Выращивание высокотемпературных сверхпроводящих пленок
YBaCuO на золоте
А.Б.Муравьев, А.А.Скутин, К.К.Югай, К.Н.Югай,
Г.М.Серопян, С.А.Сычев, Омский государственный университет, кафедра общей
физики
Как
известно, только определенные виды материалов могут быть применены в качестве
подложек для выращивания высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) пленок, в
частности, YBaCuO пленок. Причина такого ограничения заключается в высокой
химической активности соединения YBaCuO, а также в том, что сверхпроводящие
свойства весьма чувствительны к значениям параметров кристаллической решетки.
Тем не менее, количество материалов, пригодных для выращивания качественных ВТСП
пленок, постоянно увеличивается, что позволяет расширять область применения
ВТСП пленок как основы для сверхпроводящей электроники. Одновременно с этим
необходимо использование более дешевых подложек, чем, например, SrTiO3 (100), а
также подложек с определенными физическими свойствами. Эта проблема во многих
случаях решается использованием буферных слоев из различных материалов. Так,
сильное химическое взаимодействие полупроводниковых материалов с YBaCuO не
позволяет получать сверхпроводящие пленки на кремниевых подложках. В работе [1]
такая задача успешно решена при помощи использования различных буферных слоев,
например CaF2 и BaF2. Большая химическая стабильность золота к соединению
YBaCuO [2-4] послужила причиной исследования возможности применения Au в качестве
буферных слоев. Это позволило бы решить многие проблемы, связанные с созданием
надежного электрического контакта к весьма чувствительным к термическим и
вакуумным воздействиям YBaCuO пленкам. Еще одно важное применение золотых
пленок может быть связано с формированием различных многослойных структур типа
SNS, где S - сверхпроводник, а N - прослойка из нормального металла.
Пленки
из золота были выращены на монокристаллических подложках SrTiO3 (100) методом
лазерной абляции со следующими значениями параметров лазерного излучения: длина
волны излучения 1,06 мкм, длительность импульса 20 нс, частота повторения
импульсов 12 Гц. Температура подложки при выращивании золотой пленки составляла
350oC, в камере поддерживался вакуум при торр,
расстояние золотая мишень - подложка составляло 3 см, время напыления - 10 мин,
что соответствовало толщине пленок нм. Золото
напылялось на часть подложки, другая часть прикрывалась маской, которая
удалялась при напылении YBaCuO пленки. Источником лазерного излучения служил
импульсный лазер ЛТИ-403 с Nd:YAG стержнем. Плотность мощности излучения на по-
Таблица
1
YBaCuO/SrTiO3
YBaCuO/Au/SrTiO3
N
А/см2
А/см2
1
91.1
3.6
89.8
1,0
2
91.0
1.2
89.0
2.8
3
89.4
2.0
88.6
2.0
4
89.0
2.2
88.6
3.0
Таблица
2
YBaCuO/SrTiO3
YBaCuO/Au/SrTiO3
n
А/см2
А/см2
0
89.0
2.2
88.6
3.0
20
89.2
2.2
87.4
3.2
30
89.2
2.4
87.0
3.6
40
89.2
2.4
86.6
3.4
50
89.2
2.6
87.0
3.8
60
89.0
2.4
86.6
4.0
70
89.0
2.4
87.4
4.4
80
88.6
2.6
89.0
4.4
100
89.0
2.8
88.4
4.4
140
88.8
2.8
88.2
5.2
200
88.6
3.0
88.6
8.4
*
- значение Jc ниже уровня чувствительности измерительной аппаратуры.
верхности
мишени составляла Вт/см2. Затем,
на Au/SrTiO3 подложке по методике, описанной в работе [5], выращивалась YBaCuO
пленка. Измерения сверхпроводящих параметров ( и Jc)
проводились по четырехзондовой методике. Значению критического тока
соответствовало возникновение на вольт-амперной характеристике напряжения в 1
мкм.
