ОСОБЕННОСТИ БАРЬЕРНЫХ И ТЕКСТУРНЫХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК СЕО 2, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ PAND Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

НАНОТЕХНОЛОГИИ

NANOTECHNOLOGY

Статья поступила в редакцию 08.10.13. Ред. рег. № 1817

The article has entered in publishing office 08.10.13 . Ed. reg. No. 1817

УДК: 621.315, 53.06, 544.773.422

ОСОБЕННОСТИ БАРЬЕРНЫХ И ТЕКСТУРНЫХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК СеО2, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ PAND

Ф.Х. Чибирова, С. Н. Боровков, А.Г. Кузьмин, Р.В. Лукашев, Д.В. Тарасова

ФГУП «НИФХИ им. Л.Я. Карпова» пер. Обуха, дом 3-1/12, стр. 6, Москва, 105064, Россия Тел./факс (495) 917-32-57, e-mail: chibirova1@yandex.ru

Заключение совета рецензентов: 13.10.13 Заключение совета экспертов: 18.10.13 Принято к публикации: 23.10.13

В статье представлены результаты исследований тонких эпитаксиальных пленок оксида церия CeO2, полученных по технологии PAND на биаксиально текстурированных №-5ат.%Ш лентах-подложках. Исследованы буферные свойства эпитаксиальных пленок оксида церия CeO2 и степень проникновения материала подложки в сверхпроводящий слой YBCO. Буферные СеО2 пленки толщиной до 80 нм передают остроту текстуры №-5ат.°%Ш подложек. Буферная СеО2 пленка толщиной 40 нм не является хорошим барьером для проникновения материала Ni(W) подложки в сверхпроводящий слой.

Ключевые слова: буферные пленки CeO2, барьерные свойства, текстура, метод PAND»

FEATURES OF BARRIER AND TEXTURAL PROPERTIES OF CeO2 FILMS

DEPOSITED BY PAND METHOD

F.Kh. Chibirova, S.N. Borovkov, A.G. Kuzmin, R.V. Lukashev, J.V. Tarasova

Federation State Unitary Enterprise «L.Ya. Karpov Institute of Physical Chemistry» 3-1/12, bld. 6 Obukh Lane, Moscow, 105064, Russia Tel./fax +7 (495) 917-32-57, e-mail: chibirova1@yandex.ru

Referred: 13.10.13 Expertise: 18.10.13 Accepted: 23.10.13

The paper presents results of studies of epitaxial thin films CeO2 deposited by PAND method on biaxially textured Ni-5at.%W substrate tape. Buffer properties of films CeO2 and penetration of the substrate material into the superconducting layer YBCO were investigated. Buffer CeO2 film has a thickness of 80 nm and transmits visual texture Ni-5at.% W substrates. Buffer CeO2 film of 40 nm thickness is not a good barrier for Ni(W) substrate.

Keywords: buffer films CeO2, barrier properties, texture, method PAND

Фатима Христофоровна Чибирова

Сведения об авторе: зав. лаб. функциональных материалов Научно-исследовательского физико-химического института им. Л.Я. Карпова, канд. физ.-мат. наук, профессиональный опыт 39 лет.

Научные интересы: материаловедение оксидных материалов, тонкие пленки, сверхпроводники, технология получения функциональных покрытий. Публикации: более 100.

Введение

Ранее в работе [1] была представлена новая жид-кофазная нанотехнология РАМЭ [2-4], предназначенная для получения структурно и пространственно однородных покрытий, в том числе, эпитаксиальных оксидных пленок для буферного покрытия ВТСП-2

проводов [5]. Выявление механизмов зародышеобра-зования и роста эпитаксиальных пленок, полученных по нанотехнологии РАМЭ, мы проводим на примере исследования буферного слоя оксида церия Се02, как самого распространенного буферного слоя, на который наносится сверхпроводящий слой УБСО в силу близости их решеточных параметров. В работе [1]

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

были описаны экспериментальные результаты, полученные для тонких пленок оксида церия CeO2 на монокристаллической подложке титаната стронция STO.

