Способ формирования сверхпроводящей ультратонкой пленки yba2cu3o7-x на диэлектрических подложках

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления сверхпроводящих ультратонких пленок сложного металлооксидного соединения состава YBa2Cu3O7-x путем оптимизации параметров лазерного излучения и условий постростового отжига в напылительной камере. Изобретение обеспечивает получение ультратонких сверхпроводящих пленок толщиной 12-25 нм с неровностью поверхности в пределах 1-2 нм. В способе формирования сверхпроводящей ультратонкой пленки YBa2Cu3O7-x на диэлектрических подложках на керамическую мишень YBa2Cu3O7-x воздействуют лазерным излучением плотностью мощности 3·108÷5·108 Вт/см2, длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой следования импульсов 10 Гц в течение времени 15÷30 с при давлении 50÷100 Па, при температуре мишени 600÷700°С, температуре подложки 800-840°С, в результате формируют сверхпроводящую пленку толщиной 12-25 нм, после чего в диапазоне температур 840-780°С производят отжиг пленки со скоростью остывания 4°С/мин, в диапазоне температур 780-700°С - со скоростью остывания 10°С/мин, в диапазоне температур 700-400°С - со скоростью остывания 15°С/мин, в диапазоне температур 400-20°С - со скоростью остывания 19°С/мин. 2 ил.

 

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления сверхпроводящих ультратонких пленок сложного металлооксидного соединения состава YBa2Cu3O7-x (YBCO) путем оптимизации параметров лазерного излучения и условий постростового отжига в напылительной камере. Необходимость создания сверхпроводящих ультратонких YBCO пленок обусловлена возможностью изготовления из них элементов сверхпроводниковой электроники.

В настоящее время существуют различные способы формирования тонких пленок состава YBa2Cu3O7-x, которые используются для изготовления тонкопленочных элементов сверхпроводниковой электроники. Наиболее близким к заявляемому является способ создания тонких пленок YBa2Cu3O7-x толщиной 10÷100 нм (патент РФ №2133525). Результаты исследований показывают, что при толщине пленки 10÷25 нм плотность критического тока составляет ~ 103А/см2, а с ростом толщины ее транспортные свойства улучшаются. Таким образом, путем варьирования толщины пленки можно задавать необходимую плотность критического тока. Основным недостатком данного способа является то, что тонкая пленка толщиной 10-20 нм находится в сильнонапряженном состоянии, на что указывают низкие значениями плотности критического тока. Еще одним недостатком способа является то, что данные пленки не достаточно гладкие, что не позволяет применять их для изготовления элементов наноэлектроники.

Известен способ создания тонких многослойных пленок YBa2Cu3O7-x с толщиной слоев 10÷40 нм (патент РФ №2382440). Способ основан на создании между подложкой и формируемой сверхпроводящей пленкой промежуточного несверхпроводящего слоя того же состава. Различные транспортные свойства слоев получаются варьированием температуры в напылительной камере. Остальные технологические параметры напыления, такие как длительность импульса лазерного излучения, давление в напылительной камере, плотность мощности сфокусированного на керамической мишени лазерного излучения, авторами способа выбраны оптимальные, при которых возможно выращивание качественных сверхпроводящих пленок толщиной несколько десятков нанометров.

Однако данный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, данный способ не позволяет получать достаточно гладкие слои с шероховатостью не более единиц нанометров, так как при толщинах несколько десятков нанометров в пленке скапливаются значительные механические напряжения из-за рассогласования параметров кристаллических решеток материалов пленки и подложки и различия их коэффициентов термического расширения, что неизбежно приводит к фрагментации материала и, как следствие, нарушению «полировки» промежуточного несверхпроводящего слоя. Еще одним недостатком способа является нахождение распыляемой мишени при температуре, близкой или даже превышающей температуру плавления материала мишени, что не позволяет исключать даже при указанных малых временах воздействия лазерного излучения образования расплава в кратере мишени, а, следовательно, интенсивного разбрызгивания расплавленных капель.

Известен способ формирования на монокристаллической подложке гладких ультратонких пленок YBa2Cu3O7-x (патенте РФ №2450389). Указанным способ формируют пленку толщиной L=5÷7 нм с неровностью поверхности ΔL=1÷2 нм и удельным сопротивлением р=0,8÷1,1·10-6 Ом·м путем воздействия на мишень лазерным излучением плотностью мощности Р=3·108÷5·108 Вт/см2, длиной волны λ=1,06 мкм, длительностью импульса τ=10-20 не и частотой следования импульсов v=10 Гц в течение времени t=7÷10 с, при давлении воздуха р=50÷100 Па, температуре мишени Т=600÷700°C, температуре подложки Т=800÷840°C.

