RU2629136C2 - Production method of high-temperature superconducting film on the quartz substrate - Google Patents

Production method of high-temperature superconducting film on the quartz substrate Download PDF

Info

Publication number
RU2629136C2
RU2629136C2 RU2015150399A RU2015150399A RU2629136C2 RU 2629136 C2 RU2629136 C2 RU 2629136C2 RU 2015150399 A RU2015150399 A RU 2015150399A RU 2015150399 A RU2015150399 A RU 2015150399A RU 2629136 C2 RU2629136 C2 RU 2629136C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
substrate
thickness
deposition
quartz
Prior art date
Application number
RU2015150399A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015150399A (en
Inventor
Николай Владимирович Порохов
Дмитрий Александрович Хрыкин
Николай Викторович Кленов
Александр Геннадьевич Маресов
Олег Васильевич Снигирев
Станислав Александрович Евлашин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2015150399A priority Critical patent/RU2629136C2/en
Priority to PCT/RU2016/050044 priority patent/WO2017091112A2/en
Publication of RU2015150399A publication Critical patent/RU2015150399A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2629136C2 publication Critical patent/RU2629136C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0268Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0296Processes for depositing or forming superconductor layers
    • H10N60/0521Processes for depositing or forming superconductor layers by pulsed laser deposition, e.g. laser sputtering; laser ablation
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0268Manufacture or treatment of devices comprising copper oxide
    • H10N60/0296Processes for depositing or forming superconductor layers
    • H10N60/0576Processes for depositing or forming superconductor layers characterised by the substrate
    • H10N60/0632Intermediate layers, e.g. for growth control

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: production method of high-temperature superconducting film on the amorphous quartz substrate involves applying of the three-layer coating into the pre-cleaned substrate surface. The first coating layer is formed from quartz with thickness 100-400 nm by magnetron spraying, the second layer is formed from zirconium dioxide, stabilized by yttrium with thickness 100-300 nm, the third layer is made of cerium dioxide with thickness 150-350 nm.
EFFECT: provision of the possibility to eliminate the cracking of the high-temperature superconducting film.
7 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в технологии получения высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов нового поколения (с использованием гибких диэлектрических носителей), применяемых как в сильноточной сверхпроводниковой технике (например, сверхпроводящие линии передач, ограничители тока), так и в слаботочной сверхпроводниковой электронике (например, сверхпроводящие трансформаторы магнитного потока и аксиальные градиометры для сверхпроводящих квантовых магнитометров (СКВИДов), сверхпроводящие линии передачи информации).The invention relates to a cryogenic technique and can be used in the technology for producing a new generation of high-temperature superconducting (HTSC) wires (using flexible dielectric carriers) used both in high-current superconducting equipment (for example, superconducting transmission lines, current limiters), and in a low-current superconducting electronics (e.g., superconducting magnetic flux transformers and axial gradiometers for superconducting quantum magnetometers (SQUIDs), superconductors dyaschie information transmission line).

Уровень техникиState of the art

Несмотря на заметный прогресс в направлении уменьшения стоимости высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов второго поколения и улучшения их характеристик, остается нерешенной проблема относительно высоких резистивных потерь на переменном токе, особенно во внешнем магнитном поле (например, Clem J.R., Malozemoff А.Р. Theory of ас loss in power transmission cables with second generation high temperature superconductor wires // Superconductor Science and Technology. 2010. Vol. 23, no. 3; Losses in Power Cables Made of 2G HTS Wires with Different Substrates / S.S. Fetisov, V.V. Zubko, A.A. Nosov et al. // Physics Procedia. 2012. Vol. 36, no. 0. P. 1319-1323). В общем случае, потери в ВТСП проводах второго поколения складываются из гистерезисного вклада за счет перемагничивания внешним и собственным магнитным полем, вихревых токов и контактных потерь (ас Loss analysis for superconducting generator armatures wound with subdivided Y-Ba-Cu-O coated tape / Charles E. Oberly, Larry Long, Gregory L. Rhoads, W. James Carr Jr // Cryogenics. - 2001. - Vol. 41, no. 2. - P. 117-124). Потери за счет собственного магнитного поля могут быть устранены путем использования немагнитных подложек и буферных слоев. Однако, как показано в (Comparison of the AC losses of BSCCO and YBCO conductors by means of numerical analysis / Svetlomir Stavrev, Francesco Grilli, Bertrand Dutoit, Stephen P Ashworth // Superconductor Science and Technology. - 2005. - Vol. 18, no. 10. - P. 1300), определяющее гистерезисные потери отношение ширины сечения сверхпроводящего слоя к высоте оказывается ключевым фактором, оказывающим влияние на величину потерь на ненулевой частоте. Так, например, потери для Y-Ba-Cu-O (YBCO) ленты второго поколения сильно зависят от угла между нормалью к поверхности ленты и направлением силовых линий магнитного поля: потери в параллельном магнитном поле оказываются в несколько раз слабее, чем в перпендикулярном. Таким образом, в приложениях, чувствительных к диссипации энергии, YBCO ленты оказываются малопригодными. В частности, YBCO лентами второго поколения до сих пор не удается заменить их низкотемпературные аналоги для реализации сверхпроводящих трансформаторов магнитного потока и аксиальных градиометров для сверхпроводящих квантовых магнитометров (СКВИДов), линий передачи информации, соединительных элементов.Despite significant progress towards reducing the cost of high-temperature superconducting (HTSC) wires of the second generation and improving their characteristics, the problem of relatively high resistive losses on alternating current, especially in an external magnetic field (for example, Clem JR, Malozemoff A.R. Theory of ac loss in power transmission cables with second generation high temperature superconductor wires // Superconductor Science and Technology. 2010. Vol. 23, no. 3; Losses in Power Cables Made of 2G HTS Wires with Different Substrates / SS Fetisov, VV Zubko, AA Nosov et al. // Physics Procedia. 2012. Vol. 36, no. 0. P. 1319-1323). In general, the losses in the second-generation HTSC wires are composed of the hysteresis contribution due to magnetization reversal by an external and own magnetic field, eddy currents, and contact losses (as Loss analysis for superconducting generator armatures wound with subdivided Y-Ba-Cu-O coated tape / Charles E. Oberly, Larry Long, Gregory L. Rhoads, W. James Carr Jr // Cryogenics. - 2001. - Vol. 41, no. 2. - P. 117-124). Loss due to intrinsic magnetic field can be eliminated by using non-magnetic substrates and buffer layers. However, as shown in (Comparison of the AC losses of BSCCO and YBCO conductors by means of numerical analysis / Svetlomir Stavrev, Francesco Grilli, Bertrand Dutoit, Stephen P Ashworth // Superconductor Science and Technology. - 2005. - Vol. 18, no 10. - P. 1300), which determines the hysteresis loss, the ratio of the cross-sectional width of the superconducting layer to the height turns out to be a key factor affecting the value of losses at a nonzero frequency. For example, the losses for the second-generation Y-Ba-Cu-O (YBCO) tape strongly depend on the angle between the normal to the surface of the tape and the direction of the magnetic field lines: the losses in a parallel magnetic field are several times weaker than in a perpendicular one. Thus, in applications sensitive to energy dissipation, YBCO tapes are of little use. In particular, YBCO second-generation tapes still cannot replace their low-temperature counterparts for the implementation of superconducting magnetic flux transformers and axial gradiometers for superconducting quantum magnetometers (SQUIDs), information transmission lines, and connecting elements.

