RU2267190C2 - Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития и способ его изготовления - Google Patents
Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2267190C2 RU2267190C2 RU2001135067/28A RU2001135067A RU2267190C2 RU 2267190 C2 RU2267190 C2 RU 2267190C2 RU 2001135067/28 A RU2001135067/28 A RU 2001135067/28A RU 2001135067 A RU2001135067 A RU 2001135067A RU 2267190 C2 RU2267190 C2 RU 2267190C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- lithium
- solid solution
- layer
- phosphide
- Prior art date
Links
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 14
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 14
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 22
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 18
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 13
- IDBFBDSKYCUNPW-UHFFFAOYSA-N lithium nitride Chemical compound [Li]N([Li])[Li] IDBFBDSKYCUNPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 21
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 21
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 claims description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 abstract description 45
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 12
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 10
- 239000010409 thin film Substances 0.000 abstract description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- 229910004786 P-Li Inorganic materials 0.000 description 12
- 229910004796 P—Li Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 3
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 229910004261 CaF 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 229940126214 compound 3 Drugs 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005339 levitation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 1
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
Abstract
Использование: изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости и, в частности, к способам производства высокотемпературных сверхпроводящих пленок и может быть использовано в электроэнергетике, радиотехнике, электронной технике, системах связи и т.д. Сущность изобретения: высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития выполнен в виде многослойной структуры, включающей диэлектрическую подложку, на которой последовательно расположены буферная алмазная пленка и слой твердого раствора нитрида лития в фосфиде лития с содержанием нитрида лития в пределах 4-7%. Поверхность слоя твердого раствора покрыта защитной алмазной пленкой. Толщина слоя твердого раствора не превышает 2 мкм, а толщина буферной и защитной алмазных пленок составляет 20-50 нм. В качестве диэлектрической подложки может быть использован кварцевый волоконный световод, покрытый слоем оксонитрида кремния толщиной до 50 нм. Для получения высокотемпературного сверхпроводника на основе фосфида лития предлагается способ, заключающийся в том, что на расположенную в реакторе и нагретую до температуры 500-600°С диэлектрическую подложку из парогазовой смеси метана и водорода в потоке инертного газа в СВЧ-плазме пониженного давления осаждают буферную алмазную пленку, на которую затем путем плазмохимического осаждения наносят слой твердого раствора нитрида лития в фосфиде лития с содержанием нитрида лития 4-7% путем подачи в зону осаждения осушенного инертного газа и конгруэнтно испаренного при температуре 450-550°С твердого раствора фосфида и нитрида лития аналогичного состава, после чего на поверхность слоя твердого раствора осаждают защитную алмазную пленку. Техническим результатом изобретения является повышение критической температуры перехода вплоть до комнатной, сохранение сверхпроводящих свойств при длительной эксплуатации, возможность формирования высокотемпературных сверхпроводящих тонкопленочных структур, а также проволоки и кабеля в совмещенном процессе вытяжки кварцевого оптического волокна из соответствующей заготовки. При этом обеспечивается двойное использование оптического волокна как основы ВТСП-проводников для передачи электрического тока без потерь, а также для телекоммуникаций, что открывает широчайшие перспективы для таких оптоволоконных ВТСП-структур. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) и, в частности, к способам производства высокотемпературных сверхпроводящих пленок и кабеля плазмохимическим осаждением из газовой фазы и может быть использовано в электроэнергетике, радиотехнике, электронной технике, системах связи и т. д. Стоит отметить, что в современных воздушных линиях электропередачи теряется до 10% передаваемой энергии и еще больше потери энергии происходит на преобразование тока. Велика потребность и в сверхпроводящих магнитах для реализации сильных магнитных полей («Токамаки», ЯМР-томографы, потребности в которых составляют тысячи штук в год). Найти широкое применение могут и различного рода датчики. Перспективно использование пленок и кабелей ВТСП при создании принципиально новых конструкций поездов, кораблей (на основе магнитной левитации) и т.д.