Недостатком указанного способа является невозможность получения сверхпроводящих пленок.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа формирования сверхпроводящих ультратонких пленок YBCO толщиной 12÷25 нм с неровностью поверхности в пределах 1÷2 нм. Способ основан на подборе оптимальных значений параметров лазерного излучения, обеспечивающих эпитаксиальный рост пленки на монокристаллической подложке, и создании специальных условий в напылительной камере для постростового отжига.

Указанный технический результат достигается тем, что сверхпроводящую пленку толщиной 12÷25 нм с неровностью поверхности в пределах 1÷2 нм формируют путем воздействия на керамическую мишень YBa2Cu3O7-x лазерным излучением плотностью мощности 3·108÷5·108 Вт/см2, длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 не и частотой следования импульсов 10 Гц в течение времени 15÷30 с при давлении 50÷100 Па, при температуре мишени 600÷700°C, температуре подложки 800-840°C, при этом соблюдается специальный режим постростового остывания: в диапазоне температур 840-780°C производится отжиг пленки со скоростью 4°C/мин, в диапазоне температур 780-700°C - со скоростью остывания 10°C/мин, в диапазоне температур 700-400°C - со скоростью остывания 15°C/мин, в диапазоне температур 400- 20°C - со скоростью остывания 19°C/мин.

Существенное влияние скорости постростового остывания ультратонкой пленки на ее сверхпроводящие свойства связано с релаксацией упругих напряжений в пленке, возникающих из-за рассогласования параметров кристаллических решеток материалов пленки и подложки, а также из-за различия коэффициентов термического расширения этих материалов. Снижение скорости остывания пленки на начальном этапе отжига в диапазоне температур 840-700°C позволяет проводить более плавный режим отжига, при котором происходит эффективная релаксация упругих напряжений в материале пленки. В диапазоне температур 700-400°C производится отжиг пленки со скоростью остывания 15°C/с, при котором происходит эффективное насыщение материала пленки слабосвязанным кислородом для достижения кислородного индекса х=6,8-6,9. Более высокие скорости остывания приводят к тому, что при превышении толщины пленки 10 нм происходит фрагментация пленки на кристаллиты размерами 10÷100 нм из-за накопившихся в материале пленки упругих напряжений. Для примера, на фиг.1 приведено 2D изображение пленки толщиной 12 нм, которая остывала в диапазоне температур 840-700°C со средней скоростью 30°C/мин.

Для осуществления способа использовалась экспериментальная установка, представленная на фиг.2. Установка содержит напылительную вакуумную камеру 5 с помещенной внутри нее цилиндрической кварцевой печью 6, в которой устанавливается распыляемая лазером 1 мишень 7 при давлении воздуха в камере 50÷100 Па. Температура подложки 3 составляет 800÷840°C, а температура мишени 7, расположенной на краю печи 6, составляет 600÷700°C. В установке используется твердотельный импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 16 не и частотой повторения импульсов 10 Гц. Плотность мощности лазерного излучения на поверхности мишени составляет 3·108÷5·108 Вт/см2. Лазерный луч падает на мишень 7, пройдя через оптическую систему 2 и кварцевое окно 8 вакуумной камеры 5. Распыляемый материал мишени 7 осаждается на подложку 3, в результате чего на подложке 3 при указанных выше технологических параметрах напыления растет ультратонкая пленка YBCO. В качестве мишени 7 используют поликристаллическую спеченную керамику YBCO, изготовленную по расплавной технологии. В качестве подложек 3 используются монокристаллические пластины SrTiO3(100). Расстояние мишень-подложка составляет 25÷30 мм. Температура печи 6 и мишени 7 контролируется термопарой 4. После напыления пленку охлаждают до комнатной температуры по следующему режиму: в диапазоне температур 820-780°C производится отжиг пленки со скоростью 4°C/мин, в диапазоне температур 780-700°C производится отжиг пленки со скоростью остывания 10°C/мин, в диапазоне температур 700-400°C производится отжиг пленки со скоростью остывания 15°C/мин. После достижения температуры 400°C нагревательная печь выключается и пленка остывает до комнатной температуры в течение 20 минут, после чего ее вынимают из напылительной камеры. Режим остывания пленки задается с помощью специального программируемого блока управления 9, совмещенного с компьютером.

