Межфазные взаимодействия и особенности электронного строения ВТСП пленок YBa2 Cu3 O7-x тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ 5 ОД

2 3 0\'Л 1305

На правах рукописи

РЕМБЕЗА Екатерина Станиславовна

МЕЖФАЗНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ВТСП ПЛЕНОК УВагСи307.х

Специальность: 0i.C4.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Воронеж 1995

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Воронежского государственного университета.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: доктор физико-математических наук,

профессор Э.П.ДОМАШЕВСКАЯ

кандидат химических наук,

старший научный сотрудник В.И.КУКУЕЕ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физико-математических наук,

профессор И.В. ЗОЛОТУХИН

доктор физико-математических наук, профессор А.С.СИДОРКИН

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Московский педагогический государственный университет

Защита состоится "2" ноября 1995 года в 15— часов на заседании диссертационного совета К 063.48.02 при Воронежском государственном университете по адресу: 394693, г. Воронеж, Университетская пл., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской государственного университета.

Автореферат разослан "2" октября 1995 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы работы. Открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) определило совершенно новые возможности в развитии электротехники, электроэнергетики и микроэлектроники, так как сбылась давняя мечта ученых - получение проводников электрического тока с практически нулевым сопротивлением при относительно высоких температурах. Сверхпроводимость при температурах выше 77 К была впервые обнаружена в УВа2Си307_х (УВСО), называемом также 1-2-3 (по соотношению атомов). На этом соединении были проведены первые исследования высокоанизотропных сверхпроводящих купратов: оптимальные сверхпроводящие свойства могут быть получены только в образцах с высокой степенью кристалличности и фазовой чистоты. Однако ближайшее применение сверхпроводников связывается с тонкими пленками.

Пленки высокотемпературных оксидов находят применение как в миниатюрном виде (микроэлектроника), так и в виде изделий большого размера (ленты, трубы, магниты). В микроэлектронике ВТСП позволяют решить проблему радикального снижения сопротивления межсоединений интегральных схем, что способствует значительному повышению быстродействия. Применение ВТСП пленок в качестве покрытий позволяет решить также ряд задач в областях, смежных с микроэлектроникой: в СВЧ-технике, в проблемах передачи радиосигналов. в космической технике (антенны и резонаторы). Кроме того, на основе ВТСП пленок могут быть созданы такие активные приборы с новыми свойствами, как сквиды или логические схемы, функционирующие на основе эффекта Джозефсона.

Для создания приборов используют качественные ВТСП пленки с высокими электрофизическими и сверхпроводящими характеристиками, зависящими от структуры, фазового состава и строения ВТСП слоев. Знание фундаментальных процессов, протекающих в пленочных структурах и обеспечивающих их высокие качества, а также условий, приводящих к возникновению этих процессов, позволяет получать ВТСП пленки с воспроизводимыми свойствами, пригодные для последующих применений.

Целью данной работы было изучение механизма образования слоев, микроструктуры ВТСП пленок УВа2Си307.х и их электронного

строения, а также разработка принципов уменьшения негативных процессов, возникающих в пленках в результате межфазных взаимодействий между сверхпроводящими слоями и подложками.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- воспроизводимое получение тонких пленок и толстых слоев ВТСП УВагСи307_х методами магнетронного распыления и плазменного нанесения, соответственно, на основе установления взаимосвязи между параметрами технологических процессов и свойствами получаемых пленок с целью определения оптимальных условий проведения конденсации ВТСП слоев;

- механизмы образования тонких и толстых слоев ВТСП на основе данных оже-электронной и рентгенозлектронной спектроскопий, а также рентгенодифракционного к микрорентгеноспектралького анализов;

- природа межфазных взаимодействий на границе раздела между пленкой и подложкой, а также между пленкой и окружающей средой;

- анализ электронной структуры ВТСП пленок на основе данных оке-и рентгекоэлектронных спектроскопий;

- создание нового способа получения и отжига ВТСП пленок на подложках большой площади и сложной конфигурации.