Решение этой проблемы может состоять в создании проводов на базе диэлектрических подложек с малым отношением сторон сечения. Подложки в виде оксидных волокон (сапфир, кварц и др.) с этой точки зрения выглядят весьма привлекательно. Определенные результаты были получены при использовании кристаллических нитей в качестве подложки: недавно были представлены свойства ВТСП YBa2Cu3O7-x (YBCO) пленки, нанесенной на сапфировую фасетированную нить-подложку (YBa2Cu3O7-δ films grown on faceted sapphire fiber / Y. Xu, N. Djeu, Z. Qian et al. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2011. - Vol. 21, no. 3 PART 3. - P. 3281-3284). При этом использовались ориентированная в r-плоскости плоская фасетка нити-подложки и буферный слой диоксида церия (CeO2). Полученные образцы показали хорошие сверхпроводящие свойства.The solution to this problem may consist in creating wires based on dielectric substrates with a small aspect ratio. Substrates in the form of oxide fibers (sapphire, quartz, etc.) look very attractive from this point of view. Certain results were obtained using crystalline filaments as a substrate: recently, the properties of HTSC YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO) films deposited on a sapphire faceted filament substrate (YBa2Cu3O7-δ films grown on faceted sapphire fiber / Y) were recently presented. Xu, N. Djeu, Z. Qian et al. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2011 .-- Vol. 21, no. 3 PART 3. - P. 3281-3284). In this case, a flat facet of the substrate thread oriented in the r-plane and a buffer layer of cerium dioxide (CeO 2 ) were used. The resulting samples showed good superconducting properties.

В области методик нанесения ВТСП пленок на диэлектрические подложки известны следующие изобретения.The following inventions are known in the art of applying HTSC films to dielectric substrates.

Метод напыления окисдного сверхпроводника на подложку (Method of depositing an oxide superconductor on a substrate) (EP 0364068 (A2), John Joseph Talvacchio, Westinghouse Electric Corporation, US, 18.04.1990) предполагает использование эпитаксиального нанесения сверхпроводящих оксидных пленок толщиной 0,05-2 мкм на плоские сапфировые подложки.The method of depositing an oxide superconductor on a substrate (EP 0364068 (A2), John Joseph Talvacchio, Westinghouse Electric Corporation, US, 04/18/1990) involves the use of epitaxial deposition of superconducting oxide films with a thickness of 0.05- 2 microns on flat sapphire substrates.

В изобретении - фасетированные керамические нити, ленты или полоски и эпитаксиальные устройства из них (Faceted ceramic fibers, tapes or ribbons and epitaxial devices therefrom) (WO 2009042363 (A2), Ut-Battelle, Llc [US]; Amit Goyal, US - 2009-04-02; US 8227082 (B2) - 2012-07-24), описан кристаллический объект, который включает в себя монокристаллическую керамическую нить, пленку или ленту. Волокно, пленка или лента имеют, по крайней мере, одну кристаллографическую грань вдоль их длины протяженностью, как правило, не менее одного метра. В случае сапфира, это R-, M-, C- или A-плоскости граней. Эпитаксиальные объекты, включая и сверхпроводящие, могут быть сформированы на нити, пленке или ленте. Эпитаксиальный слой имеет единственную эпитаксиальную ориентацию. Нить, пленка или лента представляют собой оксид металла, выбранный из группы, состоящей из Al2Os, MgO, оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), SrTiO3, NdGaO3, LaAlO3, YAlO3 и LSAT. Сечение вышеупомянутых нити, пленки или ленты - эллиптическое с плоскими гранями на двух широких торцах, ромбоэдрическое с четырьмя плоскими гранями, гексагональное с шестью плоскими гранями, квадратное с четырьмя плоскими гранями, эллиптическое с плоскими гранями на двух широких торцах и дополнительными незначительными гранями на изогнутых сторонах, или прямоугольное с четырьмя плоскими гранями. Оксидный буферный слой выбирается из группы, состоящей из CeO2, примесного CeO2, перовоскита, примесного перевоскита, пирохлора, примесного пирохлора, флюорита, каменной соли и шпинеля. Указывается, что данная структура позволяет уменьшить потери.In the invention, faceted ceramic fibers, tapes or strips and epitaxial devices therefrom (Faceted ceramic fibers, tapes or ribbons and epitaxial devices therefrom) (WO 2009042363 (A2), Ut-Battelle, Llc [US]; Amit Goyal, US - 2009 -04-02; US 8227082 (B2) - 2012-07-24), a crystalline object is described that includes a single-crystal ceramic filament, film or tape. A fiber, film or tape has at least one crystallographic face along their length, usually not less than one meter. In the case of sapphire, it is the R-, M-, C- or A-plane of the faces. Epitaxial objects, including superconducting ones, can be formed on a filament, film or tape. The epitaxial layer has a single epitaxial orientation. The thread, film or tape is a metal oxide selected from the group consisting of Al 2 O s , MgO, yttrium oxide stabilized zirconia (YSZ), SrTiO 3 , NdGaO 3 , LaAlO 3 , YAlO 3 and LSAT. The cross section of the aforementioned filament, film or tape is elliptical with flat faces at two wide ends, rhombohedral with four flat faces, hexagonal with six flat faces, square with four flat faces, elliptical with flat faces at two wide ends and additional minor faces on curved sides , or rectangular with four flat faces. The oxide buffer layer is selected from the group consisting of CeO 2 , impurity CeO 2 , perovoskite, impurity reminder, pyrochlore, impurity pyrochlore, fluorite, rock salt and spinel. It is indicated that this structure allows to reduce losses.

В заявке «Текстурированные подложки-ленты и устройства из них» (Textured substrate tape and devices thereof) (US 2004003768 (A1), Amit Goyal, Ut-Battelle, Llc, 2004-01-08 (US 7087113 (B2)) описан метод формирования строго биаксиально текстурированной подложки, который включает в себя получение деформированной металлической подложки с последующим нагреванием выше температуры вторичной рекристаллизации, и контролем над текстурой вторичной рекристаллизации с помощью или теплового градиента, и/или использования затравки. Затравка выбирается для снятия стабильной текстуры ниже заданной температуры. Строго биаксиально текстурированная подложка может быть выполнена в виде пленки, имеющей длину 1 км и более. Эпитаксиальные объекты могут быть сформированы из пленок для использования эпитаксиального электромагнитного активного слоя. Электромагнитный активный слой может быть сверхпроводящим.The application “Textured substrate tape and devices thereof” (US 2004003768 (A1), Amit Goyal, Ut-Battelle, Llc, 2004-01-08 (US 7087113 (B2)) describes a method forming a strictly biaxially textured substrate, which includes obtaining a deformed metal substrate, followed by heating above the secondary recrystallization temperature, and controlling the secondary recrystallization texture using either a thermal gradient and / or using a seed. The seed is selected to remove a stable texture below a predetermined rate Strictly biaxially textured substrate can be made in the form of a film having a length of 1 km or more. Epitaxial objects can be formed from films to use an epitaxial electromagnetic active layer. The electromagnetic active layer can be superconducting.

Усовершенствованный метод, позволяющий получать сверхпроводящие пленки с меньшими потерями за счет более эффективного пининга вихрей дефектами представлен в заявке Superconductor films with improved flux pinning and reduced AC losses (US 7919435 (B2), Amit Goyal, Ut-Battelle, Llc, 05.05.2011).An improved method for obtaining superconducting films with lower losses due to more efficient vortex pinning with defects is presented in Superconductor films with improved flux pinning and reduced AC losses (US 7919435 (B2), Amit Goyal, Ut-Battelle, Llc, 05.05.2011) .

В изобретении «Сверхпроводящие провода на основе диборида магния, изготовленные с использованием тонких высокотемпературных нитей» (Magnesium-boride superconducting wires fabricated using thin high temperature fibers) (US 6946428 (B2), Rey Christopher Mark, 2005-09-20) представлен новый подход к изготовлению низкотемпературно сверхпроводящего (НТСП) провода или ВТСП кабеля на основе диборида магния (MgB2). Этот метод использует высокотемпературную нить или пленку как высокоэффективный материал подложки. Высокотемпературные подложки на основе нитей имеют низкую стоимость, круглые, легкие, немагнитные, и способные выдерживать без разрушения высокие температуры реакции, необходимые для формирования сверхпроводящей фазы MgB2.The invention "Magnesium-boride superconducting wires fabricated using thin high temperature fibers" (US 6946428 (B2), Rey Christopher Mark, 2005-09-20) presents a new approach to manufacture a low temperature superconducting (NTSC) wire or HTSC cable based on magnesium diboride (MgB 2 ). This method uses a high temperature filament or film as a high performance substrate material. High-temperature filament-based substrates are low cost, round, light, non-magnetic, and capable of withstanding the high reaction temperatures necessary for the formation of the superconducting MgB 2 phase without destruction.