В настоящее время высокотемпературная сверхпроводимость более всего изучена в ВТСП-керамике, где для образцов HgCa4Ba3Cu6O8+x, была получена температура сверхпроводящего перехода (Tc) при 162 К. Оксидные пленки изготавливаются различными способами. Известен метод ВЧ-плазменного распыления (патент Японии №56-109824). Методом плазмохимического осаждения (патент США №05814583, опубл. 1998) формировались многослойные пленки сложного состава типа A (Ba2Cu3O7-х), где A=Y, Но, Lu, Sm, Nd, Gd, Ей, Dy, Tm, Yb, La, которые наносились на подложки из MgO или SrTiO3, причем наружная поверхность ВТСП-пленки покрывалась защитной кристаллической пленкой SrTiO3. Тем не менее проблему нестабильности сверхпроводящих свойств при длительной эксплуатации и хранении, вызванной нестехиометричностью соединений в кристалических пленках сложного состава, решить не удалось. Существенным недостатком пленок вышеназванных составов является и то, что приборы на их основе должны работать при температурах жидкого азота. К тому же они нестабильны при переключении и переходят в многофазное состояние, в котором отсутствуют сверхпроводящие свойства.
Наиболее близким к предлагаемому ВТСП материалу является фосфид лития Li3P в кубической фазе повышенной плотности (более 1,6 г/см3) в качестве сверхпроводника (патент России №2128383. Дончак А.А. Высокотемпературный сверхпроводник, кл. 6 Н 01 L 39/12, опубл. 1999). Получение этого материала осуществляется в тороидальной камере высокого давления из предварительно синтезированного Li3P гексагональной фазы (Калинин В. Б. и др. Материаловедение. 1999. №2. С.40). Однако заявляемые сверхпроводящие (СП) свойства этого материала возможны только в фазах высокого давления (рабочее давление 100-150 кбар, температура 700-1100°С), что создает большие трудности для создания тонкопленочных и кабельных конструкций. При этом не определена реальная температура СП-перехода в заявленном материале.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является: повышение критической температуры СП перехода вплоть до комнатной, сохранение СП свойств при длительной эксплуатации, возможность формирования ВТСП тонкопленочных структур, а также проволоки и кабеля в совмещенном процессе вытяжки кварцевого оптического волокна из соответствующей заготовки. При этом обеспечивается двойное использование оптического волокна как основы ВТСП-проводников для передачи электрического тока без потерь, а также для телекоммуникаций, что открывает широчайшие перспективы для таких оптоволоконных ВТСП-структур.
Это достигается тем, что высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития выполнен в виде многослойной структуры, включающей диэлектрическую подложку, на которой последовательно расположены буферная алмазная пленка и слой твердого раствора нитрида лития в фосфиде лития в пределах 4-7%. Поверхность слоя твердого раствора покрыта защитной алмазной пленкой. Толщина слоя твердого раствора не превышает 2 мкм, а толщина буферной и защитной алмазных пленок составляет 20-50 нм. В качестве диэлектрической подложки может быть использован кварцевый волоконный световод, покрытый слоем оксонитрида кремния толщиной до 50 нм.
Для получения ВТСП на основе фосфида лития предлагается способ, заключающийся в том, что на расположенную в реакторе и нагретую до температуры 500-600°С диэлектрическую подложку из парогазовой смеси метана и водорода в потоке инертного газа в СВЧ-плазме пониженного давления осаждают буферную алмазную пленку, на которую затем путем плазмохимического осаждения наносят слой твердого раствора нитрида лития в фосфиде лития с содержанием нитрида лития 4-7% путем подачи в зону осаждения осушенного инертного газа (аргон, гелий и т. д.) и конгруэнтно испаренного при температуре 450-550°С твердого раствора фосфида и нитрида лития аналогичного состава, после чего на поверхность слоя твердого раствора осаждают защитную алмазную пленку.
Толщина алмазной пленки и в этом случае составляет 20-50 нм. Эта пленка наносится с целью пленочной стабилизации и защиты пленки Li3P-Li3N от влаги (могут быть нанесены также пленки карбида кремния и т.д).
Нанесение же буферной алмазной пленки приводит к улучшению согласования параметров решетки растущей ВТСП-структуры и подложки, а также к улучшению кристалличности структуры при росте кубической фазы пленки. Вследствие диффузии атомов углерода в материал основы ВТСП (Li3P-Li3N) происходит также совершенствование его сверхпроводящих свойств. Увеличение толщины пленки сверх 50 нм не приводит к заметному улучшению СП-свойств, но снижает производительность процесса осаждения, а уменьшение толщины ниже 20 нм значительно ухудшает качество формируемой структуры (снижается температура СП-перехода).