Научная новизна работы.

Впервые установлен механизм саморегулирования состава текс-турированных, неэпитаксиальных ВТСП слоев, наблюдаемый ранее в сегнетоэлектрических эпитаксиальных пленках.

На основе анализа электронной структуры ВТСП пленок по данным рентгенозлектронной и оже-электронной спектроскопий, а также исследования состава и строения пленок УВСО оптимизированы параметры технологического процесса получения ВТСП тонких пленок и толстых слоев УВагСи307.х методами магнетронного распыления и плазменного нанесения, соответственно.

Впервые показано, что термообработка ВТСП пленок на химически активных по отношению к ним подложках, например из нержавеющей стали, может быть осуществлена высокочастотным (ВЧ) отжигом. При этом установлено, что температура на границе раздела с подложкой является наименьшей по сравнению с температурой пленки. Это способствует минимизации межфазного взаимодействия компонентов пленки и подложки. На основании этих данных разработан и реализован принципиально новый способ термообработки поверх-

ности ВТСП пленки ВЧ излучением, защищенный авторским свидетельством.

Впервые показано, что комбинация методов плазменного нанесения и ВЧ термообработки позволяет получать слои ВТСП УВа2Си3 07 _х толщиной 250-500 мкм, обладающие высокими сверхпроводящими характеристиками, на больших подложках сложной формы.

Практическая значимость работы. Определенный в работе механизм саморегулирования состава ВТСП слоев объясняет процесс образования и строение пленок УВа2Си307_х, полученных различными методами на различных подложках.

Оптимизированные параметры получения позволяют конденсировать методом магнетронного распыления пленки УВа2Си307_х, обладающие высокими ВТСП свойствами: Тс=92 К, Лс >106 А/см2 (77 К), и методом плазменного нанесения пленки УВа2Си3 07 _х со сверхпроводящими характеристиками Тс=92 К, Зс=104 А/см2 (77 К).

Новый способ термообработки ВТСП пленок позволяет решить сразу две проблемы, стоящие на пути технологического процесса получения слоев УЗагСи307.х: уменьшение межфазного взаимодействия на границе раздела пленка-подложка и получение ВТСП покрытий на протяженных поверхностях сложной конфигурации.

Комбинация методов нанесения и высокочастотного отжига позволяет получать ВГСП пленки на подложках кремния и нержавеющей стали. Такие структуры имеют большое практическое значение в микроэлектронике, космической технике и радиопромышленности.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Оптимизированные условия получения методами магнетронного распыления и плазменного нанесения слоев УВа2Си307_х, обладающих высокими ВТСП параметрами.

2. Механизм саморегулирования состава ВТСП слоев пленок УВа2Си307.х, полученных методами магнетронного распыления и плазменного нанесения на различных подложках.

3. Особенности электронного строения ВТСП пленок УВа2Си307_х заключаются в изменении тонкой структуры рентгеноэлектронных спектров валентной зоны, а также Си2р, (Ив. УЗй и ВаЗй остов-ных линий.

4. Новый способ высокочастотного отгеига поверхности ВТСП пленок, позволяющий минимизировать межфазные взаимодействия на границе раздела пленка-подложка и получать ВТСП слои на поверхнос-

тях большой площади и сложной формы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзной научной конференции "Физика окисных пленок" (Петрозаводск, 1991); Международной конференции "Ферроэлектрики: изготовление, свойства и применение" (Рига, 1991); I Всесоюзном симпозиуме "Методы дифракции электронов в исследовании структуры вещества" (Звенигород, 1991); 4 и"5 Европейских конференциях по применению методов поверхностного и межфазового анализов ECASIA'91 и ECASIA'93 (Будапешт (Венгрия, 1991 и Катания (Италия, 1993); VIII Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков, 1992); IV Межрегиональном совещании "Тонкие пленки в электронике" (Улан-Удэ, 1993), научных сессиях Воронежского госуниверситета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, включая одно изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, раздела "Выводы" и списка цитированной литературы. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, в том числе 128 страниц машинописного текста, 30 рисунков на 32 страницах к 4 таблицы на 3 страницах. Список литературы содержит 132 наименования.