В настоящей работе представлены результаты исследований тонких эпитаксиальных пленок оксида церия CeO2, полученных по нанотехнологии PAND на биаксиально текстурированных Ni-5ат.%W лентах-подложках. Зерна сплава в этих лентах имеют одноосную (200) ориентацию. Цель работы - выявить буферные свойства эпитаксиальных пленок оксида церия CeO2, а именно: установить способность пленок CeO2 препятствовать проникновению материала подложки в сверхпроводящий слой YBCO.

Для этого в работе были применены такие методы исследования, как рентгенофазовый анализ на дифрактометре Rigaku D/MAX 2500 с приставкой

ХКЭ-РЫ^сап для определения остроты текстуры пленок, метод ВИМС (масс-спектрометр РН1-6600) для исследования взаимопроникновения элементов буферного СеО2 слоя и №-5ат.%^ ленты-подложки, а также атомно-силовая микроскопия для исследования морфологии поверхности пленок СеО2.

Буферные Се02 пленки, результаты исследования

Процедура получения образцов эпитаксиальных буферных СеО2 пленок на №-5ат.%^ лентах-подложках методом РАМЭ описана в [1].

Результаты экспериментов по исследованию структуры и морфологии буферного слоя, а также особенностей передачи буферными пленками Се02 толщиной 40 и 80 нм текстуры №-5ат.%^ подложек, показаны на рис. 1.

Пленка CeO2, 40 нм

3000

Ra = 7,12 нм, d = 30-40 нм

FWHM(m-scan)/0: 8,13

FWHM (ffl-scan)/0: 6,87

Пленка CeO2, 80 нм

Ra = 6,15 нм, d = 56-70 нм

Ni (200)

Ce02 (200)

FWHM(ffl-scan)/0: 8,87

FWHM(га-scan)/0: 7,53

Рис. 1. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) изображения, дифрактограммы и острота текстуры ППКК (полуширина на полувысоте кривой качания (m-scan) пленок СеО2 толщиной 40 и 80 нм

на Ni-5ат.%W подложках

Fig. 1. AFM scans, XRD patterns and XRD phi scan of peaks for CeO2 films of 40 nm and 80 nm thickness on Ni-5at.%W substrates

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 q С

© Научно-технический центр «TATA», 2013 ®

Нанотехнологии

На рис. 1 представлены АСМ изображения, ди-фрактограммы и измеренные значения остроты текстуры FWHM (ra-scan) для СеО2 пленок толщиной 40 нм и 80 нм и Ni-5ат.%W подложек. На дифракто-грамме имеются пики с угловым положением 30, 33 и 70, соответствующие фазе CeO2, и с угловым положением 45 и 52, соответствующие фазе Ni. Таким образом, основными фазами на дифрактограмме являются фазы Ni и CeO2. Как видно из дифракто-грамм, в пленках CeO2 преобладает ориентация (200), которая наиболее благоприятна для получения одноосно ориентированных сверхпроводящих пленок YBCO.

Результаты исследования взаимопроникновения элементов буферного слоя СеО2 толщиной 40 нм и Ni-5ат.%W подложки, проведенные методом масс-спектрометрии вторичных ионов (ВИМС), показаны на рис. 2.

Рис. 2. Профили распределения элементов Ni, W и Ce по толщине образца буферной пленки СеО2 толщиной 40 нм на Ni-5ат.%W подложке Fig. 2. SIMS depth profile data on thick buffer film CeO2 of 40 nm thickness on Ni-5at.%W substrate

В качестве первичного пучка были выбраны ионы O2+. В эксперименте первичный пучок имел следующие характеристики: напряжение первичного пучка - 7,0 кВ, ток первичного пучка - 300 нА, фокус первичного пучка F68, величина растра 800 микрон (800x800), время распыления 30,75 мин., угол падения 89,8°. Величина детектируемой области составляла 6% площади распыления. При распылении регистрировались положительные ионы атомов мишени (Positive SIMS). Перед названием элемента написана регистрируемая атомная масса изотопов.