Следует также отметить, что общая толщина осаждаемого в СВЧ-плазме пониженного давления слоя твердого раствора Li3P-Li3N не должна превышать 2 мкм вследствие появляющихся микронапряжений и ухудшения сверхпроводящих свойств в целом.
На фиг.1 изображено устройство для осуществления предложенного способа. Устройство состоит из реактора 1 (кварцевое стекло), во входной части которого раздута камера 2, где размещается синтезированный по стандартной технологии порошкообразный компаунд 3 состава Li3P-Li3N (Li3N до 7 вес.%) в виде гексагональной фазы. Подводимая от СВЧ-генератора 8 и волноводного тракта 7 СВЧ-мощность поступает в водоохлаждаемый СВЧ-плазмотрон 6, благодаря чему в реакторе 1 вблизи подложек 12 (кварцевое стекло, кремний, алмаз, CaF2 и т. д.) формируется плазма 5 СВЧ-разряда пониженного давления. Требуемый вакуум обеспечивается вакуумным насосом 10. Осушенный инертный газ поступает внутрь реактора 1 из химблока 9, а нейтрализация отработанных в ходе проведения плазмохимических реакций газов реализуется с помощью скруббера 11. Возгонка порошка 3 обеспечивается газовой горелкой 4, расположенной строго под камерой 2. Требуемая температура подложки в процессе осаждения тонкопленочных ВТСП-структур обеспечивается электропечью 14 длиной до 1 м, внутри которой помещен водоохлаждаемый СВЧ-плазмотрон 6 с реактором 1 и подложками 12. Перемещение СВЧ-плазмотрона 6 вместе с СВЧ-генератором 8 и волноводным трактом 7 относительно неподвижных реактора 1 и печи 14 достигается благодаря подвижной платформе 13, на которой и устанавливается СВЧ-генератор 8.
Предложенный способ осуществляется, например, следующим образом. Реактор 1 (диаметр 25-40 мм) с размещенными внутри него подложками 12 коаксиально располагается в СВЧ-плазмотроне 6 (например, волноводного типа, работающего на Н10-типе волны). СВЧ-генератор 8 вместе с волноводным трактом 7 устанавливается на подвижной платформе 13, которая испытывает возвратно-поступательные перемещения относительно реактора 1 с подложками 12. СВЧ-энергия от СВЧ-генератора 8 (частота 2,45 Ггц, мощность до 5 кВт) подается по волноводному тракту 7 в СВЧ-плазмотрон 6, в результате чего при поступлении в реактор 1 от химблока 9 осушенного инертного газа и создании с помощью вакуумного насоса 10 давления 5-10 торр внутри реактора формируется плазма 5 СВЧ-разряда. В течение 10-15 мин подложки 12 очищаются посредством плазмохимической обработки, после чего производится послойное осаждение тонкой буферной алмазной пленки 15 (при возвратно-поступательном перемещении СВЧ-плазмотрона 6 относительно неподвижного реактора 1) из газовой смеси СН4+Н2+Не (поступающей от химблока 9) при СВЧ-мощности 3,5 кВт, температуре подложки 500-600°С (задаваемой с помощью электропечи 14) и давлении 10-20 торр. Далее исходный порошок 3 состава Li3P-Li3N в виде гексагональной фазы, предварительно засыпанный в камеру 2, нагревается посредством газовой горелки 4 при температуре 450-550°С. При этом осуществляется конгруэнтное испарение порошка 3 в аргоновый поток. При СВЧ-мощности порядка 2 кВт и температуре подложки 500-600°С осуществляется процесс СВЧ-плазмохимического осаждения слоя Li3P-Li3N 16 в виде кубической фазы. Испаренные частицы порошка 3, попадая в область неизотермической плазмы 5 со значительным (на порядок величины и больше) отрывом электронной температуры Те от газовой Тг, в результате происходящих здесь неравновесных плазмохимических реакций трансформируются в газовой фазе в микрочастицы кубической фазы. В дальнейшем, осаждаясь на подложку, растущие микрочастицы при заданной температуре подложки формируют слой 16 твердого раствора состава Li3P-Li3N уже кубической фазы (аналогично фазе высокого давления, получаемой в тороидальной камере). За один проход (перемещение) СВЧ-плазмотрона 6 относительно реактора 1 с подложками 12 наносится один монослой толщиной 0,1 мкм и менее. Количество таких слоев в ходе проведения процесса осаждения может достигать нескольких тысяч. Затем с целью пленочной стабилизации и защиты слоя твердого раствора Li3P-Li3N от влаги на ее поверхность на этой же установке наносится тонкая (20-50 нм) алмазная пленка 17.