Следует
отметить, что подслой из золота наносился лишь на половине SrTiO3 подложки для
того, чтобы сравнивать свойства YBaCuO/Au/SrTiO3 и YBaCuO/SrTiO3 пленок. Как
оказалось, YBaCuO/Au/SrTiO3 пленки имеют сверхпроводящие свойства. Более того,
значения сверхпроводящих параметров оказались достаточно высокими. В табл. 1
приведены значения СП параметров критической температуры Tc, ширины перехода и плотности критического
тока Jc для YBaCuO/Au/SrTiO3 и YBaCuO/SrTiO3 пленок. Как видно, значения
критических температур Tc для YBaCuO/Au/SrTiO3 пленок чуть меньше, чем для
YBaCuO/SrTiO3 пленок (отличие составляет ), хотя
значение ширины перехода для
YBaCuO/Au/SrTiO3 не коррелирует со значением для
YBaCuO/SrTiO3 и может быть даже существенно меньше (образец 1 в табл. 1). Самый
неожиданный результат связан с исследованиями критической плотности тока Jc.
Высокие значения Jc для YBaCuO/Au/SrTiO3 пленок, достигающих значений порядка
106 А/см2, указывают на следующее важное обстоятельство: формирование YBaCuO
пленки на подложке Au/SrTiO3 не является результатом простого механического
переноса вещества YBaCuO мишени, а представляет собой эпитаксиальный рост.
Очевидно, что условием эпитаксиального роста YBaCuO пленки является
эпитаксиальный рост самой золотой пленки. В связи с этим необходимо проведение
дополнительных исследований, связанных с выявлением зависимости значений СП
параметров YBaCuO пленок от толщины золотого подслоя.
Для
образца 4 были проведены исследования на устойчивость к деградаци при
термоциклировании по следующей методике: образец охлаждался до со скоростью град/с в
жидком азоте, затем нагревался со скоростью град/с до
комнатной температуры. нагревание производилось на воздухе при нормальных
условиях, что способствует процессу деградации СП параметров YBaCuO пленок. В
табл. 2 сведены значения и Jc при
различном числе термоциклов n. Как видно, критическая температура начала
перехода Tc мало зависит от числа термоциклов n для обоих видов пленок, хотя
наблюдается существенное уширение для
YBaCuO/Au/SrTiO3, тогда как для
YBaCuO/SrTiO3 меняется незначительно.
На
зависимостях Jc (n) для обеих пленок наблюдается эффект возрастания
критического тока, и значения Jc при n=140 уменьшаются примерно в два раза. При
n > 140 значение Jc меняется незначительно для YBaCuO/SrTiO3 пленок, тогда
как для пленок YBaCuO/Au/SrTiO3 происходит резкое падение Jc более, чем на два
порядка. Из результатов данных исследований видно, что YBaCuO/Au/SrTiO3 пленки
проявляют достаточную устойчивость к деградации и при n более 140.
В
заключение отметим, что по результатам исследований можно говорить о
возможности использования золотых пленок в качестве буферных слоев для
выращивания высококачественных YBaCuO пленок, значения СП параметров которых
могут быть: , , Jc > 106
А/см2. Полученные на золоте сверхпроводящие пленки проявляют стабильность к
деградации при термоциклировании, что важно для технических приложений.
Список литературы
Берт
Н.А., Карманенко С.Ф., Конников С.Г. и др. //СФХТ. 1991. N4. С.756.
Williams R.S., Chaudhury S.
//Chemistry of HTSQ 2. Washington: American Chemical Society. 1988. Ch. 22.
Куприянов
М.Ю., Лихарев К.К. // УФН. 1989. Т.160. В.5. С.49.
Gavaler J.R. et al. //IEEE Trans. Magn.
1989. V.25. P.803.
Югай
К.Н., Скутин А.А., Серопян Г.М. и др. //СФХТ. 1994. Т.7,N.6. С.1026.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта
http://www.omsu.omskreg.ru/