В заявке «Изготовление материала для оксидного сверхпроводящего провода» (Manufacture of oxide superconducting wire material) JP 8148047 (A) Kitamura et al., 1996-06-07, описано получение за короткие сроки сверхпроводящей пленки, имеющей превосходные электрофизические характеристики, на нитях оксида монокристалла. Здесь в растворе, полученном в верхней части Y2O3 производственного тигля, путем непрерывного погружения нитей оксида монокристалла, состоящего из YSZ, или применением других методов, таких как метод лазерного пьедестала для нанесения фазы YBa2Cu3O7-Y, формируется на нити система сверхпроводящей пленки.JP 8148047 (A) Kitamura et al., 1996-06-07, describes the production of a superconducting film having excellent electrophysical characteristics on oxide filaments in a short time, in the application Manufacture of oxide superconducting wire material, JP 8148047 (A), 1996-06-07. single crystal. Here, in the solution obtained in the upper part of the Y 2 O 3 production crucible, by continuous immersion of the oxide fibers of a single crystal consisting of YSZ, or using other methods, such as the laser pedestal method for applying the YBa 2 Cu 3 O 7 -Y phase, is formed on filament system of a superconducting film.

В заявке «Сверхпроводящий провод на основе сверхпроводников группы талия» Thallium group superconducting wire (EP 0718897 (A1), NABATAME et. al., 1996-06-26 описан метод получении кристаллически-ориентированного высококачественного сверхпроводящего провода группы талия, имеющего высокую плотность критического тока. Сверхпроводящая пленка группы талия формируется на оксидных монокристаллических нитях с плоскими гранями и полигональными сечениями. В сверхпроводящем проводе группы талия c-оси сверхпроводящей пленки ориентированы перпендикулярно, при этом a- и b-оси ориентированы параллельно продольной оси вышеуказанной нити, соответственно. В результате получается высококачественный сверхпроводящий провод группы с критическим током 105 А/см2 и более при температуре 77K.Thallium group superconducting wire (EP 0718897 (A1), NABATAME et. Al., 1996-06-26 describes a method for producing a crystal-oriented high-quality superconducting wire of the waist group having a high critical current density in the application. The superconducting film of the waist group is formed on oxide single crystal filaments with flat faces and polygonal sections. In the superconducting wire of the waist group, the c-axis of the superconducting film is oriented perpendicularly, while the a- and b-axes are oriented They are mounted parallel to the longitudinal axis of the aforementioned filament, respectively, resulting in a high-quality superconducting wire of the group with a critical current of 10 5 A / cm 2 or more at a temperature of 77K.

В статье «Пленки YBa2Cu3O7-z выращенные на фасетированных сапфировых волокнах» (YBa2Cu3O7-z Films Grown on Faceted Sapphire Fiber) Yongli Xu представлен новый подход к изготовлению тонкого граненого сапфирового волокна как подложки для роста тонкой пленки YBCO по технологии выращивания опорной положки лазерным разогревом. Были выращены однокристаллические сапфировые волокна диаметром 100 мкм с двумя p-планарными гранями на краях. Процесс был настроен на рост a-оси с очень плавными p-плоскостями на краях путем регулировки скорости, ориентации и оптимизации процесса. Буферный слой был затем напылен путем магнетронного распыления с последующим сверхпроводниковым слоем пленки YBCO. Критический ток более 1 МА/см2 был продемонстрирован при 77 K собственного поля. Экспериментальные результаты показали, что ориентация волокна и гладкость поверхности критичны для характеристик пленок YBCO и нужные параметры могут быть достигнуты с использованием представленной технологии.In the article "The films YBa 2 Cu 3 O 7-z grown on faceted sapphire fibers» (YBa 2 Cu 3 O 7-z Films Grown on Faceted Sapphire Fiber ) Yongli Xu a new approach to making thin faceted sapphire fiber as a substrate for the growth of thin YBCO films according to the technology of growing a support plate by laser heating. Single-crystal sapphire fibers 100 μm in diameter with two p-planar faces at the edges were grown. The process was tuned for the growth of the a-axis with very smooth p-planes at the edges by adjusting the speed, orientation and optimization of the process. The buffer layer was then sprayed by magnetron sputtering followed by a superconducting layer of a YBCO film. A critical current of more than 1 MA / cm 2 was demonstrated at 77 K own field. Experimental results showed that fiber orientation and surface smoothness are critical for the characteristics of YBCO films and the desired parameters can be achieved using the presented technology.

В рекламном сообщении http://www.sbir.gov/sbirsearch/detail/11587 «Новые покрытые YBCO филаменты для сверхпроводящих магнитов» (Novel YBCO Coated Filaments for Superconducting Magnets) о выполненной в 2010 году г-н Yongli Xu Dr работе по контракту DE-FG02-10ER85976, приводится следующая информация. Потери на переменном токе являются серьезной проблемой для традиционных проводников, созданных на подложках из металлических пленок. Разрезание широкой пленки на небольшие полоски для уменьшения соотношения сторон может минимизировать потери на переменном токе. Однако при этом остаются серьезные технологические ограничения. В то же время магнитные потери в подложке и потери за счет вихревых токов являются неизбежными в существующей технологии покрытых проводников. Более того, с точки зрения приложений, покупателям скорее нужны тонкие провода или несколько нитей для объединения в кабелях, чем широкие пленки покрытых проводников. Недавно началась разработка волокон YBCO на сапфире, однако из-за кристаллической структуры и несоответствий в процессе выращивания YBCO на сапфире существует много ограничений (таких как: использование поверхности всего порядка 50%, огромное несовпадение 12%, ограничение на толщину YBCO и ориентации роста менее благоприятна). Подложки из титаната строниция SrTiO3, алюмината лантана LaAlO3 и/или из диоксида циркония, стабилизированный иттрием YSZ, отлично подходят для напыления YBCO и могут быть выращены в виде волокна с соотношением сторон близким к 1. Отсутствие буфера или возможность использования очень простого буфера значительно уменьшит чрезвычайно высокую на сегодняшний день стоимость технологического процесса.In an advertising message http://www.sbir.gov/sbirsearch/detail/11587 "New YBCO Coated Filaments for Superconducting Magnets" (Novel YBCO Coated Filaments for Superconducting Magnets) on the 2010 contract work by Mr. Yongli Xu Dr DE-FG02-10ER85976, the following information is provided. AC losses are a serious problem for traditional conductors created on substrates from metal films. Cutting a wide film into small strips to reduce aspect ratio can minimize AC losses. However, serious technological limitations remain. At the same time, magnetic losses in the substrate and losses due to eddy currents are inevitable in the existing technology of coated conductors. Moreover, from an application point of view, buyers would rather need thin wires or several threads to combine in cables than wide films of coated conductors. Recently, the development of YBCO fibers on sapphire has begun, but due to the crystal structure and inconsistencies in the process of growing YBCO on sapphire, there are many restrictions (such as: surface utilization of the order of 50%, huge mismatch of 12%, restriction on the thickness of YBCO and growth orientation is less favorable ) Substrates of strontium titanate SrTiO 3 , lanthanum aluminate LaAlO 3 and / or zirconia stabilized with yttrium YSZ are excellent for spraying YBCO and can be grown in fiber form with an aspect ratio close to 1. The absence of a buffer or the possibility of using a very simple buffer significantly reduce the extremely high cost of the process today.

Имеется финальный отчет Центра исследования материалов Стендфордского университета (http://www.osti.gov/energycitations/servlets/purl/105033-Vd8rER/webviewable/105033.pdf), посвященный выращиванию сверхпроводниковых волокон с использованием лазерного нагрева «Выращивание высокотемпературных сверхпроводящих волокон с использованием процесса с уменьшенной зоной лазерного нагрева» (Growth of high Тс superconducting fibers using a miniaturized laser-heated float zone process. Final technical report, January 15, 1989-December 31, 1994).There is a final report from the Stanford University Materials Research Center (http://www.osti.gov/energycitations/servlets/purl/105033-Vd8rER/webviewable/105033.pdf) on the cultivation of superconducting fibers using laser heating “Growing high-temperature superconducting fibers with using a process with a reduced laser heating zone ”(Growth of high T with superconducting fibers using a miniaturized laser-heated float zone process. Final technical report, January 15, 1989-December 31, 1994).