Как отмечалось выше, эпитаксиальные пленки СеО2 имеют кубическую структуру, которая по параметру решетки не совпадает с кубической структурой никеля на 8,22%. Поэтому пленку СеО2, как правило, не используют как первичный (seed) слой в производстве ВТСП-2 проводов, так как большое несовпадение по параметру решетки со структурой никеля осложняет нормальный рост эпитаксиальной пленки. Поэтому вопрос о передаче остроты тексту-

ры №-5ат.0/(^ подложки буферной пленкой СеО2, полученной по нанотехнологии PAND, и вопрос о существовании промежуточного слоя между пленкой и подложкой становятся актуальными в свете разработки новой эффективной архитектуры ВТСП-2 провода.

Сравнение АСМ изображений буферных СеО2 пленок толщиной 40 и 80 нм (рис. 1) показывает, что обе пленки плотно покрывают поверхность подложек. Зерно СеО2 имеет округлую форму, а его диаметр меняется от 30 нм в пленке толщиной 40 нм до 70 нм в пленке толщиной 80 нм. Укладка зерен по поверхности подложки имеет явно выраженную ориентацию, что наиболее четко проявляется в пленке толщиной 80 нм. При этом шероховатость поверхности СеО2 пленок (Ra = 6-8 нм) не ухудшается по сравнению с шероховатостью Ni-W подложек (Ra = 7-8 нм).

Фазовый анализ дифрактограмм СеО2 пленок толщиной 40 и 80 нм показывает, что во всех спектрах присутствует целевая СеО2 фаза, а эпитаксиальный слой имеет целевую (200) ориентацию. Кроме линии СеО2 (200) в рентгеновских спектрах видны линии фазы СеО2 с ориентацией (400) и (111). Появление в спектрах исследуемых образцов линии 28 = 28, соответствующей СеО2 (111), возможно, связано с присутствием на поверхности Ni^x/W подложек кубической (111) ориентации.

Наблюдаемое ориентационное приспособление пленки СеО2 к текстуре Ni^x/W подложки говорит о совершенстве механизма эпитаксиального роста пленок, полученных по нанотехнологии PAND. О высоком качестве структуры сформировавшейся эпитаксиальной СеО2 пленки свидетельствует и появление в спектре СеО2 линии с ориентацией (400).

Из анализа рентгеновских спектров качания (rascan) получены данные об остроте текстуры СеО2 пленок и Ni-5 ат./W подложек (рис. 1). Согласно этим данным, зависимость остроты текстуры исследованных буферных пленок СеО2 от толщины в диапазоне толщин (40-80 нм) не наблюдается. Более того, в обеих СеО2 пленках наблюдается увеличение остроты текстуры по сравнению с остротой текстуры Ni-5ат.%W подложек, т.е. при толщине буферной пленки 40 нм острота текстуры улучшается на 1,26°, а при толщине 80 нм - на 0,66°.

Таким образом, буферные пленки СеО2 толщиной до 80 нм, полученные по нанотехнологии PAND, не только передают остроту текстуры Ni-5 ат./W подложек, но и улучшают ее.

В то же время вопросы о барьерных свойствах СеО2 пленки и о существовании промежуточного слоя между Ni-5ат.%W подложкой и СеО2 пленкой остаются открытыми. Хотя в дифрактограмме нет явных линий промежуточной Ni-W-Ce-O фазы, но наблюдается широкий пьедестал в области углов 28 = 15-25° (на рис. 1 эта область спектра не показана). Результаты исследования образца буферной СеО2 пленки толщиной 40 нм методом ВИМС

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (134) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

(рис. 2) указывают на возможность существования промежуточного слоя. Профиль распределения по толщине церия Се показывает довольно быстрое уменьшение его концентрации в №-5ат.%^ подложке. Концентрация же никеля N1, хотя и уменьшается в буферном СеО2 слое, но все же его там достаточно много. По-видимому, широкий пьедестал в области углов 28 = 15-25° в дифрактограмме соответствует аморфному №^-Се-0 переходному слою.

