Способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала

Способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала

Реферат

Изобретение относится к области получения высокотемпературных сверхпроводящих покрытий на металлической подложке, а именно к способу получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала, и может быть использовано в технологии получения так называемых сверхпроводящих проводников второго поколения (ВТСП-2 проводников).

Технической задачей изобретения является повышение плотности критического сверхпроводящего тока в ВТСП-2 проводах за счет повышения совершенства кристаллической структуры и морфологии буферного слоя и, как следствие, повышение качества сверхпроводящего покрытия.

Известен способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала, включающий нанесение на текстурированную металлическую подложку, по меньшей мере, одного эпитаксиального оксидного буферного слоя из прекурсорного раствора солей, его термообработку, и, по меньшей мере, одного эпитаксиального слоя сверхпроводникового материала и его термообработку (US 7261776, НПК 117/89, опубл. 28.08.2007).

Известен также способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала, включающий нанесение на текстурированную металлическую подложку с помощью растворных методов, основанных на использовании металлорганических комплексов и органических растворителей (MOD - metal organic decomposition), буферных покрытий для последующего нанесения сверхпроводящего слоя (Paranthaman М.Р., Qiu X., List F.A., Kim К. Applied Superconductivity, IEEE Transactions, Volume: 21, Issue: 3, Pages 3059-306, June 2011, ISSN: 1051-8223 DOI:10.1109/TASC.2010.2092731).

Недостатками этих способов являются недостаточное совершенство кристаллической структуры и морфологии получаемых эпитаксиальных буферных слоев, что характерно для всех жидкофазных методов получения эпитаксиальных слоев, а также использование в способе 2 дорогостоящих органических растворителей и соединений-предшественников, для удаления которых из целевой оксидной пленки требуется дополнительная стадия низкотемпературного обжига.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала, включающий нанесение, по меньшей мере, одного эпитаксиального оксидного буферного слоя на гибкую металлическую текстурированную подложку и его термообработку, нанесение на буферный слой, по меньшей мере, одного эпитаксиального слоя сверхпроводникового материала и его термообработку, при этом нанесение эпитаксиального слоя осуществляют 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 на 5-30 градусов (Патент RU 2387050, МПК H01L 39/24, опубл. 20.04.2010 «Способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала и многослойный высокотемпературный сверхпроводящий материал»).

Недостатком данного способа также является недостаточное совершенство кристаллической структуры и морфологии получаемых эпитаксиальных буферных слоев, что снижает совершенство кристаллической структуры нанесенного сверхпроводящего покрытия и, как следствие, уменьшает плотность критического сверхпроводящего тока.

Техническим результатом изобретения является повышение совершенства кристаллической структуры и морфологии эпитаксиального буферного слоя и, как следствие, совершенства кристаллической структуры нанесенного на него сверхпроводящего покрытия, и в результате повышение плотности критического сверхпроводящего тока.

Технический результат достигается тем, что в способе получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала, включающем 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, термообработку буферного слоя, нанесение на буферный слой, по меньшей мере, одного эпитаксиального слоя сверхпроводникового материала и его термообработку, согласно изобретению 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.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Величина критического сверхпроводящего тока напрямую зависит от степени структурного совершенства эпитаксиального сверхпроводящего покрытия. Большое количество дислокаций несоответствия не только препятствует эпитаксиальному росту более толстых сверхпроводящих пленок, но приводит к возникновению большеугловых (>5°) межзеренных границ, через которые прохождение сверхпроводящего тока затруднено. Такая высокая чувствительность сверхпроводящего тока к остроте текстуры (межзеренное разупорядочение) сверхпроводящей пленки связана с малой величиной параметра корреляции куперовских пар ~ 5-10 ангстрем. Повышению плотности критического тока в ВТСП-2 проводах должно способствовать увеличение критической толщины структурно-совершенного сверхпроводящего слоя и увеличение в сверхпроводящем слое перкаляционных путей для сверхпроводящего тока за счет увеличения количества малоугловых (<5°) межзеренных границ.