В отечественной литературе не установлено источников, в которых более подробно или предметно, чем в вышеуказанных иностранных, рассматривались бы объекты данного патентного исследования. В изобретении RU 2450389, «Способ формирования гладких ультратонких YBCO пленок повышенной проводимости» описан способ формирования методом лазерного напыления нанопленок сложного металлооксидного соединения состава YBa2Cu3O7-x (YBCO) повышенной проводимости и может быть использовано при создании элементов наноэлектроники. Сущность изобретения: в способе формирования гладких ультратонких YBCO пленок повышенной проводимости на монокристаллической подложке методом лазерного распыления мишени YBa2Cu3O7-x, формируют пленку толщиной L=5÷7 нм с неровностью поверхности 1÷2 нм и удельным сопротивлением 0,8÷1,1⋅10-6 Ом⋅м, путем воздействия на мишень лазерным излучением плотностью мощности P=3⋅108÷108 Вт/см2, длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 не и частотой следования импульсов 10 Гц в течение времени t=7÷10 с, при давлении воздуха p=50÷100 Па, температуре мишени T=600÷700°C, температуре подложки T=800÷840°C. Изобретение обеспечивает создание гладких ультратонких пленок YBCO на монокристаллической подложке.The domestic literature has not established sources in which the objects of this patent research would be considered in more detail or in detail than in the above foreign ones. In the invention RU 2450389, “Method for the formation of smooth ultrathin YBCO films of high conductivity” describes a method for forming by method of laser spraying nanofilms a complex metal oxide compound of YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO) of high conductivity and can be used to create elements of nanoelectronics. The inventive method for forming smooth ultrathin YBCO films of high conductivity on a single crystal substrate by laser sputtering of a YBa 2 Cu 3 O 7-x target, form a film with a thickness of L = 5 ÷ 7 nm with a surface roughness of 1 ÷ 2 nm and a specific resistance of 0.8 ÷ 1.1⋅10 -6 Ohm⋅m, by exposing the target to laser radiation with a power density of P = 3⋅10 8 ÷ 10 8 W / cm 2 , a wavelength of 1.06 μm, a pulse duration of 10-20 nsec and a repetition rate pulses of 10 Hz for a time t = 7 ÷ 10 s, with air pressure p = 50 ÷ 100 Pa, target temperature T = 600 ÷ 700 C, the substrate temperature T = 800 ÷ 840 ° C. The invention provides the creation of smooth ultrathin YBCO films on a single crystal substrate.

В патенте RU 2304827 C1 Игумнов и др., ГОУВПО МГТУ от 20.08.2007 «Способ формирования высокотемпературного сверхпроводникового покрытия» описана технология, в которой перед нанесением ВТСП покрытия поверхность буферного подслоя обрабатывают ионно-плазменным травлением до 10-13 класса и одновременно легируют поверхность буферного подслоя 20-30% легирующей добавки материалов, повышающих критические параметры ВТСП покрытия.In the patent RU 2304827 C1 Igumnov et al., GOUVPO MSTU dated 08/20/2007 “Method for the formation of a high-temperature superconducting coating” describes a technology in which, before applying HTSC coating, the surface of the buffer sublayer is treated with ion-plasma etching to grade 10-13 and simultaneously dope with the surface of the buffer sublayer of 20-30% alloying additives of materials that increase the critical parameters of HTSC coatings.

Общий недостаток всех описанных решений применительно к задачам создания ВТСП-проводов третьего поколения состоит в том, что использование кристаллических нитей-подложек требует сложной технологии выращивания фасетированных нитей (сечение такой нити представляет собой усеченную окружность) с правильной ориентацией кристаллической решетки относительно грани, на которую распыляется ВТСП материал. Изготовление таких нитей достаточной длины на сегодняшний день не представляется возможным.A common drawback of all the solutions described with respect to the problems of creating third-generation HTSC wires is that the use of crystalline substrates requires a complex technology for growing faceted strands (the cross section of such a thread is a truncated circle) with the correct orientation of the crystal lattice relative to the face onto which it is sprayed HTSC material. The manufacture of such threads of sufficient length today is not possible.

С другой стороны, аморфные волокна уже давно используются в оптоволоконной технике, их длина может достигать нескольких километров, и технология изготовления не вызывает сложностей. Принципиальная сложность в использовании кварцевых волокон заключается в большой разнице в коэффициентах термического расширения аморфного кварца и YBCO (КТР YBCO на порядок выше), что приводит к растрескиванию ВСТП пленки и невозможности использования таких проводников. Представляемая методика позволяет решить эту технологическую проблему и предотвратить растрескивание ВТСП пленки.On the other hand, amorphous fibers have long been used in fiber optic technology, their length can reach several kilometers, and the manufacturing technology does not cause difficulties. The fundamental difficulty in using quartz fibers lies in the large difference in the thermal expansion coefficients of amorphous quartz and YBCO (KTP YBCO is an order of magnitude higher), which leads to cracking of the VSTP film and the impossibility of using such conductors. The presented technique allows us to solve this technological problem and prevent cracking of the HTSC film.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Задача изобретения заключается в разработке нового способа получения тонкого (до 500 нм) высокотемпературного (критическая температура не ниже 77,3 K) сверхпроводящего слоя на кварцевой подложке. Представляемая методика может быть использована для создания технологии высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) проводов на гибких аморфных кварцевых нитях-носителях.The objective of the invention is to develop a new method for producing a thin (up to 500 nm) high-temperature (critical temperature not lower than 77.3 K) superconducting layer on a quartz substrate. The presented technique can be used to create technology for high-temperature superconducting (HTSC) wires on flexible amorphous quartz carrier threads.

Техническим результатом изобретения является получение высококачественного покрытия. Заявляемый способ позволяет производить напыление тонкого слоя диоксида кремния (SiO2) на подложку из аморфного кварца без растрескивания напыляемого далее YBCO слоя. Из-за большой разницы в коэффициентах термического расширения YBCO и аморфного кварца, до сих пор, напыление YBCO приводило к растрескиванию пленки с периодом трещин порядка нескольких микрон, что не давало возможности использовать данный материал для транспорта сверхтока. Данное изобретение решает эту проблему.The technical result of the invention is to obtain a high-quality coating. The inventive method allows the deposition of a thin layer of silicon dioxide (SiO2) on a substrate of amorphous quartz without cracking the sprayed next YBCO layer. Due to the large difference in the thermal expansion coefficients of YBCO and amorphous quartz, so far, YBCO sputtering led to cracking of the film with a crack period of the order of several microns, which made it impossible to use this material for overcurrent transport. The present invention solves this problem.

Поставленная задача решается разработкой способа получения высокотемпературной сверхпроводящей пленки на аморфной кварцевой подложке, включающего нанесение на предварительно очищенную поверхность подложки трехслойного покрытия, при этом первый слой покрытия формируют из кварца толщиной 100-400 нм методом магнетронного распыления, второй слой формируют из диоксида циркония, стабилизированного иттрием толщиной 100-300 нм, третий - из диоксида церия толщиной 150-350 нм.The problem is solved by the development of a method for producing a high-temperature superconducting film on an amorphous quartz substrate, including applying a three-layer coating to a pre-cleaned surface of the substrate, wherein the first coating layer is formed from quartz 100-400 nm thick by magnetron sputtering, the second layer is formed from yttrium stabilized zirconia 100-300 nm thick, the third from cerium dioxide 150-350 nm thick.