Таким образом, результаты ВИМС показывают, что буферная СеО2 пленка толщиной 40 нм не является хорошим барьером, препятствующим проникновению материала №-5ат.%^ подложки в сверхпроводящий УБС0 слой.

Заключение

В результате проведенных исследований буферных пленок СеО2, полученных по технологии PAND на №-5ат.%^ подложках, установлено, что:

>3

Список литературы

1. Чибирова Ф.Х., Тарасова Д.В., Лукашев. Р.В., Пройдакова В.Ю., Пыльнев М.А. Получение буферных и сверхпроводящих покрытий ВТСП-2 проводов методом PAND // Альтернативная энергетика и экология - ВвАЕЕ, 2012. № 12. С. 57-61.

2. Патент 2387050 С1., РФ, Б82Б3/00. Способ получения многослойного высокотемпературного сверхпроводящего материала и многослойный высокотемпературный сверхпроводящий материал / Чи-бирова Ф.Х. // Электронный бюллетень № 28. 2010.

3. Чибирова Ф.Х., Тарасова Д.В., Лукашев Р.В. PAND - новая жидкофазная технология для получения оксидных покрытий ВТСП-2 // КАБЕЛЬ-news. 2011. № 3. С. 62-64.

4. Тарасова Д.В., Бовина Е.А., Сергеев А.М., Со-держинова М.М., Дулина Р.С., Чибирова Ф.Х. Синтез золей диоксида церия ионообменным методом // Коллоидный журнал. 2007. Т. 69. № 1. С. 3-7.

5. Токонесущие ленты второго поколения на основе высокотемпературных сверхпроводников / Под ред. А. Гояла. Перевод с англ. под ред. А.Р. Кауля. М.: Издательство ЛКИ, 2009.

• буферные СеО2 пленки толщиной до 80 нм передают остроту текстуры №-5ат.%^ подложек и даже улучшают ее;

• буферная СеО2 пленка толщиной 40 нм не является хорошим барьером, препятствующим проникновению через нее материала №(^) подложки.

Дальнейшие исследования будут направлены на углубление понимания процессов зародышеобразо-вания и роста эпитаксиальной пленки Се02 на №-5ат.%^ ленте-подложке с целью построения модели этих процессов и дальнейшего перехода к разработке архитектуры буферного слоя на №-5ат.%^ лентах-подложках, в которой пленка Се02 будет как традиционно верхушечным слоем-подложкой для роста сверхпроводящего УБС0 покрытия, так и затравочным слоем для эффективного эпитаксиального роста целевых буферных слоев.

Авторы благодарят Министерство образования и науки РФ за финансовую поддержку работы в рамках соглашения 14.U01.21.8204.

References

1. Cibirova F.H., Tarasova D.V., Lukasev. R.V., Projdakova V.U., Pyl'nev M.A. Polucenie bufernyh i sverhprovodasih pokrytij VTSP-2 provodov metodom PAND // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISGAEE, 2012. № 12. S. 57-61.

2. Patent 2387050 C1., RF, B82B3/00. Sposob polucenia mnogoslojnogo vysokotemperaturnogo sverhprovodasego materiala i mnogoslojnyj vysoko-temperaturnyj sverhprovodasij material / Cibirova F.H. // Elektronnyi bulleten' № 28. 2010.

3. Cibirova F.H., Tarasova D.V., Lukasev R.V. PAND - novaa zidkofaznaa tehnologia dla polucenia oksidnyh pokrytij VTSP-2 // KABEL'-news. 2011. № 3. S. 62-64.

4. Tarasova D.V., Bovina E.A., Sergeev A.M., Soderzinova M.M., Dulina R.S., Cibirova F.H. Sintez zolej dioksida ceria ionoobmennym metodom // Kolloidnyj zurnal. 2007. T. 69. № 1. S. 3-7.

5. Tokonesusie lenty vtorogo pokolenia na osnove vysokotemperaturnyh sverhprovodnikov / Pod red. A. Goala. Perevod s angl. pod red. A.R. Kaula. M.: Izdatel'stvo LKI, 2009.

Транслитерация по ISO 9:1995

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (134) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013