Регистрация / Вход
Прислать материал

14.576.21.0025

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.576.21.0025
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет"
Название доклада
Получение эпитаксиальных буферных слоев токонесущего элемента ВТСП-2 провода метдом PAND с использованием магнитной структурной обработки
Докладчик
Чибирова Фатима Христофоровна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта была разработка научно-технических основ для создания на базе недорогого жидкофазного метода PAND недорогой эффективной технологии производства высокотемпературных сверхпроводящих проводов 2-го поколения (ВТСП-2 проводов). Задачей данного ПНИ являлось улучшение структурных и текстурных характеристик буфера токонесущего элемента ВТСП-2 провода и повышение плотности критического тока в сверхпроводящем YBa2Cu3O7-x (YBCO) слое за счет применения магнитной структурной обработки (МСО) эпитаксиальных слоев буфера.
Актуальность и новизна исследования
Научная новизна заявляемой тематики заключается в постановке новой для мировой и отечественной практики научно-технической задачи, а именно: совместное применение в одной технологической цепочке новой недорогой жидкофазной технологии и метода магнитной структурной обработки (МСО). Такой подход позволит понизить себестоимость ВТСП-2 провода и повысить структурное и текстурное качество получаемых буферных покрытий, которое влечет за собой повышение токонесущих характеристик сверхпроводящего слоя. Повышение качества ВТСП-2 проводов, при практически неизменных затратах на производство, будет способствовать снижению их стоимости.
Описание исследования

Существенным фактором снижения  удельной стоимости ВТСП-2 провода является повышение его качества, т.е. увеличение критического тока. Теоретически ВТСП-2 провод шириной 1 см со сверхпроводящим слоем из иттрий бариевого купрата YBa2Cu3O7-x (далее YBCO)  толщиной 5 мкм может нести токи до 10 000 А и более. Однако сегодня для промышленно выпускаемых ВТСП-2 проводов критический ток составляет  200-300 А. Дело в том, что при увеличении толщины YBCO слоя до 4-5 мкм критический ток в нем резко падает из-за возникающих несовершенств структуры, а именно: из-за дислокаций несоответствия, приводящих к уменьшению перкаляционных путей для сверхпроводящего тока в слое YBCO. Дислокации несоответствия являются причиной возникновения большого количества высокоугловых (>50) межзеренных границ в слое YBCO, перекрывающих путь сверхпроводящему току. Высокая чувствительность ВТСП-2 материала к остроте текстуры (межзеренное разупорядочение) связана с малой величиной параметра корреляции их куперовских пар ~ 5-10 ангстрем (для сравнения, у низкотемпературных сверхпроводников этот параметр ~ нескольких сантиметров). Таким образом, чтобы повысить плотность критического тока в ВТСП-2 проводах надо увеличить в нем количество перкаляционных путей для сверхпроводящего тока за счет уменьшения количества высокоугловых (>50) межзеренных границ в YBCO слое. Для достижения этой цели будет применен новый подход к борьбе с дислокациями несоответствия в YBCO слое. Борьбу с дислокациями несоответствия надо начинать с буферных слоев, задающих слою YBCO остроту текстуры и размер зерна. 

В настоящем ПНИ для повышения остроты текстуры (уменьшение межзеренного разупорядочения) будет применена МСО как новый подход для совершенствования кристаллической структуры эпитаксиальных буферных слоев и уменьшения количества дислокаций несоответствия. МСО базируется на магнитном структурном эффекте, который проявляется в необратимых изменениях в дефектной структуре твердого тела после обработки во вращающемся магнитном поле. МСО не требует дорогостоящего оборудования, а длительность обработки пленочных материалов составляет несколько минут. Поэтому встраивание МСО в технологическую цепочку производства несущественно увеличит стоимость изделий.


Задача 1. Экспериментальное и теоретическое исследование всех стадий формирования затравочных эпитаксиальных слоев буфера по методу PAND.

 По методу PAND эпитаксиальные слои формируются из наночастиц заданного состава, которые синтезируются в водных растворах недорогих и доступных термочувствительных полимеров. Формирование слоев по методу PAND происходит по новому типу эпитаксии, который будет экспериментально и теоретически изучен в этой задаче. Отличительной особенностью пленок, получаемых по методу PAND, является их пространственная и структурная однородность, которая задается структурной однородностью наночастиц и однородностью их пространственного распределения в устойчивых золях в  водных растворах полимеров, которые, в свою очередь, помогают сохранить пространственную однородность в процессе формирования прекурсорных слоев и целевых пленок. Использование метода PAND позволяет существенно снизить себестоимость процесса получения эпитаксиальных буферных слоев по сравнению с используемыми в настоящее время вакуумными методами  (реактивное напыление и лазерное осаждение PLD — Pulsed Laser Deposition) и безвакуумными методами  (жидкофазная эпитаксия LPE - Liquid Phase Epitaxy,  химическое осаждение из газовой фазы CVD- Сhemical Vapour Deposition, химическое осаждение из паров металлоорганических соединений MOCVD - Metal-Organic Chemical Vapor Deposition).