Первый слой толщиной 100-400 нм может быть сформирован методом радиочастотного магнетронного распыления при использовании следующих значений технологических параметров: мощности - 230-235 Вт, давлении Ar 5-5,2⋅10-2 Торр, температуре подложки - 500-520°C, скорости осаждения - 0,4-1 нм/с, длительности осаждения материала слоя - 400-410 c, расстоянии от образца до мишени - 12-12,5 см.The first layer with a thickness of 100-400 nm can be formed by radio frequency magnetron sputtering using the following process parameters: power - 230-235 W, pressure Ar 5-5,2 510 -2 Torr, substrate temperature - 500-520 ° C, the deposition rate is 0.4-1 nm / s, the duration of deposition of the layer material is 400-410 s, the distance from the sample to the target is 12-12.5 cm.

Второй слой толщиной 100-300 нм может быть сформирован методом импульсного лазерного осаждения с использованием эксимерного лазера на газовой смеси KrF в соответствии со следующим режимом: температура подложки - 750-760°C, плотность энергии лазера - 1,89-1,9 Дж/см2, число импульсов - 1950-2000, частота импульсов - 5 Гц, длительность осаждения - 6 мин 30 с - 6 мин 40 с, расстояние от мишени до образца - 4,9-5 см, давление в камере -1⋅10-4-1,1⋅10-4 мБар.The second layer with a thickness of 100-300 nm can be formed by pulsed laser deposition using an KrF gas excimer laser in accordance with the following regime: substrate temperature - 750-760 ° C, laser energy density - 1.89-1.9 J / cm 2 , the number of pulses - 1950-2000, the pulse frequency - 5 Hz, the duration of the deposition - 6 min 30 s - 6 min 40 s, the distance from the target to the sample - 4.9-5 cm, the pressure in the chamber -1⋅10 - 4 -1.1⋅10 -4 mbar.

Третий слой толщиной 150-350 нм может быть сформирован методом импульсного лазерного осаждения с использованием эксимерного лазера на газовой смеси KrF в атмосфере кислорода без разрыва вакуума, в соответствии со следующим режимом: температура подложки - 720-730°C, плотность энергии лазера - 1,89-1,9 Дж/см2, число импульсов - 5950-6000, частота импульсов - 10 Гц, длительность осаждения - 10 мин - 10 мин 20 сек, расстояние от мишени до образца - 4,9-5 см, давление кислорода - 0,7-0,71 мБар.The third layer with a thickness of 150-350 nm can be formed by pulsed laser deposition using an KrF gas excimer laser in an oxygen atmosphere without breaking the vacuum, in accordance with the following mode: substrate temperature - 720-730 ° C, laser energy density - 1, 89-1.9 J / cm 2 , the number of pulses is 5950-6000, the pulse frequency is 10 Hz, the duration of the deposition is 10 min - 10 min 20 sec, the distance from the target to the sample is 4.9-5 cm, the oxygen pressure is 0.7-0.71 mbar.

После нанесения трехслойного покрытия дополнительно осуществляют кислородный отжиг при давлении кислорода 800-810 мБар в течение 50-60 минут.After applying a three-layer coating, oxygen annealing is additionally carried out at an oxygen pressure of 800-810 mbar for 50-60 minutes.

В одном из вариантов осуществления изобретения предварительную очистку поверхности подложки осуществляют посредством погружения подложки в емкость с ацетоном на 10-12 минут, затем подложку помещают в сосуд с изопропиловым спиртом до момента высыхания ацетона (как можно быстрее), при этом очистку поверхности подложки проводят в емкости с изопропиловым спиртом в ультразвуковой ванне в течение 10-12 минут, после чего подложку сушат азотом в течение 10-15 с.In one embodiment of the invention, the preliminary surface cleaning of the substrate is carried out by immersing the substrate in a container with acetone for 10-12 minutes, then the substrate is placed in a vessel with isopropyl alcohol until the acetone dries (as quickly as possible), while cleaning the surface of the substrate is carried out in the container with isopropyl alcohol in an ultrasonic bath for 10-12 minutes, after which the substrate is dried with nitrogen for 10-15 seconds.

Поставленная задача решается также за счет получения высокотемпературного сверхпроводящего покрытия, сформированного на аморфной кварцевой подложке, включающего три слоя, первый из которых выполнен из кварца толщиной 100-400 нм, и размещен непосредственно на поверхности кварцевой подложки, второй слой размещен на первом слое и сформирован из диоксида циркония, стабилизированного иттрием толщиной 100-300 нм, третий слой, размещенный на втором слое, выполнен из диоксида церия толщиной 150-350 нм.The problem is also solved by obtaining a high-temperature superconducting coating formed on an amorphous quartz substrate, including three layers, the first of which is made of quartz with a thickness of 100-400 nm, and placed directly on the surface of the quartz substrate, the second layer is placed on the first layer and formed from zirconia stabilized with yttrium 100-300 nm thick, the third layer, placed on the second layer, is made of cerium dioxide 150-350 nm thick.

Ключевым отличием заявляемого способа от известных является напыление тонкого (от 100 до 400 нм толщиной) слоя SiO2 на подложку перед напылением буферного слоя иттрий-стабилизированного диоксида циркония (YSZ) и сверхпроводящего слоя YBa2Cu3O7-x (YBCO). Коэффициент температурного расширения (КТР) тонкого слоя кварца оказывается выше КТР объемного образца, что позволяет напряжениям срелаксировать в пленке SiO2. Более того, нанесение слоя SiO2 позволяет предотвратить контакт примесей и дефектов поверхности подложки с буферным слоем YSZ, что так же улучшает качество буферного слоя.The key difference between the proposed method and the known ones is the deposition of a thin (from 100 to 400 nm thick) SiO 2 layer on a substrate before spraying a buffer layer of yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and a superconducting layer YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO). The coefficient of thermal expansion (CTE) of a thin quartz layer is higher than the CTE of a bulk sample, which allows stresses to relax in the SiO 2 film. Moreover, the deposition of a SiO 2 layer prevents the contact of impurities and surface defects of the substrate with the YSZ buffer layer, which also improves the quality of the buffer layer.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлена схема установки импульсного лазерного осаждения, на которой позициями обозначены следующие элементы: 1 - вакуумная камера, 2 - образец, 3 - вращающиеся мишени, 4 - нагреваемый держатель образца, 5 - эксимерный лазер Lambda Physik LPX 200, рабочая длина волны λ=248 нм, 6 - фокусирующая линза, 7 - шаговый двигатель для смены мишеней, 8 - факел абляции, 9 - баллон с кислородом.In FIG. 1 is a diagram of a pulsed laser deposition apparatus, in which the following elements are indicated by positions: 1 — vacuum chamber, 2 — sample, 3 — rotating targets, 4 — heated sample holder, 5 — Lambda Physik LPX 200 excimer laser, operating wavelength λ = 248 nm, 6 - focusing lens, 7 - stepper motor for changing targets, 8 - ablation torch, 9 - oxygen cylinder.

На фиг. 2 представлена схема экспериментального образца, созданного по представляемой методике, где: 10 - аморфная кварцевая подложка 10×10×1 мм, 11 - напыленный rf-магнетроном слой SiO2, 12 - напыленный импульсным лазерным осаждением буферный слой YSZ, 13 - напыленный импульсным лазерным осаждением слой YBCO.In FIG. 2 shows a diagram of an experimental sample created by the presented method, where: 10 is an amorphous quartz substrate 10 × 10 × 1 mm, 11 is a SiO 2 layer sputtered by an rf magnetron, 12 is a YSZ buffer layer sputtered by laser deposition, 13 is a pulsed laser deposition of a layer of YBCO.