Ряд результатов диссертации получен совместно с сотрудникам Московского педагогического госуниверситета и НИФХИ им. Л.Я.Карпова.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определен а цель работы и вытекающие из нее задачи, изложены научнг новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, и дана краткая аннотация работы.

Первая глава является обзором литературы по теме диссертационной работы. Она включает рассмотрение способов и условий получения ВТСП пленок YBa2Cu307.x; систематизацию данных о£ электронной и кристаллической структуре пленок YBC0; рассмотрение условий, влияющих на локальное распределение компонентов е пленках YBC0 (различные способы термической'и нетермической об-

работок, внешние воздействия)

Существование сильной зависимости структуры и состава, а следовательно, электрофизических свойств пленок от метода синтеза делает немаловажным вопрос о выборе путей формирования тонких и толстых слоев сверхпроводящих материалов. В обзоре рассмотрено более 10 методов изготовления текстурированных сверхпроводящих пленок, позволяющих выращивать слои в широком интервале толщин.

Анализ литературных данных указывает на большие возможности использования ВТСП пленок и покрытий, однако УВСО слои обнаруживают склонность к сильному взаимодействию с подложками. Оно приводит к перераспределению элементов на границе раздела между пленкой и подложкой и к образованию в пленке примесных фаз, что препятствует получению высококачественных сверхпроводящих слоев. В этой связи лучшими подложками являются монокристаллы ЗгТЮ3, гг02, 1^0, так как они наименее активны по отношению к пленке.

Взаимодействие пленки с подложкой преодолевается посредством предварительного нанесения на подложку барьерных слоев, например 2гОг, или изменения режима термообработки (уменьшение температуры и увеличение длительности отжига). Однако это не решает окончательно проблему перераспределения элементов пленки и подложки, особенно на таких активных подложках, как Б!, 3102 и нержавеющая сталь, имеющих большое практическое значение.

В результате анализа литературных данных задача настоящей работы была сформулирована, как комплексное исследование межфазных взаимодействий, строения, состава и структуры ВТСП пленок УВагСи307_х, а также создание технологического процесса получения высококачественных ВТСП пленок, в том числе на подложках большой площади и сложной конфигурации.

Вторая глава - технологическая, в ней решалась задача воспроизводимого получения методами магнетронного распыления и плазменного нанесения качественных пленок 1-2-3, обладающих высокими электрофизическими и ВТСП параметрами и пригодных для практического использования.

Магнетронным распылением были получены тонкие пленки УВСО и барьерные слои ггОг.

При магнетронном распылении керамической мишени УВа2Си30х состав пленки отличается от ее состава в сторону дефицита бария и меди, поэтому для компенсации этих элементов мы изготавливали

мишень состава YBagCu^Ox. Синтез керамики осуществляли в две стадии из порошков веществ Yz03, ВаС03 и СиО.

При изготовлении мишени для нанесения барьерных слоев Zr02 использовали измельченный порошок монокристаллов Zr02 + 9,5% Y2 03.

Конденсация пленок методом магнетронного распыления проводилась в камере прибора ВУП-4 на предварительно очищенные подложки монокристаллов фианита, поликора и пластины кремния с ориентацией [001]. Температура подложек составляла 523-573 К, скорость конденсации пленок YBC0 в среде 40%02+60%Аг была 1,5 мкм/ч при напряжении на катоде 120 В и токе 0,5 А. Расстояние между мишенью и подложкой составляло 25-30 мм. Толщина пленок зависела лишь от длительности нанесения и варьировалась в пределах 1,0-5, 0 мкм.