Архитектура буфера ВТСП-2 провода может быть однослойной и многослойной. Многослойные буферы могут состоять из нескольких слоев одного и того же материала, а могут состоять из слоев разных материалов, наносимых в заданной последовательности в зависимости от их индивидуальных свойств. Материалами буферных покрытий являются оксиды, решеточные параметры которых близки к решеточным параметрам подложки и YBCO слоя, в том числе оксиды Y2O3, La2Zr2O7 (LZO), CeO2, SrTiO3 (STO).

К ключевым показателям повышения качества буферных эпитаксиальных слоев в процессе МСО относятся: уменьшение размера зерна d, уменьшение шероховатости поверхности Ra, увеличение остроты текстуры FWHM (полуширина на полувысоте кривой качания в угловых градусах).  Ключевым показателем повышения качества слоя YBCO, сформированного на буфере после МСО, является увеличение плотности критического тока jс.

 

Результаты исследования

В процессе реализации проекта были проведены экспериментальные и теоретические исследования всех стадий формирования методом PAND с использованием МСО затравочных (Y2O3, CeO2 и STO), барьерных (La2Zr2O7 и CeO2) и верхушечных (CeO2 и STO) слоев буфера на Ni-5%W ленте-подложке.

Для всех слоев буфера были разработаны эффективные процессы МСО, что позволило  увеличить остроту текстуры буфера, полученного с использованием МСО, в среднем на 2-3 градуса, что соответствует требованиям ТЗ.

В исследованиях зарубежных ученных для повышения остроты текстуры буфера используется либо многослойное нанесение очень тонкими слоями для ограничения роста дислокаций несоответствия. Это трудоемкий и дорогой путь.

Другой подход связан с использованием для буферов слоев из материалов с большой критический толщиной эпитаксиальной пленки, например, Ba2YNbO6 [Amit Goyal et al, MRS Communications (2015), 5, 533-538].

ПЭМ исследования буферов, полученных с применением и без применения МСО, показали существенное улучшение монокристаллической структуры буфера, полученного с применением МСО. В частности, в буфере La2Zr2O7, полученном с МСО, размер пор 2-5 нм (вместо 10-15 нм в необработанных буферах La2Zr2O7), при этом поры в этом буфере закрытого типа (вместо пор открытого типа в необработанных буферах La2Zr2O7), что существенно улучшает барьерные свойства буфера.

На вершинах буферов, полученных с применением и без применения МСО, методом PAND были сформированы YBCO слои толщиной 200 нм. Проведенные испытания показали, что экспериментальные образцы токонесущего элемента ВТСП-2 провода, изготовленные с применением МСО, в соответствии с ТЗ испытание выдержали. У этих образов среднее значение плотности критического тока jk,ср превышало  более чем на 10% среднее значение плотности критического тока jk,ср у экспериментальных образцов, изготовленных без МСО.

Проведенный поэтапный (с интервалом 200º) эпитаксиальный отжиг затравочных слоев Y2O3, CeO2 и STO позволил с помощью исследований образцов методами РФА, АСМ и СЭМ обнаружить различия в росте эпитаксиальных пленок, получаемых из кристаллических наночастиц CeO2 или из аморфных наночастиц Y2O3 и STO. Было установлено, что эпитаксиальная пленка из кристаллических наночастиц СеО2 растет по островковому механизму, в то время, как пленки, полученные из аморфных наночастиц, растут послойно.

Полученные экспериментальные данные были использованы для построения теоретической модели зародышеобразования и роста эпитаксиальной пленки из наночастиц, как в методе PAND.

 

Практическая значимость исследования
Инновационная составляющая предполагаемых к разработке научных и научно-технических результатов, технических и технологических решений ляжет в основу последующей реализации проекта в виде разработки эффективной технологии для производства ВТСП-2 проводов в РФ.
Разрабатываемая технология ориентирована на коммерческое применение в области производства ВТСП-2 проводов и является конкурентоспособной на мировом рынке. Разработанные в ПНИ технологические процессы МСО предназначены для встраивания в технологическую цепочку производства токонесущего элемента ВТСП-2 проводов для любой используемой технологии. Поэтому потенциальными потребителями научно-технических результатов ПНИ могут быть организации уже имеющие технологии для производства ВТСП-2 провода или еще разрабатывающие такие технологии.
Помимо этого разработанные в ПНИ технологические процессы МСО могут быть использованы для МСО различных типов функциональных покрытий на разных подложках для повышения и стабилизации их служебных характеристик. Например, МСО можно применять для замедления старения функциональных пленочных покрытий, т.е. для стабилизации их служебных характеристик.
Масштабность возможного использования ожидаемых результатов исследований будет определяться главным образом динамикой развития отечественной сверхпроводниковой индустрии и электротехнической промышленности, а также масштабностью внедрением МСО в другие области высокотехнологичного производства.