Выращивание высокотемпературных сверхпроводящих пленок YBaCuO на золоте

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.