Получение барьерных слоев Zr02 осуществлялось в высокочастотной плазме, поскольку мишень Zr02:Y203 являлась диэлектрической. Распыление происходило при оптимальном режиме нанесения слоев Zr02: в рабочей смеси 50%02+50%Аг при токе на аноде 31 мА, мощности ВЧ разряда 400 Вт и расстоянии мишень-подложка 20 мм. Хотя при таком режиме скорость конденсации была довольно низкой 90-100 нм/ч, но барьерные слои получались оптически прозрачными и по данным профильного оже-анализа в них отсутствовал элементарный цирконий.

Методом плазменного нанесения получали толстые слои YBC0 на подложках монокристалла фианита [001] и на нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т, предварительно подвергнутых пескоструйной обработке. Нанесение осуществляли в установке УПУ-ЗД при токе до 600 А, напряжении 120 В в атмосферных условиях при расстоянии между подложкой и соплом плазмотрона от 60 до 100 мм. Исходным материалом являлся порошок, синтезированной нами ВТСП керамики. В данной работе было экспериментально установлено, что оптимальным является размер частиц порошка 80-175 мкм. При таких условиях нанесения были получены слои YBC0 толщиной от 50 до 1000 мкм.

Толщина свежеосажденных пленок определялась с помощью микроинтерферометра МИИ-4.

•Для кристаллизации и насыщения поверхности кислородом конденсированные пленки требовали последующего высокотемпературного отжига. Термический отжиг проводился в трубчатой кварцевой печи

е потоке кислорода в течение 30 мин при температуре 1223 К в режиме быстрого нагрева и медленного охлаждения. Этот режим оптимален для получения сверхпроводящих пленок YBazCu307.x на фианите и поликоре. Отжиг пленок на нержавеющей стали проводился в кислороде в две ступени с двумя изотермическими выдержками при 1223 К и 973 К.

Для уменьшения межфазного взаимодействия между пленкой и подложкой в данной работе был разработан и осуществлен принпипи-ально новый способ высокочастотной термообработки поверхности пленок YBC0. На рис. 1 представлена схема устройства проведения отжига. Эксперименты проводили с пленками 1-2-3, осажденными

Рис. 1. Принципиальная схема отжига 1-2-3 пленок токами высокой частоты: 1 - подложка, 2 - пленка 1-2-3, 3 - внутреннее пространство камеры, 4 - камера, 5 - индуктор.

плазменным нанесением на подложки из нержавеющей стали. Излучение частотой 13,56 МГц генерировалось устройством УВ-1 мощностью 1 кВт, а образец облучался с помощью индуктора, имеющего с ним сопряженную поверхность. Расстояние между индуктором и облучаемой поверхностью 3-5 мм. Отжиг проводился в атмосфере кислорода. Контроль температуры осуществлялся о помощью хромель-алюмелевсй термопары, прикрепленной к противоположной от индуктора поверхности подложки.

Таким образом, в результате выполнения технологической части работы были разработаны методики получения тонких и толстых пленок и покрытий YBC0, а также барьерных слоев Zr02.

Третья глава посвящена краткому изложению методов, используемых для решения задач, поставленных в работе. Это методы исследования строения, состава и электрофизических свойств ВТСП слоев.

Элементный состав ВТСП пленок определялся методами оже-электрснной спектроскопии (ОЭС) и шкрорентгепоспектралъного анализа (МРА).

Профили концентрации элементов по толщине пленки измерялись

К ВЧ-ПН1РйТОРУ

на стандартном оже/ЭСХА-спектрометре SIA-200 (Riber). Локальность анализа по толщине имела порядок глубины выхода оже-элект-ронов (-1,5 нм). Слои исследуемых пленок удалялись распылением ионами аргона в установленных оптимальных условиях ионного травления.

Микрорентгеноспектральный анализ проводился на электронном микрозондовом анализаторе JSM-35CF фирмы "JE0L" с энергодисперсионным анализатором "LINK". Для оценки состава вакуумных конденсатов использовали величину отношения интенсивностей характеристического рентгеновского излучения составляющих элементов, которую сравнивали с эталонным отношением для соответствующих массивных образцов после вычета интенсивности фона.