На фиг. 3 представлен снимок с растрового электронного микроскопа поверхности экспериментального образца, созданного по представляемой методике, демонстрирующий отсутствие трещин.In FIG. Figure 3 presents a photograph from a scanning electron microscope of the surface of an experimental sample created by the presented method, showing the absence of cracks.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Высокотемпературную сверхпроводящую пленку формируют на поверхности аморфной кварцевой подложки толщиной, например, 0,5-1 мм. Перед нанесением высокотемпературной сверхпроводящей пленки проводят предварительную очистку поверхности аморфной кварцевой подложки любым известным из уровня техники способом, обеспечивающим получение поверхности подложки 14-го класса чистоты (шероховатость поверхности менее 50 нм). На очищенной поверхности затем формируют трехслойное покрытие, первый слой которого состоит из кварца толщиной 100-400 нм, второй - из диоксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ) толщиной 100-300 нм, третий - из диоксида церия толщиной 150-350 нм.A high temperature superconducting film is formed on the surface of an amorphous quartz substrate with a thickness of, for example, 0.5-1 mm. Before applying the high-temperature superconducting film, the surface of the amorphous quartz substrate is preliminarily cleaned by any method known in the art that provides the surface of the substrate of the 14th class of purity (surface roughness less than 50 nm). Then, a three-layer coating is formed on the cleaned surface, the first layer of which consists of quartz with a thickness of 100-400 nm, the second of zirconia stabilized with yttrium (YSZ) with a thickness of 100-300 nm, and the third of cerium dioxide with a thickness of 150-350 nm.

Первый слой покрытия формируют из кварцевой мишени методом магнетронного распыления (поз. 11 на ФИГ. 2), в частности, методом радиочастотного магнетронного распыления, например, с использованием установки Leybold LH Z400. Наличие данного слоя позволяет избежать возникновение трещин с периодом порядка нескольких микрон при формировании слоя YBCO (13 на ФИГ. 2). При этом формирование первого слоя может быть реализовано при следующих условиях:The first coating layer is formed from a quartz target by the method of magnetron sputtering (item 11 in FIG. 2), in particular, by the method of radio frequency magnetron sputtering, for example, using the Leybold LH Z400 apparatus. The presence of this layer avoids the occurrence of cracks with a period of the order of several microns during the formation of the YBCO layer (13 in FIG. 2). In this case, the formation of the first layer can be realized under the following conditions:

- Мощность - 230-235 Вт,- Power - 230-235 W,

- Давление Ar 5-5,2⋅10-2 Торр,- Pressure Ar 5-5,2⋅10 -2 Torr,

- Температура подложки - 500-520°C,- The temperature of the substrate is 500-520 ° C,

- Скорость осаждения - 0,4-1 нм/с,- The deposition rate of 0.4-1 nm / s,

- Длительность осаждения - 400-410 с,- Duration of deposition - 400-410 s,

- Расстояние до мишени - 12-12,5 см.- The distance to the target is 12-12.5 cm.

Наличие второго слоя (12 на ФИГ. 2) из диоксида циркония позволяет создать текстуру для эпитаксиального роста третьего слоя YBCO. Второй слой формируют на поверхности уже сформированного первого слоя методом ипмульсного лазерного осаждения с использованием эксимерного лазера на газовой смеси KrF (ФИГ. 1), например, марки Lambda Physik. В одном из вариантов осуществления могут быть предложены следующие режимы формирования второго слоя:The presence of a second layer (12 in FIG. 2) of zirconia allows you to create a texture for the epitaxial growth of the third layer of YBCO. The second layer is formed on the surface of the already formed first layer by the pulsed laser deposition method using an KrF gas excimer laser (FIG. 1), for example, of the brand Lambda Physik. In one embodiment, the following modes of forming the second layer may be proposed:

- Температура подложки - 750-760°C,- The temperature of the substrate is 750-760 ° C,

- Плотность энергии лазера - 1,89-1,9 Дж/см2.- The laser energy density is 1.89-1.9 J / cm 2 .

- Число импульсов - 1950-2000,- The number of pulses - 1950-2000,

- Частота импульсов - 5 Гц,- Pulse frequency - 5 Hz,

- Длительность осаждения - 6 мин 30 с - 6 мин 40 с,- Duration of deposition - 6 min 30 s - 6 min 40 s,

- Расстояние от мишени до образца - 4,9-5 см,- The distance from the target to the sample is 4.9-5 cm,

- Давление в камере - 1⋅10-4-1,1⋅10-4 мБар.- pressure in the chamber - 1⋅10 -1,1⋅10 -4 -4 mbar.

Третий слой (13 на ФИГ. 2) из диоксида церия также формируют методом ипмульсного лазерного осаждения на поверхности сформированного второго слоя с использованием эксимерного лазера на газовой смеси KrF (ФИГ. 1) в атмосфере кислорода без разрыва вакуума в соответствии со следующим режимом:The third layer (13 in FIG. 2) of cerium dioxide is also formed by pulsed laser deposition on the surface of the formed second layer using an KrF gas excimer laser (FIG. 1) in an oxygen atmosphere without breaking the vacuum in accordance with the following mode:

- Температура подложки - 720-730°C,- The temperature of the substrate is 720-730 ° C,

- Плотность энергии лазера - 1,89-1,9 Дж/см2,- The laser energy density is 1.89-1.9 J / cm 2 ,

- Число импульсов - 5950-6000,- The number of pulses - 5950-6000,

- Частота импульсов - 10 Гц,- Pulse frequency - 10 Hz,

- Длительность осаждения - 10 мин - 10 мин 20 сек,- Duration of deposition - 10 min - 10 min 20 sec,

- Расстояние от мишени до образца - 4,9-5 см,- The distance from the target to the sample is 4.9-5 cm,

- Давление кислорода - 0,7-0,71 мБар.- The oxygen pressure is 0.7-0.71 mbar.

После напыления третьего слоя осуществляют кислородный отжиг при давлении кислорода 800-810 мБар в течение 50-60 минут.After deposition of the third layer, oxygen annealing is carried out at an oxygen pressure of 800-810 mbar for 50-60 minutes.

В одном из вариантов конкретного осуществления изобретения предварительную очистку поверхности подложки осуществляют посредством погружения подложки сначала в емкость с ацетоном на 10-12 минут, затем в сосуд с изопропиловым спиртом до момента высыхания ацетона (как можно быстрее), при этом очистку поверхности подложки проводят в емкости с изопропиловым спиртом в ультразвуковой ванне в течение 10-12 минут, после чего подложку сушат азотом в течение 10-15 с. После сушки проводят контрольный осмотр поверхности подложки с использованием оптического микроскопа с двухсоткратным увеличением, и при отсутствии разводов или иных дефектов на поверхности подложки инициируют формирование высокотемпературной сверхпроводящей пленки. В противном случае, очистку поверхности осуществляют повторно.In one embodiment of a particular embodiment of the invention, the preliminary surface cleaning of the substrate is carried out by immersing the substrate first in a container with acetone for 10-12 minutes, then in a vessel with isopropyl alcohol until the acetone dries (as quickly as possible), while cleaning the surface of the substrate is carried out in a container with isopropyl alcohol in an ultrasonic bath for 10-12 minutes, after which the substrate is dried with nitrogen for 10-15 seconds. After drying, a control inspection of the surface of the substrate is carried out using an optical microscope with a two-fold increase, and in the absence of streaks or other defects on the surface of the substrate, the formation of a high-temperature superconducting film is initiated. Otherwise, the surface is cleaned again.

Таким образом, для осуществления изобретения необходимо следующее оборудование: ультразвуковая ванна, RF-магнетрон с возможностью контроля температуры подложки, установка для импульсного лазерного осаждения (PLD) с возможностью подачи кислорода в вакуумную камеру и контроля температуры подложки (на ФИГ. 1 - пример реализации), а также расходные материалы - кварцевая мишень для RF-магнетрона, мишень оксида иттрия бария меди YBa2Cu3O7-x для импульсного лазерного осаждения, мишень диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия ZrO2+Y2O3 YBa2Cu3O7-x для импульсного лазерного осаждения, кислород для подачи в вакуумную камеру (9 на ФИГ. 1).Thus, for the implementation of the invention, the following equipment is required: an ultrasonic bath, an RF magnetron with the ability to control the temperature of the substrate, an apparatus for pulsed laser deposition (PLD) with the ability to supply oxygen to the vacuum chamber and control the temperature of the substrate (in FIG. 1 is an example implementation) as well as consumables - a quartz target for an RF magnetron, a yttrium barium oxide target of copper YBa 2 Cu 3 O 7-x for pulsed laser deposition, a zirconia target stabilized with yttrium oxide ZrO 2 + Y 2 O 3 YBa 2 Cu 3 O 7-x for pulsed laser deposition, oxygen for supply to the vacuum chamber (9 in FIG. 1).