Оптимизация параметров лазерного излучения, температурных, временных и скоростных режимов позволила достичь следующих сверхпроводящих параметров YBCO пленок: пленка толщиной 15-25 нм имеет критическую температуру сверхпроводящего перехода 90-92 K, ширину сверхпроводящего перехода 1-2 K, плотность критического тока выше (1÷2)·105 А/см2 при температуре 77 K; пленка толщиной 12-15 нм имеет критическую температуру сверхпроводящего перехода 87-90 K, ширину сверхпроводящего перехода 2-4 K, плотность критического тока выше 103-104 А/см2 при температуре 77 К.

Способ формирования сверхпроводящей ультратонкой пленки YBa2Cu3O7-x на диэлектрических подложках, включающий воздействие на мишень YBa2Cu3O7-x лазерным излучением плотностью мощности 3·108÷5·108 Вт/см2, длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой следования импульсов 10 Гц, при температуре мишени 600÷700°C, температуре подложки 800-840°C, при давлении воздуха 50÷100 Па, отличающийся тем, что формируют сверхпроводящую пленку толщиной 12÷25 нм в течение времени 15÷30 с, после этого в диапазоне температур 840-780°C производится отжиг пленки со скоростью остывания 4°C/мин, в диапазоне температур 780-700°C - со скоростью остывания 10°C/мин, в диапазоне температур 700-400°C - со скоростью остывания 15°C/мин, в диапазоне температур 400-20°C - со скоростью остывания 19°C/мин.



 

Похожие патенты:

Использование: для получения высокотемпературных сверхпроводников и изготовления высокочувствительных приемников электромагнитного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает в себя формирование пленки из высокотемпературного сверхпроводящего материала, который представляет собой монофазный текстурированный сверхпроводник состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10, на диэлектрической подложке методом магнетронного распыления из мишени, изготовление чувствительного элемента, антенны и подводящих линий выполняется в едином процессе на одном слое образованной пленки ВТСП (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10.

Изобретение относится к способам формирования сверхпроводящих пленок с двух сторон диэлектрических подложек. Изобретение обеспечивает создание однородных по толщине сверхпроводящих пленок с двух сторон подложки в одном технологическом цикле.

Изобретение относится к формированию на диэлектрических подложках золотых контактных площадок к пленкам YBa2Cu3O7-х. Изобретение обеспечивает получение качественных золотых контактных площадок к сверхпроводящим пленкам.

Изобретение относится к способам формирования методом лазерного напыления сверхпроводящих пленок. Изобретение обеспечивает получение на золотом буферном подслое сверхпроводящих пленок с высокими токонесущими свойствами, обеспечивающими значения плотности сверхпроводящего критического тока не ниже 105 А/см2.

Изобретение относится к технологии криоэлектроники и может быть использовано при изготовлении высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) схем. Техническим результатом изобретения является повышение качества ВТСП схем, увеличение их температурного рабочего диапазона, повышение удельного сопротивления ВТСП материала в нормальном состоянии путем введения ферромагнитной примеси в ВТСП пленку при электроискровой обработке отрицательными импульсами, мощность которых находится из заявленного соотношения.

Изобретение относится к сборке из металлических элементов, составляющей заготовки для сверхпроводника. Сборка содержит, по меньшей мере, один проводниковый элемент, адаптированный для обеспечения сверхпроводящей нити в конечном сверхпроводнике, и по меньшей мере один легирующий элемент, обеспечивающий источник легирования для легирования проводникового элемента, и источник олова.

Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости и может использоваться для изготовления ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения.

Изобретение относится к электричеству, к электрофизике и теплопроводности материалов, к явлению нулевого электрического сопротивления, т.е. к гиперпроводимости, и нулевого теплового сопротивления, т.е.

Изобретение относится к технологии изготовления тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводящих материалов, в частности к изготовлению подложек для этих материалов.
Изобретение относится к технологии изготовления тонкопленочных высокотемпературных сверхпроводящих материалов и может быть использовано при промышленном производстве длинномерных сверхпроводящих лент для создания токопроводящих кабелей, токоограничителей, обмоток мощных электромагнитов, электродвигателей и т.д.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению сверхпроводящего материала в виде покрытия, и может быть использовано при изготовлении экранов электронных схем от воздействия электромагнитного и ионизирующего излучений в энергетике, транспорте, связи, приборостроении, в ракетной и аэрокосмической отраслях промышленности. Способ получения сверхпроводящего покрытия включает подачу в плазмотрон порошка материала покрытия фракцией 80-150 мкм, его нагрев до температуры плавления в прикатодной высокотемпературной области плазменной струи и напыление на подложку с предварительно нанесенным на ее поверхность изоляционным слоем. При напылении плазменную струю с напыляемым порошком SmBa2Cu3O7 на всей дистанции напыления охватывают коаксиальным цилиндрическим потоком кислорода, а подложку охлаждают теплоносителем, при этом путем регулирования расхода кислорода и скорости взаимного перемещения плазменной струи и подложки обеспечивают температуру в пятне напыления 940-980°С. Сокращается время процесса получения сверхпроводящего материала с сохранением структуры и стехиометрии исходного спеченного материала. 4 ил.