Фазовый состав ВТСП пленок определялся методом рентгеновской дифракции на приборе ДРОН-4 с использованием СиК -излучения. Идентификация фаз осуществлялась с помощью стандартных таблиц данных о межплоскостных расстояниях соединений Yg03, BaO, CuO, а также по литературным данным.

Микроструктура пленок YBC0 и поверхность кристаллов-подложек исследовались в растровом электронном микроскопе JSM-35CF в режиме вторичных электронов при увеличении в пределах 10—100000х. Предотвращение зарядки непроводящих поверхностей подложек достигалось нанесением конденсатов золота, а также в некоторых случаях уменьшением ускоряющих напряжений электронного зокда.

Исследование электронной структуры ВТСП пленок проводилось с помощью метода рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС) на приборе фирмы "Riber". В методе РЭС основной интерес представляют энергии связи валентных электронов и электронов внутренних оболочек. Вид спектра определяется исходным энергетическим состоянием валентных электронов. Толщина приповерхностного слоя пленки, исследуемого методом РЭС, составляет порядка 2-3 нм. Все энергии связи в настоящем эксперименте были приведены по отношению к величине энергии связи Is линии углерода (Есв=284,6 эВ), конденсированных на поверхности образцов паров углеводородов.

Температурная зависимость удельного сопротивления и плотность критического тока ВТСП образцов измерялись четырехзондовым методом и бесконтактным методом третьей гармоники, заключающимся в изменении отклика ВТСП пленки на приложенное переменное ВЧ по-

- и -

ле. Выбор этих методов определялся простотой их исполнения, не-разрушаемостью образца и стабильностью результатов. Измерения удельного сопротивления пленок проводились при температурах от комнатной до температуры кипения жидкого азота (77 К). Индуктивные измерения плотности критического тока пленок проводились при 77 К.

В четвертой главе изложены результаты комплексных исследований строения, состава и структуры ВТСП слоев пленок 1-2-3, полученных различными методами в разных условиях. В этой же главе проводится обсуждение результатов.

Свежеосажденная пленка YBCO является рентгеноаморфкой, что подтверждают данные рентгенодифракиионногс анализа.

Отожженная YBC0 пленка, полученная магнетронным распылением, по своему строению является совокупностью блоков, имеющих анизотропную форму, причем их грани по осям а и Ь больше, чем по оси с. Из анализа РЭМ данных видно, что размер плоских блоков несколько микрон, а преимущественная ориентация происходит по оси с, перпендикулярно поверхности пленки. Такая ориентация осуществляется при синтезе и отжиге пленки в результате характеристического несовершенства габитуса микрокристаллов, что подтверждается аналогичными литературными данными.

В работе рассчитаны также параметры элементарной ячейки магнетронной пленки YBC0: а=0,3826 нм, Ъ=0,3893 нм, с=1,1755 нм. Измеренные сверхпроводящие свойства таких пленок следующие: температура начала перехода Тн=95 К, нулевого сопротивления Т0 =39 К, плотность критического тока jc при 77 К составляет -до 106 А/см2.

После отжига и кристаллизации фазы 1-2-3 сверхстехиометри-ческий остаток не обнаруживается рентгенографически. Достаточно плотная упаковка блоков в пленке приводит к тему, что примесные фазы располагаются не в пространстве между этими блоками, а локализуются в основном на поверхности пленки или в промежуточном слое между пленкой и подложкой. Этот эффект саморегулирования состава пленки наблюдался ранее только в эпитаксиальных слоях сегнетоэлектрических соединений ВаТ103, SrTi03 и др., имеющих весьма близкую к ВТСП сходную перовскитоподобную структуру. В настоящей работе впервые установлено, что явление саморегулирования состава существует в неэпитаксиальных текстурированных

пленках YBa2Cu307_x.