Заявляемым способом был получено экспериментальный образец с высококачественным покрытием, фотография которого представлена на фото. 3, подтверждающая достижение технического результата.The inventive method was obtained an experimental sample with a high-quality coating, a photograph of which is presented in the photo. 3, confirming the achievement of the technical result.

Изобретение поясняется примером конкретного выполненияThe invention is illustrated by an example of a specific implementation

Полученный экспериментальный образец содержал слой SiO2, толщиной 400 нм. Напыление слоя производилось с помощью RF магнетрона с подогревом подложки до 500°C. Очистку поверхности подложки проводили в ультразвуковой ванне в емкости с ацетоном в течение 10 минут. Затем подложку помещали в сосуд с изопропиловым спиртом до момента высыхания ацетона, затем помещали в емкость с изопропиловым спиртом в ультразвуковую ванну на 10 минут, после чего образец сушили азотом в течение 10 с. Напыление первого слоя проводили с помощью радиочастотного магнетронного распыления в соответствии со следующим режимом:The obtained experimental sample contained a layer of SiO 2 , 400 nm thick. The layer was sprayed using an RF magnetron with heating of the substrate to 500 ° C. The surface of the substrate was cleaned in an ultrasonic bath in a container with acetone for 10 minutes. Then, the substrate was placed in a vessel with isopropyl alcohol until the acetone dried, then it was placed in a container with isopropyl alcohol in an ultrasonic bath for 10 minutes, after which the sample was dried with nitrogen for 10 s. The first layer was sprayed using radio frequency magnetron sputtering in accordance with the following mode:

- Мощность - 230 Вт,- Power - 230 W,

- Давление Ar 5-10-2 Торр,- Pressure Ar 5-10 -2 Torr,

- Температура подложки - 500 C,- The temperature of the substrate is 500 C,

- Скорость осаждения - 0.4-1 нм/с,- Deposition rate - 0.4-1 nm / s,

- Длительность осаждения - 400 с,- Duration of deposition - 400 s,

- Расстояние до мишени - 12 см,- The distance to the target is 12 cm,

- Толщина пленки SiO2 - 200 нм.- Film Thickness SiO 2 - 200 nm.

Напыление буферного слоя YSZ (12 на ФИГ. 2), осуществляли методом импульсного лазерного осаждения с использованием эксимерного лазера на газовой смеси KrF (5 на ФИГ. 1) в соответствии со следующим режимом:The YSZ buffer layer was sprayed (12 in FIG. 2) by pulsed laser deposition using an KrF gas excimer laser (5 in FIG. 1) in accordance with the following mode:

- Температура подложки (2 на ФИГ. 1) - 760°C,- The temperature of the substrate (2 in FIG. 1) - 760 ° C,

- Плотность энергии лазера - 1,9 Дж/см2,- laser energy density - 1.9 J / cm 2,

- Число импульсов – 2000,- The number of pulses - 2000,

- Частота импульсов - 5 Гц,- Pulse frequency - 5 Hz,

- Длительность осаждения - 6 мин 40 с,- Duration of deposition - 6 min 40 s,

- Расстояние от мишени (3 на ФИГ. 1) до образца (2 на ФИГ. 1) - 5 см,- The distance from the target (3 in FIG. 1) to the sample (2 in FIG. 1) is 5 cm,

- Толщина пленки - 100 нм,- Film thickness - 100 nm,

- Давление в камере - 1-10-4 мБар.- The pressure in the chamber is 1-10 -4 mbar.

Третий сверхпроводящий слой YBCO (12 на ФИГ. 2) напыляли методом импульсного лазерного осаждения с использованием эксимерного лазера (5 на ФИГ. 1) на газовой смеси KrF в атмосфере кислорода без разрыва вакуума, в соответствии со следующим режимом:The third superconducting layer YBCO (12 in FIG. 2) was sprayed by pulsed laser deposition using an excimer laser (5 in FIG. 1) on a KrF gas mixture in an oxygen atmosphere without breaking the vacuum, in accordance with the following mode:

- Температура подложки (2 на ФИГ. 1) - 730°C,- The temperature of the substrate (2 in FIG. 1) - 730 ° C,

- Плотность энергии лазера - 1,9 Дж/см2,- The laser energy density is 1.9 J / cm 2 ,

- Число импульсов – 6000,- The number of pulses - 6000,

- Частота импульсов - 10 Гц,- Pulse frequency - 10 Hz,

- Длительность осаждения - 10 мин,- Duration of deposition - 10 min,

- Расстояние от мишени (3 на ФИГ. 1) до образца (2 на ФИГ. 1) - 5 см,- The distance from the target (3 in FIG. 1) to the sample (2 in FIG. 1) is 5 cm,

- Толщина пленки - 300 нм,- Film thickness - 300 nm,

- Давление кислорода - 0,7 мБар.- The oxygen pressure is 0.7 mbar.

Полученный образец с напыленными слоями подвергали кислородному отжигу при давлении кислорода 800 мБар в течение 1 часа.The obtained sample with sprayed layers was subjected to oxygen annealing at an oxygen pressure of 800 mbar for 1 hour.

В результате на аморфной кварцевой подложке был получен слой YBCO толщиной 300 нм без трещин. Снимок подобного образца в растровом электронном микроскопе, демонстрирующий возможность осуществления изобретения, представлен на Фиг. 3.As a result, a 300 nm thick YBCO layer without cracks was obtained on an amorphous quartz substrate. A snapshot of such a sample in a scanning electron microscope, showing the possibility of carrying out the invention, is shown in FIG. 3.

Claims (7)