Параметры процесса представлены ниже.
Пример №1:
а) осаждение буферной алмазной пленки:
| - диаметр реактора, мм | 30 |
| - длина зоны осаждения, мм | 40 |
| - частота генератора, ГГц | 2,45 |
| - СВЧ-мощность, кВт | 3,5 |
| - температура подложки, °С | 500 |
| - материал подложки | Si<111> |
| - размер подложки, мм | 10×700 |
| - рабочее давление газа, торр | 15 |
| - состав газовой смеси | СН4+H2+Не |
| - толщина алмазной пленки, нм | 30 |
б) осаждение Li3P-Li3N-слоя:
| - исходный материал | Li3Р(93%)-Li3N (7%) |
| - расход аргона, см3/мин | 400 |
| - рабочее давление, торр | 10 |
| - СВЧ-мощность, кВт | 2,0 |
| - температура подложки, °С | 500 |
| - температура испарения исходного | |
| материала, °С | 450 |
| - толщина осаждаемой пленки, мкм | 1,5 |
| - скорость перемещения СВЧ-плазмотрона | 3,5 |
относительно реактора, м/мин
в) осаждение защитной алмазной пленки:
осаждение осуществляется по режиму а) (пример №1)
В результате температура сверхпроводящего перехода (Tc) составила 253 К.
Пример №2:
Параметры процесса остаются такими же, как в Примере №1, кроме состава исходного материала:
| - исходный материал | Li3P(96%)-Li3N(4%) |
| - температура сверхпроводящего перехода, Tc | 238 К |
Пример №3:
Параметры процесса такие же, как в Примере №1, кроме состава исходного материала:
| - исходный материал | Li3P(95%)-Li3N(5%) |
| - температура сверхпроводящего перехода Tc | 245 К |
Герметичное покрытие на основе алмазной пленки существенно повышает долговечность и эксплуатационные характеристики ВТСП-структуры благодаря защите пленки от диффузии молекул водорода и воды.
Следует также отметить, что в качестве подложки для создания гибких сверхпроводящих проводов и кабелей нового поколения с успехом могут быть применены кварцевые оптические волокна, поскольку они механически прочны, не магнитны, имеют малый вес, относительно высокие значения напряжений на разрыв и скручивание. ВТСП-проводники на оптическом волокне (как основы) имеют экстремально низкие потери вследствие: а) потери на вихревые токи минимальны из-за диэлектрической природы оптоволоконной подложки, б) экстремально низкие потери на гистерезис, которые пропорциональны диаметру волокна (оно может быть сделано размером в несколько микрон), в) круговая симметрия волокна обеспечивает однородное распределение тока в ВТСП-проводах, г) оптические волокна демонстрируют способность каблироваться в разнообразные жгуты, д) волокно может покрываться различными металлами (медь, серебро, алюминий, олово и т.д.) для создания электрической и термической стабильности, е) оно также может быть покрыто диэлектрическими материалами для электрической изоляции и защиты от действия внешней среды.
Принципиально возможно двойное использование оптического волокна как основы ВТСП-проводников для передачи электрического тока без потерь, а также для телекоммуникаций, что открывает широчайшие перспективы для таких оптоволоконных ВТСП-структур.
Проблема формирования ВТСП-проволоки и кабеля (работающих при температурах, близких к комнатной) на базе заявляемой С- (Li3P-Li3N)-С-структуры решается в настоящем изобретении посредством СВЧ-плазмохимического многослойного осаждения на кварцевое оптическое волокно в процессе его вытяжки из заготовки. Ведение такого процесса (одновременная вытяжка оптического волокна и формирование ВТСП-структуры) на одной установке позволяет существенно увеличить производительность и эффективность процесса, а также снизить его себестоимость.
