подложи. Получена и (экспериментально проверена аналитическая формула, связывающая технологические параметр« при напилении с угловым распределением толщины и стехиометрии пленок. Показано, что образование кластеров, имеющих большее сечение столкисвешм, 'л, соответственно,
меньшую скорость диффузии, приводит к искажению стехиометрии катхляемых пленок.
5. Исследованы каналы переноса кислорода в пленку Y-Ba-Cu-C гфи синтезе. Показано, что при напылении до 30 % кислорода переносится в пленку из мишени кислородосодеркащими кластерами. При охлаадении образцов до 90 % кислорода замещается в процессе обмена с атмосферой.
6. Разработана технология лазерного напыления эпитаксиальных пленок "^ВагСизОх на подложках из сапфира с плотностью критического тока при температуре кидкого азота до 10т А/см2. Показано, что 8питаксиалы!ый рост реализуется при ориентации подложки (10Т2).
7. Показано, что диффузия аллшдшия из сапфировой подложки в пленку Y&iCuO происходит по межгранульнкм границам и дефектам. При епитаксиалшом росте пленка сама является барьером для диффузии и аламинкй в пленке практически отсутствует.
8. Показано, что при епктаксиальном рооге YBaCuO пленок на сапфире из-за несоответствия кристаллических решеток происходит искажение решетки Пленки. Как следствие, происходит сдвиг характерные частот фэнонных колебаний. Температура сверхпроводящего перехода в опитаксиальных пленках меньше, чем в .поликристаллических, однако плотность критического тока на два порядка выше, что является следствием, образования слабых связей в. полиЕфисталлических пленках ■ в результате диффузии алламшшя.
9. Показана определяющая роль начального втапа роста пленок YBaCuO на сапфире. Именко начальный етап роста, когда
• формируются зародыши сверхпроводящей фазы, требует наиболее жесткого выдерззгеания услопкй напыления. В рамках представлений о влиянии скорости образования и рос^а зародышей проинтерпретирована взаимосвязь технологических параметров при напылении. Показано, что при увеличении толщины пленки на подлсгсках из сапфира евншо нескольких тысяч ангстрем, епитаксиальный рост переходит в поликристаллнчеокий.
10. Показано, что ориентация оси С пчапок YBaCuO на подложках i-3SrTi03 совпадает с направлением оси (001) подложки независимо от ориентации ее поверхности. Это позволяет получить пленки с
ось» о направленной под различными, углами к поверхности
обладающие анизотропны*« свойствами.
11. Показано, что при замещении изотопа кислорода 1 б0 на 130 в
пленках Y-i Вз2Са30- сдв;гг температуры сверхпроводящего перехода
Тс отсутствует с точностью 0,1 К.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1. Предтеченский М.Р., Новопашин С.А. Газодинамические явления при разлете лазерной плазмы // В сб.Ньразновескые процессы в одно- и двухфазных системах под ' ред. А.К.Реброва, изд-во Института . теплофизики СО АН СССР, Новосибирск, 1981, с.8-9.
2. Варламов Ю.Д., Врацких В.О. ,• Нредтеченский М. Р., Рыков А.И., Турбин А.В., Текстурировзнные "сверхпроводящие Y-Ba-Cu-0 пленки на подлокках из сапфира // Письма в ЗКТФ, 1989, т. 14, вып.22, с.2068-2070.
3. Варламов Ю.Д., Врацких В.Ф., Предтеченский М.Р. Получение и свойства сверхпроводящих Y-Ba-Cu-О пленок на подложках из сапфира // Новосибирск, 12 с. (Препринт / АН СССР Сиб. отд-ние, Ин- ститут теплофизики, (J 190, 1988 г.).
4. Варламов ¡О.Д., Врацких В.Ф., Предтеченский М.Р. Способ получения пленок металлооксидных высокотемпературных сверхпроводников // Заявка N 4497030/21 приоритет от 2.09.88г.