Использование: для изготовления сверхпроводниковых туннельных или джозефсоновских переходов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления сверхпроводящих наноэлементов с туннельными или джозефсоновскими переходами включает формирование нанопроводов из веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами, и преобразование их в несверхпроводящие в выбранных разделительных участках заданной ширины за счет селективного изменения атомного состава путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску с заданным рельефом. Технический результат: обеспечение возможности повышения производительности. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для изготовления провода, кабеля, намотки и катушки. Сущность изобретения заключается в том, что высокотемпературный сверхпроводящий ленточный провод с гибкой металлической подложкой содержит по меньшей мере один промежуточный слой, который расположен на гибкой металлической подложке, и который на стороне, противоположной гибкой металлической подложке, содержит террасы, причем средняя ширина террас меньше 1 мкм, а средняя высота террас больше 20 нм, и который содержит по меньшей мере один расположенный на промежуточном слое высокотемпературный сверхпроводящий слой, который расположен на по меньшей мере одном промежуточном слое и имеет толщину слоя более 3 мкм, причем допустимая токовая нагрузка высокотемпературного сверхпроводящего ленточного провода, отнесенная к ширине провода, при 77 K превышает 600 А/см. Технический результат: обеспечение возможности создания ВТС-провода с большой предельно допустимой токовой нагрузкой. 9 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

Изобретение относиться к способам формирования самоохлаждаемых автономных приборов и элементов электроники, которые могут эффективно работать без использования технологии жидкого азота, и другой криогенной техники. Способ формирования самоохлаждаемого автономного наноприбора заключается в том, что на подложке из монокристаллического материала с сформированным с одной стороны СКВИД-приемником на обратной стороне размещают устройство для поглощения тепла, которое содержит катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов. Затем подложку через отверстие для монтажа заключают в вакуумную оболочку из ситалла, содержащую контактные электроды для двух сторон подложки. После этого отверстие для монтажа подложки закрывают крышкой из ситалла. Размещают данное устройство в вакуумной камере, в которой располагают также мишень из ситалла. Откачивают до давления 10-1 Па, нагревают мишень и крышку из ситалла до температуры 450÷500°С. Затем лазером с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности 5·108÷8·108 Вт/см2 распыляют мишень из ситалла, находящуюся на расстоянии 8÷10 мм от крышки из ситалла в течение 10 минут. Изобретение обеспечивает создание такой конструкции СКВИДа (сверхпроводящего квантового интерференционного датчика), в которой исключены: деградация сверхпроводящих свойств в воздушной среде, зависимость достижения рабочей температуры от использования жидкого азота или других внешних криогенных установок с большими габаритами. 1 ил.

Изобретение относится к пленкам с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС-пленки). Способ улучшения рабочих характеристик пленки с чрезвычайно низким сопротивлением, содержащей материал с чрезвычайно низким сопротивлением (ЧНС-материал), имеющий кристаллическую структуру, включает: наслаивание модифицирующего материала на грань ЧНС-материала, которая не является по существу параллельной с-плоскости кристаллической структуры ЧНС-материала ЧНС-пленки, чтобы создать модифицированную ЧНС-пленку, при этом модифицированная ЧНС-пленка обладает улучшенными рабочими характеристиками по сравнению с ЧНС-пленкой без модифицирующего материала. Изобретение обеспечивает получение ЧНС пленок с улучшенными рабочими характеристиками. 3 н. и 35 з.п. ф-лы, 46 ил.