Для реализации этой цели может быть использовано устройство, представленное на фиг.2. Оптическое волокно 3, вытягиваемое из кварцевой заготовки 2 с помощью графитовой печи 1, после плазмохимической очистки в стационарном СВЧ-плазмотроне 4 (например, как в патенте США №4530750) проходит через СВЧ-плазмохимический реактор 5, где осуществляется осаждение SiON-покрытия (концентрация азота в пределах 8-10%), обеспечивающего герметичность и повышенную прочность кварцевого волокна, толщиной около 50 нм (при этом может быть использован реактор, который описан в патенте США №5595793). Далее волокно 1 поступает в плазмохимический реактор 6, где осуществляется осаждение тонкой буферной алмазной пленки, которая представляет собой затравочный слой для усовершенствованного дальнейшего роста основы ВТСП-структуры - слоя твердого раствора Li3P-Li3N. Эта пленка формируется в плазмохимическом реакторе 7 по типу устройства 6, которое снабжается камерой подачи испаренного исходного материала в гексагональной фазе. Затем волокно 3 проходит через плазмохимический реактор 8, в котором на волокно наносится стабилизационный и защитный слой тонкой алмазной пленки. Процесс завершается в плазмохимическом реакторе 9 магнетронного типа (может быть использован также металлизатор), в котором тонкое металлическое покрытие (например, алюминий) наносится на волокно со сформированной ВТСП-структурой. Таким образом, ВТСП-проволока (модуль) сформирована. Далее она наматывается на барабан 10.
Параметры процесса:
Пример №4:
а) осаждение упрочняющего и герметичного SiON-слоя:
| - диаметр реактора, мм | 20 |
| - частота генератора, ГГц | 2,45 |
- СВЧ-мощность, кВт 1,5
| - газовая смесь | SiCl4+N3+O2 |
| - концентрация азота в осжденном слое, % | 8 |
| - рабочее давление, торр | 10 |
| - диаметр кварцевого волокна, мкм | 125 |
| - температура волокна при осаждении, °С | 1200 |
| - толщина нанесенной пленки, нм | 40 |
| - длина зоны осаждения, мм | 50 |
б) осаждение буферной алмазной пленки:
| - СВЧ-мощность, кВт | 2,5 |
| - газовая смесь | СН4+H2+Не |
| - рабочее давление, торр | 14 |
| - температура волокна при осаждении, °С | 600 |
| - длина зоны осаждения, мм | 50 |
| - толщина нанесенной пленки, нм | 30 |
в) осаждение (Li3P-Li3N)-слоя:
| - СВЧ-мощность, кВт | 0,5 |
| - рабочее давление, торр | 8 |
| - температура волокна "при осаждении, °С | 550 |
| - расход аргона, см3 /мин | 200 |
| - толщина пленки, мкм | 1,2 |
| - длина зоны осаждения, мм | 80 |
г) осаждение защитной и стабилизационной алмазной пленки: осуществляется по вышеприведенному режиму б) (пример №4)
д) осаждение металлизированного покрытия:
- материал алюминий
| - температура волокна при нанесении, °С | 800 |
| - мощность в разряде, кВт | 5,0 |
| - рабочая частота генератора, МГц | 13,56 |
| - рабочее давление, торр | 10-4 |
| - толщина покрытия, мкм | 7 |
Температура сверхпроводящего перехода ВТСП-проволоки Те составила 236 К. Оптические потери в волокне составили менее 1 ДБ/км на длине волны 1,55 мкм.
Таким образом, предложенный высокотемпературный сверхпроводник представляет новый класс сверхпроводников с предельными температурами сверхпроводящего перехода Тс вплоть до комнатных температур (253 К). При этом сохраняются СП-свойства при длительной эксплуатации и хранении. Обеспечивается практическая возможность формирования ВТСП тонкопленочных структур, а также проволоки и кабеля в совмещенном процессе вытяжки кварцевого оптического волокна из соответствующей заготовки.
Реализация способа позволяет осуществить двойное использование оптического волокна как основы ВТСП-проводников для передачи электрического тока без потерь, а также для телекоммуникаций.
Claims (3)
1. Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития, отличающийся тем, что он выполнен в виде многослойной структуры, включающей диэлектрическую подложку, на которой последовательно расположены буферная алмазная пленка и слой твердого раствора нитрида лития в фосфиде лития с содержанием нитрида лития в пределах 4-7%, а поверх слоя твердого раствора расположена алмазная защитная пленка, при этом толщина буферной и защитной алмазной пленок составляет 20-50 нм, а толщина слоя твердого раствора не превышает 2 мкм.
2. Высокотемпературный сверхпроводник по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической подложки использован кварцевый волоконный световод, покрытый оксонитридом кремния толщиной до 50 нм.