Саморегулирование - это эффект, являющийся примером воздействия строения соединения на его химический состав и выражающийся в сохранении постоянного состава основного слоя конденсата при вариации в определенных пределах состава конденсируемого атомно-молекулярного потока и вытеснении на поверхность нестехи-ометрических компонентов за счет узкой области существования соединения с термодинамически стабильной в данных условиях структурой и повышенной подвижности ограненных, ориентированно расположенных блоков пленки.

Несколько иное строение имеют YBC0 пленки, полученные плазменным распылением. Они состоят из блоков размером несколько микрометров, расположенных неупорядоченным образом. Изотропная форма и недостаточно плотная упаковка блоков приводят к тому, что примеси несверхпроводящих фаз не вытесняются на поверхность пленки, а остаются внутри нее. Причина этого в различной природе образования ВТСЛ слоев при осаждении методами магнетронного распыления и плазменного нанесения.

Структура плазменных пленок орторомбическая с близкими к магнетронным пленкам значениями параметров элементарной ячейки: а=0,3804 нм, Ъ=0,3873 нм, с=1.1530 нм. Значения ВТСП характеристик сравнимы с соответствующими данными для исходной керамики, а также для пленок, полученных магнетронным распылением: Тн=93 К, Т0 =90 К. Критический ток, измеренный при температуре 77 К в кулевом магнитном поле, имеет довольно низкое по сравнению с маг-нетронными пленками значение Jс =104 А/см2. Это говорит о том, что как и керамика, плазменно-нанесенные покрытия являются пористыми. Вывод подтверждает изучение микроструктуры в растровом микроскопе.

По данным профильного оже-анализа в пленке 1-2-3, осажденной магнетронным распылением, можно выделить три характерные концентрационные области: I - внешний поверхностный слой, II -основной слой, III - переходный слой пленка-подложка (рис.2).

Состав основного слоя в неотожженных и отожженных пленках на монокристалле Zr02:Y203 по глубине приблизительно постоянный и, согласно данным оже-анализа, удовлетворительно соответствует катионной композиций стехиометрической керамики yba2cu3 07 _x. Состав промежуточного слоя толщиной 5-10 нм в неотожженных плен-

му, является изменение зарядового состояния ионов в барьерном слое и в пленке, как это следует из результатов ЭСХА-анализа. Причиной окислительно-восстановительных процессов может быть плазменный разряд на начальных стадиях конденсации барьерного слоя.

Разработанный и осуществленный в настоящей работе принципиально новый способ термообработки поверхности пленки 1-2-3 токами высокой частоты позволяет решить две проблемы, стоящие на пути создания техпроцесса получения ВТСП пленок для ближайших применений: уменьшение взаимодействия на границе раздела пленка-подложка и формирование сверхпроводящих пленок на протяженной криволинейной поверхности.

При анализе взаимодействия 34 токов с пленкой УВСО нами использован ряд упрощающих предположений: тепловые потоки в образце направлены только по нормали к его поверхности, пленка и подложка имеют идеальный тепловой контакт по всей границе раздела. Рассмотрены два варианта отжига: 1 - в условиях термостатирова-ния противоположной от пленки поверхности подложки; 2 - в условиях излучения подложки по закону абсолютно черного тела. Оценки показали, что при отжиге в обоих случаях налицо уменьшение температуры на границе раздела пленка-подложка по сравнению с температурой самой пленки, что существенно уменьшает межфазные зва-имодействия между ней и подложкой и обеспечивает лучшие характеристики получаемых ВТСП образцов.

Последовательное перемещение ВЧ индуктора над отжигаемой поверхностью позволяет подвергать термообработке пленки, нанесенные на подложки большой площади и сложной конфигурации.

Анализ рентгеноэлектронных спектров пленки УВа2Си307 _х в аморфном и отожженном состояниях, а также сравнение полученных результатов с рентгеноэлектронными денными для Си20, СиО и керамики 1-2-3 показали, что полученные и исследуемые в настоящей работе ВТСП пленки 1-2-3 хорошего качества и имеют электронную структуру, соответствующую лучшим образцам сверхпроводящих материалов, известных из литературных источников.