Рост сверхпроводящего слоя происходит на поверхности оксидного буфера, который задает сверхпроводящему слою начальные условия эпитаксиального роста. Чем совершенней кристаллическая структура и морфология эпитаксиального слоя буфера, тем совершенней будет кристаллическая структура сверхпроводящего слоя.

Магнитная обработка эпитаксиального буферного слоя в указанных выше режимах повышает качество его кристаллической структуры, уменьшает на его поверхности количество дислокаций несоответствия и напряжений, что снижает количество большеугловых межзеренных границ, способствует формированию более мелких зерен и, как следствие, улучшает морфологию слоя, сглаживая его поверхность. Все это повышает структурное и морфологическое качество формируемого на буфере эпитаксиального сверхпроводящего слоя, что, в свою очередь, обуславливает повышение критического сверхпроводящего тока в ВТСП-2 проводе.

Осуществление изобретения

Далее изобретение поясняется с помощью конкретных примеров.

Примерами, иллюстрирующими данный способ, является обработка в переменном магнитном поле эпитаксиальных буферных слоев оксида церия CeO₂ и цирконата лантана La₂Zr₂O₇ (LZO) на биаксиально текстурированной ленте-подложке из сплава Ni-5%W.

Аналогичные результаты, свидетельствующие об улучшении кристаллической структуры и морфологии эпитаксиальных оксидных буферных слоев после обработки в магнитном поле, были получены и на других буферных слоях на биаксиально текстурированной ленте-подложке из сплава Ni-5%W, например, титанат стронция SrTiO₃ и оксид циркония, стабилизированный иттрием YSZ.

Обработку эпитаксиальных оксидных буферных слоев осуществляли в переменном магнитном поле (МП) при следующих условиях:

Критерием эффективности магнитной обработки являлось изменение площадей рентгеновских дифракционных пиков S образцов эпитаксиальных буферных пленок оксида церия CeO₂ толщиной 10 нм и цирконата лантана LZO толщиной 40 нм до и после магнитной обработки, которое свидетельствует о перестройке дефектной структуры материала, т.е. об эффекте обработки в магнитном поле.

В таблицах 1 и 2 приведены данные по результатам обработки в МП образцов эпитаксиальных буферных слоев оксида церия CeO₂ и цирконата лантана LZO. Для экспериментов по магнитной обработке были приготовлены образцы эпитаксиальных буферных пленок оксида церия CeO₂ толщиной 10 нм и цирконата лантана LZO толщиной 40 нм, для которых были сняты рентгеновские дифрактограммы и получены АСМ изображения поверхности (см. в таблицах 1 и 2 данные для образцов №5). Затем каждый из этих образцов был фрагментирован на 4 части - это образцы №1-4, которые обрабатывали в магнитном поле с разными значениями частоты ω.

На фиг. 1 и 2 показаны дифрактограммы и АСМ изображения образцов эпитаксиальных буферных слоев оксида церия CeO₂ и цирконата лантана La₂Zr₂O₇ (LZO) до и после обработки в МП.

Проведенные экспериментальные исследования по влиянию обработки внешним переменным магнитным полем на кристаллическую структуру и морфологию ряда эпитаксиальных оксидных буферных слоев показали, что положительный результат достигается при соблюдении заявленных режимов обработки: амплитуда напряженности переменного магнитного поля не более 0,10 Тл (при этом наибольше влияние магнитной обработки на кристаллическую структуру наблюдается при амплитуде напряженности магнитного поля 0,10 Тл) и частота магнитного поля 10-40 Гц. Экспериментально было показано, что при длительности магнитной обработки менее 100 с эффект обработки либо не наблюдается, либо он неустойчив. При временах 100 и более секунд влияние магнитной обработки носит устойчивый характер, указывающий на существование «плато» на временной зависимости эффекта магнитной обработки эпитаксиальных оксидных буферных слоев.

Способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала, включающий 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, термообработку буферного слоя, нанесение на буферный слой, по меньшей мере, одного эпитаксиального слоя сверхпроводникового материала и его термообработку, отличающийся тем, что 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.