5. Bulgakov А.V., MayorovA.P., Kozlov B.N., Pilyugin I.I., Shchebelin V.G., Predtechensky M.R. Mass-spectrometric study of the process for high temperature superconducting film deposition // Progress High Temperature Superconductivity, 1990, v.22 p.109-111.
6. Варламов Ю.Д., Смзль A.H., Смирнов C.H., Турбин А.В., Предтеченский М.Р. Связь сверхпроводящих сбойств и структурных особенностей гранулированных Y-Ba-Cu-0 пленок // СФХТ, 1990, т.З, N 3, с.461-468.
7. Predtechensky M.R., Smal" A.M., Srairnov S.N., Turbin A.V., Varlanov Yu.D., Vrstskikh V.F. Growth peculiarities and superconducting properties of granular YBaCuO film3.//
High-Temperature Superconductors. Material Aspect.Ed. Ii.С. ¡?reyhar<it, E.F. Lakiger, M. Peuckert, InforoationE-geseilsch&Ert..'Verlag. p.463-468.
8. Predtochenaky M.R., Smal' A.N., Gaitnov S.U., Turbin A.V.. Varlamov Yu.D. Correlation between critical parameters with orientation of superconducting Y-Ba-Cu-0 films // Progress HilL Temperature Supeicoc(?"ctivity, 1390, v.22.
9. Варламов Ю.Д., Брацких В.Ф., Золкан ¿.С.,Предтеченский М.Р., Смаль А.Н., Щухов Ю.Г., Турбин A.B. Низкоомные металлические контакты к YBaCuO пленке // Письма в КГФ, 1990, т.16, вып.6, с. 76-79.
10. Варламов Ю.Д., Васильев С.А., Смаль А.Н., Предтеченский Ы.Р. Наблюдение изотопического эффекта в YBaCuO пленках // СФХТ, 1989, т.2, Ы 10,с.100-102.
11. Предтеченский М.Р. Метод лазерного напыления в синтезе ВТ'СП пленок //Препринт ,АН СССР, Сибирское отделение ,Ип-т теплофизики, М 225, 45с., Новосибирск, 1930 .
12. Варламов Ю.Д., Врацких В.Ф., Предтеченский Ц.Р., Корсунский В.М., Смаль А.Н., Смирнов С.Н. Эпитаксия Y-Ba-Cu-0 пленок на сапфире // СФХТ, 1990, т.З, N 10, с.2277-2284.
13. Варламов Ю.Д., Смаль А.Н., Предтеченский Ы.Р. Ориентирующее влияние подлокек на сапфире и SrTi03 при епитаксиальном росте Y-Ba-Cu-0 пленок // СФХТ.1990 т.З, N11, с.2560-2566.
14. Predtechensky M.R., GauWioy Yu.G., SmaV A.l!., Turbin A.V., Varlaraov Yu.ß., Vratskikh V.F., Zolkin A.S. Low-resistance contact to Y-Ba-Cu-0 thin filns produced by ion-cluster beam method // Hien-Tenperiiture superconductors. Material Aspect. Ed. H.C. Freyhardt, R.F. Lakiser, rf. Feuckert, InformationseesellEchaet Verlag. 1S91, p.117-130.
'15. Прелточенский У.?.,Смаль A.R.. Взрлачсз Ю.Д., Колесов Б.А., .Иванов В.П.. Изучение изокшчзсьсл'э 'оф$окта по кислороду .в сверхпроводящих YBaCuO raie:u;ax // СФХТ, 1992, т.Ь, Н7, л.1124-29.
16. Предтеченский М.Р., Смзль А.Н., Майоров А.П. Роль условий разлета плазмы в методе лазерного напыления оксидных высокотемпературных сверхптюзодяи^к пленок 'V . ОТХТ, 1992, т.5, Ы 6, о.1120-1124.
17. Варламов 5Э.Д.,;Волков АЛ1., Предтэченскпй Ы.Р., Сл.:аль А.Н., Турбин А.В. Использование режима тепловой неустойчивости YBaCuO плэиок для регистрации излучения // СС5ХТ, 1992, т.5, U 9 , 0.1736-1745.