3. Способ изготовления высокотемпературного сверхпроводника на основе фосфида лития, отличающийся тем, что на расположенную в реакторе и нагретую до температуры 500-600°С диэлектрическую подложку из парогазовой смеси метана и водорода в потоке инертного газа в СВЧ-плазме пониженного давления осаждают буферную алмазную пленку, на которую затем наносят путем плазмохимического осаждения слой твердого раствора нитрида лития в фосфиде лития с содержанием нитрида лития 4-7% путем подачи в зону осаждения осушенного инертного газа и конгруэнтно испаренного при температуре 450-550°С твердого раствора фосфида и нитрида лития аналогичного состава, после чего на поверхность слоя твердого раствора осаждают защитную алмазную пленку.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001135067/28A RU2267190C2 (ru) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития и способ его изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001135067/28A RU2267190C2 (ru) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития и способ его изготовления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001135067A RU2001135067A (ru) | 2003-09-10 |
| RU2267190C2 true RU2267190C2 (ru) | 2005-12-27 |
Family
ID=35870515
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001135067/28A RU2267190C2 (ru) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития и способ его изготовления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2267190C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114314537A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 杭州电子科技大学 | 一种磷化锂基复合材料的制备方法及其作为补锂材料的应用 |
| CN114956020A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-30 | 武汉理工大学 | 一种Li3P晶体粉体的制备方法、Li3P晶体粉体及其应用 |
-
2001
- 2001-12-26 RU RU2001135067/28A patent/RU2267190C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114314537A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 杭州电子科技大学 | 一种磷化锂基复合材料的制备方法及其作为补锂材料的应用 |
| CN114314537B (zh) * | 2021-12-30 | 2023-08-15 | 杭州电子科技大学 | 一种磷化锂基复合材料的制备方法及其作为补锂材料的应用 |
| CN114956020A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-30 | 武汉理工大学 | 一种Li3P晶体粉体的制备方法、Li3P晶体粉体及其应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100719612B1 (ko) | 초전도체 형성 방법 및 반응기 | |
| EP1198846B1 (en) | Enhanced high temperature superconductor coated elements | |
| JP2664066B2 (ja) | 超電導薄膜およびその作製方法 | |
| US6673387B1 (en) | Control of oxide layer reaction rates | |
| US6765151B2 (en) | Enhanced high temperature coated superconductors | |
| KR100683186B1 (ko) | 다층 제품 및 그의 제조방법 | |
| JP4234424B2 (ja) | 前駆体溶液およびその使用方法 | |
| EP0308266A2 (en) | Method and apparatus for forming superconducting materials | |
| US5229358A (en) | Method and apparatus for fabricating superconducting wire | |
| US5057201A (en) | Process for depositing a superconducting thin film | |
| US20050065035A1 (en) | Superconductor methods and reactors | |
| US6794339B2 (en) | Synthesis of YBa2CU3O7 using sub-atmospheric processing | |
| US5093311A (en) | Oxide superconductor cable and method of producing the same | |
| RU2267190C2 (ru) | Высокотемпературный сверхпроводник на основе фосфида лития и способ его изготовления | |
| CA2029789A1 (en) | Flexible superconductor coated zirconia fibers | |
| US5196399A (en) | Apparatus for producing oxide superconductor cable | |
| Kirchner et al. | Towards a reliable bridge joint between REBCO coated conductors | |
| Zhao et al. | Deposition of high-Tc superconducting Y-Ba-Cu-O thin films at low temperatures using a plasma-enhanced organometallic chemical vapor deposition approach | |
| CA2527870A1 (en) | Ion beam-assisted high-temperature superconductor (hts) deposition for thick film tape | |
| Kim et al. | Effects of deposition temperature and annealing process on the superconducting properties of YBa2Cu3O7− x thin films prepared by metal organic chemical vapor deposition | |
| WO2017091112A2 (ru) | Способ получения высокотемпературной сверхпроводящей пленки на кварцевой подложке | |
| JPH0331482A (ja) | アルカリ土類金属およびアルカリ土類金属酸化物の一方又は両方を含有する物質の製造方法 | |
| JPH01275405A (ja) | 超電導体構造物の製造方法 | |
| JP3045705B2 (ja) | 酸化物系超電導材料とその製法およびそれを用いた装置 | |
| JPH11329118A (ja) | 酸化物超電導複合材およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20061227 |