В качестве особенностей электронного строения ВТСП пленок УВСО обнаружено уширение валентной зоны аморфной и отожженной пленок по сравнению с простыми оксидами меди и ВТСП керамикой 1-2-3 (рис. 3). Это связано с наличием в пленках меди в двух

02р-СиЗ<1

Щ

X н

о

1.9 эв

3.2 ЭВ

4.0 эВ

5.0 ЭВ

6.0 ЭВ

13 Есв, эВ

Рис. з. РЭС валентной зоны.

степенях окисления 1+ и 2+, а также с усилением гибридизации СиЗс1-02р состояний, образующих потолок валентной зоны, за счет более полного перекрытия соответствующих волновых функций при микроструктурном упорядочении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Состав ВТСП пленок характеризуется общим содержанием компонентов и их локальными вариациями по площади (локальная нестехиометрия) и глубине конденсатов (основной, поверхностный и переходный слои).

Состав и строение"основного слоя определяется механизмом саморегулирования, при котором примесные несверхпрсводящие фазы оказываются вытесненными на поверхность или в промежуточный слой между пленкой и подложкой, поскольку составляющие пленку анизотропные блоки плотно примыкают друг к другу.

На образование поверхностного слоя пленок влияют как вытеснение из основного слоя примесных компонентов, так и внешние воздействия.

2. Основные межфазные взаимодействия происходят в ВТСП пленках УВа2Си307.х на границе раздела с подложкой. Здесь важную роль играет тип подложки, особенно на этапе традиционного высокотемпературного отжига, когда в результате взаимной диффузии компонентов пленки и подложки происходит перераспределение их элементов в промежуточном слое пленка-подложка. На таких активных по отношению к пленке подложках, как поликор, эту проблему частично удается решить нанесением на подложку барьерного слоя 2гОг, уменьшающего перераспределение элементов. Однако это не полностью устраняет проблему взаимной диффузии компонентов пленки и подложки, а на таких подложках, как кремний и нержавеющая сталь, вообще не решает ее.

3. Новый способ отжига ВТСП слоев высокочастотным излучением решает две задачи, стоящие на пути технологического процесса получения пленок УВа2Си307_х: уменьшение взаимодействия на границе раздела пленка-подложка и создание ВТСП покрытий на протяженных поверхностях сложной формы.

При отжиге ВТСП слоев с помощью высокочастотного индуктора температура на границе раздела пленка-подложка минимальна, что

препятствует обменным взаимодействиям компонентов в твердой фазе. Кроме того, равномерно перемещая индуктор, можно отжигать поверхности большой площади и сложной конфигурации.

4. Комбинация методов плазменного нанесения и высокочастотного отжига позволяет получить ВТСП слои YBa2Cu307_x толщиной 250-500 мкм с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс =92 К и плотностью критического тока jc=104 А/см2 при 77 К. Это является высоким достижением в области производства ВТСП толстых пленок.

Методом магнетронного распыления и последующей высокотемпературной термообработкой в потоке кислорода были получены поликристаллические ВТСП пленки YBa2Cu3 07 _x толщиной до 10 мкм с Тс=92 К и Зс ДО Ю6 А/см2 при 77 К.

5. Существенным отличием электронного строения ВТСП пленок YBa2Cu307_x по сравнению с простыми оксидами меди и ВТСП керамикой 1-2-3 является увеличение ширины валентной зоны , образованной гибридизованными Cu3d-02p состояниями с некоторой примесью Ва5р-орбиталей в области больших энергий связи. Это уширение возникает из-за усиления гибридизации Cu3d-02p состояний за счет более полного перекрытия соответствующих волновых Функций при микроструктурном упорядочении.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Структура поверхностных слоев ВТСП пленок YBC0/B.И.Куку-ев, М.В.Лесовой, Е.С.Рембеза, В.И.Золотарева, Е.А.Тутов, А.В.Арсенов, Э.А.Долгополова//Матер. III Всесоюз.конф. "Физика окисных пленок": Тез.докл.-Петрозаводск, 1991.-Т.2.-С.23.