1. Способ получения высокотемпературной сверхпроводящей пленки на аморфной кварцевой подложке, включающий нанесение на предварительно очищенную поверхность подложки трехслойного покрытия, при этом первый слой покрытия формируют из кварца толщиной 100-400 нм методом магнетронного распыления, второй слой формируют из диоксида циркония, стабилизированного иттрием толщиной 100-300 нм, третий - из диоксида церия толщиной 150-350 нм.1. A method of producing a high-temperature superconducting film on an amorphous quartz substrate, comprising applying a three-layer coating to a pre-cleaned surface of the substrate, wherein the first coating layer is formed from quartz 100-400 nm thick by magnetron sputtering, the second layer is formed from zirconia stabilized with yttrium 100 thickness 100 -300 nm, the third - from cerium dioxide with a thickness of 150-350 nm. 2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что предварительную очистку поверхности подложки осуществляют посредством погружения подложки в емкость с ацетоном на 10-12 минут, затем подложку помещают в сосуд с изопропиловым спиртом до момента высыхания ацетона (как можно быстрее), при этом очистку поверхности подложки проводят в емкости с изопропиловым спиртом в ультразвуковой ванне в течение 10-12 минут, после чего подложку сушат азотом в течение 10-15 с.2. The method according to p. 1, characterized in that the preliminary cleaning of the surface of the substrate is carried out by immersing the substrate in a container with acetone for 10-12 minutes, then the substrate is placed in a vessel with isopropyl alcohol until the acetone dries (as quickly as possible), while cleaning the surface of the substrate is carried out in a container with isopropyl alcohol in an ultrasonic bath for 10-12 minutes, after which the substrate is dried with nitrogen for 10-15 seconds. 3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что первый слой толщиной 100-400 нм формируют методом радиочастотного магнетронного распыления при использовании следующих значений параметров: мощности - 230-235 Вт, давлении Ar 5-5,2⋅10-2 Торр, температуре подложки - 500-520°С, скорости осаждения - 0,4-1 нм/с, длительности осаждения материала слоя - 400-410 с, расстоянии от образца до мишени - 12-12,5 см.3. The method according to p. 1, characterized in that the first layer with a thickness of 100-400 nm is formed by the method of radio frequency magnetron sputtering using the following parameter values: power - 230-235 W, pressure Ar 5-5,2⋅10 -2 Torr, substrate temperature - 500-520 ° С, deposition rate - 0.4-1 nm / s, layer material deposition time - 400-410 s, distance from sample to target - 12-12.5 cm. 4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что второй слой толщиной 100-300 нм формируют методом импульсного лазерного осаждения с использованием эксимерного лазера на газовой смеси KrF в соответствии со следующим режимом: температура подложки - 750-760°С, плотность энергии лазера - 1,89-1,9 Дж/см2, число импульсов - 1950-2000, частота импульсов - 5 Гц, длительность осаждения - 6 мин 30 с - 6 мин 40 с, расстояние от мишени до образца - 4,9-5 см, давление в камере - 1⋅10-4-1,1⋅10-4 мБар4. The method according to p. 1, characterized in that the second layer 100-300 nm thick is formed by pulsed laser deposition using an KrF gas excimer laser in accordance with the following mode: substrate temperature - 750-760 ° C, laser energy density - 1.89-1.9 J / cm 2 , the number of pulses - 1950-2000, the pulse frequency - 5 Hz, the duration of the deposition - 6 min 30 s - 6 min 40 s, the distance from the target to the sample is 4.9-5 cm, pressure in the chamber - 1⋅10 -4 -1.1⋅10 -4 mbar 5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что третий слой толщиной 150-350 нм формируют методом импульсного лазерного осаждения с использованием эксимерного лазера на газовой смеси KrF в атмосфере кислорода без разрыва вакуума, в соответствии со следующим режимом: температура подложки - 720-730°С, плотность энергии лазера - 1,89-1,9 Дж/см2, число импульсов - 5950-6000, частота импульсов - 10 Гц, длительность осаждения - 10 мин - 10 мин 20 сек, расстояние от мишени до образца - 4,9-5 см, давление кислорода - 0,7-0,71 мБар.5. The method according to p. 1, characterized in that the third layer with a thickness of 150-350 nm is formed by pulsed laser deposition using an excimer laser on a KrF gas mixture in an oxygen atmosphere without breaking the vacuum, in accordance with the following mode: substrate temperature - 720- 730 ° С, laser energy density - 1.89-1.9 J / cm 2 , number of pulses - 5950-6000, pulse frequency - 10 Hz, deposition time - 10 min - 10 min 20 sec, distance from target to sample - 4.9-5 cm, oxygen pressure 0.7-0.71 mbar. 6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что после нанесения трехслойного покрытия осуществляют кислородный отжиг при давлении кислорода 800-810 мБар в течение 50-60 минут.6. The method according to p. 1, characterized in that after applying a three-layer coating carry out oxygen annealing at an oxygen pressure of 800-810 mbar for 50-60 minutes. 7. Высокотемпературное сверхпроводящее покрытие, сформированное на аморфной кварцевой подложке, включающее три слоя, первый из которых выполнен из кварца толщиной 100-400 нм и размещен непосредственно на поверхности кварцевой подложки, второй слой размещен на первом слое и сформирован из диоксида циркония, стабилизированного иттрием толщиной 100-300 нм, третий слой, размещенный на втором слое, выполнен из диоксида церия толщиной 150-350 нм.7. A high-temperature superconducting coating formed on an amorphous quartz substrate, including three layers, the first of which is made of quartz 100-400 nm thick and placed directly on the surface of the quartz substrate, the second layer is placed on the first layer and formed of yttrium stabilized zirconia 100-300 nm, the third layer, placed on the second layer, is made of cerium dioxide with a thickness of 150-350 nm.
RU2015150399A 2015-11-25 2015-11-25 Production method of high-temperature superconducting film on the quartz substrate RU2629136C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150399A RU2629136C2 (en) 2015-11-25 2015-11-25 Production method of high-temperature superconducting film on the quartz substrate
PCT/RU2016/050044 WO2017091112A2 (en) 2015-11-25 2016-09-30 Method for producing high-temperature superconducting film on quartz substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015150399A RU2629136C2 (en) 2015-11-25 2015-11-25 Production method of high-temperature superconducting film on the quartz substrate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015150399A RU2015150399A (en) 2017-05-31
RU2629136C2 true RU2629136C2 (en) 2017-08-24

Family

ID=58763608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015150399A RU2629136C2 (en) 2015-11-25 2015-11-25 Production method of high-temperature superconducting film on the quartz substrate

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2629136C2 (en)
WO (1) WO2017091112A2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110866575B (en) * 2019-11-04 2020-11-17 西安交通大学 Information encryption bearing method based on magnetic domain programming

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7012275B2 (en) * 2004-02-17 2006-03-14 The University Of Chicago Method for fabrication of high temperature superconductors
RU2384907C1 (en) * 2006-05-19 2010-03-20 Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. Superconducting thin-film material and method of making said material
RU2387050C1 (en) * 2009-01-28 2010-04-20 Фатима Христофоровна Чибирова Method of making multilayer material
US8664163B2 (en) * 2009-01-15 2014-03-04 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. High temperature superconductive films and methods of making them
RU2518505C1 (en) * 2012-11-26 2014-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" Strip high-temperature superconductors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7012275B2 (en) * 2004-02-17 2006-03-14 The University Of Chicago Method for fabrication of high temperature superconductors
RU2384907C1 (en) * 2006-05-19 2010-03-20 Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд. Superconducting thin-film material and method of making said material
US8664163B2 (en) * 2009-01-15 2014-03-04 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. High temperature superconductive films and methods of making them
RU2387050C1 (en) * 2009-01-28 2010-04-20 Фатима Христофоровна Чибирова Method of making multilayer material
RU2518505C1 (en) * 2012-11-26 2014-06-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "НАНОЭЛЕКТРО" Strip high-temperature superconductors

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017091112A2 (en) 2017-06-01
RU2015150399A (en) 2017-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100683186B1 (en) Multi-layer articles and methods of making same
KR101119957B1 (en) Biaxially-textured film deposition for superconductor coated tapes
KR101429553B1 (en) Superconducting wire and method of forming the same
JP2009035479A (en) Controlled conversion of metal oxyfluorides into superconducting oxides
JP2002505032A5 (en)
KR101664465B1 (en) Oxide superconductor cabling and method of manufacturing oxide superconductor cabling
WO2006071543A1 (en) HIGH RATE BUFFER LAYER FOR IBAD MgO COATED CONDUCTORS
Cai et al. Completely etch-free fabrication of multifilamentary coated conductor using inkjet printing and electrodeposition
Selvamanickam High temperature superconductor (HTS) wires and tapes
Wu et al. Preparation of high quality YBa/sub 2/Cu/sub 3/O/sub 7-/spl delta//thick films on flexible Ni-based alloy substrates with textured buffer layers
KR20130008599A (en) Thick oxide film by single coating
WO2007040567A2 (en) Method for improving performance of high temerature superconductors within a magnetic field
Goyal et al. Using RABiTS to fabricate high-temperature superconducting wire
US9362025B1 (en) Coated conductor high temperature superconductor carrying high critical current under magnetic field by intrinsic pinning centers, and methods of manufacture of same
WO2006071542A2 (en) Architecture for coated conductors
RU2629136C2 (en) Production method of high-temperature superconducting film on the quartz substrate
US20190131044A1 (en) Dielectric substrate for superconductive device and superconductive article utilizing such substrate
Liu et al. Development of long REBCO coated conductors by PLD-REBCO/Sputter-CeO 2/IBAD-MgO at SJTU and SSTC
RU2641099C2 (en) High-temperature superconducting film on crystalline quartz substrate and method of its production
JP2016522534A (en) Semiconductors with improved flux pinning at low temperatures
Li et al. Progress of REBCO coated conductor program at SJTU and SSTC
Shchukin et al. Approaches to Increasing the Current-Carrying Characteristics in Second-Generation HTSC Tapes
Tao et al. Thickness effect on the structural and electrical properties of sputtered YBCO coated conductors
Sandra et al. Applications-Oriented Development of Buffer Architecture for REBCO Films on Nonmetallic Substrates
Holzapfel et al. Substrates and Functional Buffer Layers