Изобретение относится к сверхпроводникам и технологии их получения. Оксидный сверхпроводящий провод включает лентообразный оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, сформированный путем нанесения промежуточного слоя 4 на стороне передней поверхности металлической лентообразной подложки 3, оксидного сверхпроводящего слоя 5 на промежуточном слое 4 и защитного слоя 6 на оксидном сверхпроводящем слое 5, и покрытие, включающее металлическую ленту 2 и слой металла с низкой точкой плавления 7, при этом ширина металлической ленты 2 больше, чем ширина оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, и лента 2 закрывает поверхность защитного слоя 6 оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, обе боковые поверхности оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1 и оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3 в поперечном направлении, причем оба концевых участка металлической ленты 2 в поперечном направлении закрывают оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3а, слой металла с низкой точкой плавления 7 заполняет щели между оксидным сверхпроводящим слоистым материалом 1 и металлической лентой 2, окружающей оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, и соединяет металлическую ленту 2 и оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1 друг с другом, а часть 7с заполняющего слоя металла с низкой точкой плавления продолжается в область углубленного участка 2d, сформированного между обоими концевыми участками металлической ленты 2 в поперечном направлении. Полученная структура сверхпроводящего провода способна предотвращать проникновение влаги, в результате чего оксидный сверхпроводящий слой не разрушается. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 6 табл.
Изобретение относится к текстурированной подложке для выращивания на ней эпитаксиальной пленки оксидного сверхпроводящего материала для использования в различных типах электросилового оборудования. Текстурированная подложка содержит слой текстурированного металла, по меньшей мере, на одной стороне, который включает в себя слой меди, имеющий кубическую текстуру, и слой никеля, имеющий толщину 100-20000 нм, сформированный на слое меди; слой никеля имеет слой оксида никеля, сформированный на его поверхности, имеющий толщину 1-30 нм, и слой никеля дополнительно включает в себя палладий-содержащую область, сформированную из палладий-содержащего никеля, на поверхности раздела со слоем оксида никеля. Верхний слой текстурированной подложки, т.е. слой оксида никеля, имеет шероховатость поверхности преимущественно 10 нм или менее. Ультратонкий слой оксида никеля оказывает улучшающее воздействие на ростовые свойства и адгезию эпитаксиальной пленки. Подложка имеет кристаллическую ориентацию, обеспечивающую возможность формирования высококачественной эпитаксиальной пленки на ее поверхности. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.

Использование: для формирования в сверхпроводящих тонких пленках областей с требуемыми значениями плотности критического тока. Сущность изобретения заключается в том, что способ формирования областей переменной толщины сверхпроводящей тонкой пленки методом лазерного распыления мишени YBa2Cu3O7-x, в котором между мишенью и подложкой располагают затеняющую пластину, затем воздействуют на мишень лазерным излучением плотностью мощности Ρ=(1÷2)·109 Вт/см2, длиной волны λ=1,06 мкм, длительностью импульса τ=10÷20 нс и частотой следования импульсов ν=10 Гц в течение времени t=175÷185 с, при температуре мишени Тм=600÷700°С, температуре подложки Тп=800÷840°С, расстоянии между подложкой и затеняющей пластиной L=0,1÷0,2 мм, при этом вне затеняющей пластины формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=160÷200 нм с плотностью критического тока j>106 А/см2, а под затеняющей пластиной формируется сверхпроводящая пленка толщиной D2=40-50 нм с плотностью критического тока j=(1÷5)·103 А/см2. Технический результат: обеспечение возможности упрощения технологии создания микромостиков сверхпроводящей пленки с требуемыми значениями критического тока. 3 пр., 4 ил.

Использование: для получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала. Сущность изобретения заключается в том, что способ получения включает нанесение на гибкую металлическую текстурированную подложку или на металлическую подложку, покрытую промежуточным биаксиально текстурированным оксидным слоем, по меньшей мере, одного эпитаксиального оксидного буферного слоя из прекурсора, получаемого из золя оксида-гидроксида выбранного элемента или нерастворимой соли выбранного элемента в водном растворе температурно-зависимого полимера, путем нагревания при температуре, превышающей температуру фазового перехода температурно-зависимого полимера, нанесение на буферный слой, по меньшей мере, одного эпитаксиального слоя сверхпроводникового материала и его термообработку, при этом после нанесения эпитаксиального оксидного буферного слоя осуществляют его обработку в переменном магнитном поле с амплитудой напряженности не более 0,10 Тл и частотой 10-40 Гц в течение 100 и более секунд. Технический результат: обеспечение возможности повышения совершенства кристаллической структуры и морфологии эпитаксиального буферного слоя и, как следствие, повышение совершенства кристаллической структуры нанесенного на него сверхпроводящего покрытия, и в результате повышение плотности критического сверхпроводящего тока. 2 ил., 2 табл.
Наверх