18. Варламов 3D ..Д., Дредтэчепский М.Р., Смоль А.Н., Турбин А.В., Ватник С.М. Анизотропные свойства YBaCuO пленок // СХЕСГ, 1992, т.5, М 3, о.498-504.
19. Предтеченсхий Я.Р., Сыаль А.Н., Варламов Ю.Д. f Давыдов З.Ю. Рост и свойства YBaCuO пленок на подложках из сапфира " // СФХГ, 1992, т:5, »11, с.2126-2135.
20. Прэдтеченский Н.Р., Майоров А.П. Разлет лазерной плазмы в условиях напыления ВТСП пленок // СФХГ, 1993 , т. 6, J45, о. 1018-1032.
21." Предтеченсккй М.Р., Булгаков А.В., Майоров А.П., Рощин А.В. Метод Кнудсешвской сетки для исследования состава и энергии частиц.; падающих на • подложу при лазерном напылении пленок. // Письма в ЖГФ, 1992, т.18, вып. 16, с.43-48.
22. Predtechensky M.R., Ma/orov А.P. Laser plasraa expansion in oxygen at laser deposition of HTSC £11шз: physics and theoretical ¡aodel // Applied Superconductivity, 1993, v 1, II 10-12, p. 2011-2017.23.
23. ' Варламов Ю.Д., Предтеченский M.P., Смаль А.Н.. Ориентирующее влияние подложек из сапфира и SrTi06 при епятаксиальном росте пленок Y-Ba-Cu-O. // СФХТ, 1990, т.З, N 11, с.2560-2566.
24. Булгаков А.В., Козлов Б.Н., Майоров А.П., Пилзэгин И.И., Предтеченсннй У.Р., Щебелин В.Г. Тепловая структура облака вещества, испаренного импульсом лазерного излучения.// Письма в НТФ 1991, т.17,.вып.21, с.18-22.
25. Bulgakov А.V.. Mayorov А.Р., Predtechensky M.R., Kozlov B.N., Pilyugin 1.1., Shchebelin V.G. Study of 1азег plasna expansion for YBaCuO film deposition. //J.Klectrochera. Soc. 1991, v.138, N 4, p. 221.
26. Predtechensky Н.Я. Laser deposition in the oxygen of HTSC films: expansion of laser plasiaa, deposition of particles, formation of crystal structure and superconducting
properties of films. // Applied Superconductivity, l'?93, v i, N p.793-806.27. Predtechensky M.R. , Shukhov
Yu.E., Smal' A.N. , Turbin A.V., Varlcaov Yu.D., Vratskikh V.F., Zolkin ft.S. Contacts of very lew resistivity to Y-Bs-Cu-0 thin films // ProgrKS High Temperature Superconductivity, 1"?90, v.22.28. Predtechanafcy .tl.R., ScuaL' fi.f!. , Var l*»,7,ov YutD. Epite.Kial films
YBigCu«0y_( J". (7RK) > 10f'A/cr'.£) on csphhire and SrTia,s peculiarities and differences in conditions of film grewth and properties. Superconductivity fipplications far
Infrared and Microwave Devices EI, Vernon O. Hainan.
Kul B.Bhasin, Editors, Free. SPIE 1377, (I991J,
p.£34-241 .
2S. Predtechensky H.H., Bulgakov A.V.j, Hayorov A.P., Roshin R.N. Substrata surface effect on the laset—induced pi asms characteristics for thin fill.'! deposition. // Applied Superconductivity, 1993, ?■! 10~i2s p. 1995-2003.
30- Predtechensky H.R., Liser deposition of HTSC
filffis: expansion of the Ji>ser plssnaf deposition of particles, fcrwaticn of the crys-tal structure end superconducting properties of fiins. In boo!«: hulticotaponent and Kulti 1 aysred Thin Filr.i for Advanced Micrctechnologies; Techniques, Fundamentals and Devices. O.AucielJo, G„Engera^un, Editors, Kluwsr Aciideir.ic Publishers, 1993,p.357-367.
5 6