2. Local non-stolchlometry In YBCO thin films/V.I.Kukuev, 1.1. Nevruyev, E.A.Tutov, 0.Ya.Slobodenyuk, E.S.Rembeza, V.I.Zo-lotariova, E. P. Domashevskaya//Proc. Int.Conf. "Transparent ferroelectric ceramics".- Riga,1991.-P.101-102.

3. Влияние нестехиометрии на состав и структуру поверхностных слоев YBC0 конденсатов по данным РЭМ, МРА и ДЭВЭ/Е.С.Рембе-за, О.Я.Слободенюк, Е.А. Тутов, В.М.Золотарева, М.В.Лесовой, В.И.Кукуев//Матер. I Всесоюз.симпоз. "Методы дифракции электро-нов'в исследовании структуры вещества": Тез.докл.-Звенигород, 1991. -С. 121".

4. Interaction between УВС0 films and substrates on various exposures/V.I.Kukuev, E. P.Dcmashevskaya, 1.1.Nevruyev, E.A.Tu-tov, 0. Ya. Slobodenyuk, A. V. Arsionov, E.S.Rembeza, V.I. Zolotario-va//Proc. 4th Europ. Conf. on Applications of Surface and Interface Analysis ECASIA'91.-Budapest (Hungary),1991.

5. Рост микрокристаллов ВТСП фазы в пленках YBC0 в условиях различной нестехиометрии и термоактивации/В.И.Кукуев, Е.С.Рембе-за, Е. А.Тутов, 0. Я.Слободенюк, А.В.Арсенов, Г.П.Попоз//Матре. VIII Всесоюз. конф. по росту кристаллов: Тез.докл.-Харьков,

1992.-Т. 2, 4.2.-С. 355-356.

6. Способ изготовления сверхпроводящих металлооксидных пленок/В. И. Кукуев, Ю.Я.Томашпольский, И.С.Суровцев, А.В.Арсенов, М.А.Севостьянов, М.В.Лесовой, Е.С.Рембеза//Положительное решение по заявке N5034677/25/014986. Приоритет изобретения от 27.03.92.

7. Отжиг ВТСП слоев высокочастотным излучением/В.И.Кукуев, Э.П.Домашевская, Е.С.Рембеза, А.В.Арсенов, М.В.Лесовой, Д.М.Па-нин8//СФХТ. -1993.-Т.6,N5.-С.1033-1042.

8. Annealing of HTSC films by high frequency irradiation/V. I. Kukuev, E. P.DoTiashevskaya, A. V. Arsionov, E.S.Rembeza. M. V. Lesovoy, E. A. Tut.cv//Proc. 5th Eurcp. Conf. on Applications of Surface and Interface Analysis ECASIA'93.-Catania (Italy), 1993. -P. 409.

9. Отжиг ВТСП слоев токами высокой частоты/Е.С.Рембеза, А.В.Арсенов, М.В.Лесовой, Е.А.Тутов, Э. П. Домашевская, В.И.Куку-ев//В кн.: "Гонкие пленки и нетивидные кристаллы".-Воронен: ВПИ,

1993.-С.24-31.

10. On-axis dc sputtered YBa2Cu307_x/G. Mueller, В.Aschermann, H.Chaloupka, W.Diete, M.Getta, M.Hein, S.Hensen, F.Hill, M.Len-kens, S.Orbach-Werbig, T.Patzelt, H.Piel, 2. Rembeza, H.Schlick, T.Unshelm, R. Wagner//IEEE Trans. Appl.Supercond,1995.-V.6.

Заказ 337 от 28.9.95 г. Тир. 100 экз. Формат 60 X 90 1/16. Объем I п.л. Офсетная лаборатория ВГ/.