СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК - ДИЭЛЕКТРИК - ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК Российский патент 2017 года по МПК H01L39/24 

Изобретение относится к области получения сверхпроводящих материалов и изделий из них, в частности к способам получения изделий из высокотемпературных сверхпроводящих материалов (ВТСП) 123-типа: ReBa₂Cu₃O_7, где Re редкоземельный металл или иттрий, и может быть использовано для создания различного рода датчиков и счетчиков в сверхбыстродействующих электронных устройствах, криоэлектронных приборах, детекторов СВЧ и др.

Известен способ получения структуры высокотемпературный сверхпроводник - диэлектрик - высокотемпературный сверхпроводник методом магнитронного напыления диэлектрика на сверхпроводящий слой ВТСП с последующим напылением на него другого слоя ВТСП [Журнал технической физики, 2014, том 84, вып. 10, с. 68-72.]

Недостатком способа является необходимость напылять слои диэлектрика и ВТСП, что удорожает производство. Кроме того, из-за разницы коэффициентов линейного расширения диэлектрика и ВТСП при циклах охлаждение - нагрев происходит быстрое разрушение изделий.

Известен также способ получения структуры высокотемпературный сверхпроводник - диэлектрик - высокотемпературный сверхпроводник методом лазерного напыления [Метод лазерного напыления в синтезе ВТСП пленок / М.Р. Предтеченский, 46 с. ил. 20 см, Новосибирск, ИТФ, 1990.]

Недостатком способа является необходимость напылять слои диэлектрика и ВТСП, что удорожает производство. Кроме того, из-за разницы коэффициентов линейного расширения диэлектрика и ВТСП при циклах охлаждение - нагрев происходит быстрое разрушение изделий. Наиболее близким способом является способ, по которому на слой ВТСП 123-типа DyBa₂Cu₃O₇ направляют поток ионов аргона с энергией, необходимой для их проникновения в материал на глубину, равную требуемой толщине диэлектрика.

При таком способе ионы аргона аморфизируют ВТСП 123-типа DyBa₂Cu₃O₇, при этом происходит необратимое разрушение сверхпроводящего соединения и превращение его в диэлектрик с базовым химическим составом, описываемым формулой 0,5Dy₂O₃+2BaO₂+1,5CuO₂. [Способ получения структуры металл/диэлектрик/высокотемпературный сверхпроводник. Патент RU 2156016].

Недостатком способа является необходимость напылять на слой такого диэлектрика слой ВТСП, что удорожает производство. Кроме того, созданные таким способом слои ВТСП и диэлектрика имеют разные коэффициенты термического расширения, что приводит к разрушению созданной структуры при циклах охлаждение - нагрев.

Задачей изобретения является получение структуры высокотемпературный сверхпроводник - диэлектрик - высокотемпературный сверхпроводник без использования операций напыления диэлектрического слоя и слоя ВТСП, т.е. создание другого способа образования слоев.

Техническим результатом данного решения является создание способа формирования слоев без дополнительного напыления ВТСП, позволяющего упростить технологию, что удешевляет производство и уменьшает вероятность разрушения изделия, улучшает совместимость слоев при циклах охлаждение - нагрев за счет уменьшения разницы в коэффициентах линейного расширения диэлектрика и ВТСП.

Технический результат достигается тем, что в качестве высокотемпературного сверхпроводника берут сверхпроводник состава REBa₂Cu₃O₇, где RE - редкоземельный металл или иттрий. В качестве атомных частиц используют ионы водорода с энергией, необходимой для проникновения в сверхпроводник на суммарную глубину диэлектрик - высокотемпературный сверхпроводник, проводят формирование ими слоя диэлектрика. Затем на сформированный слой диэлектрика направляют поток ионов кислорода с энергией, необходимой для их проникновения на глубину слоя ВТСП, проводят формирование ими слоя ВТСП.

Согласно изобретению слой ВТСП ReBa₂Cu₃O₇, где Re редкоземельный металл или иттрий, в виде тонкой пленки на подложке из монокристалла либо поликристалла помещают в вакуумную камеру, после чего напускают в нее водород, поддерживая давление ~2⋅10^-1 Па. Затем производится ионизация водорода в камере.

Ионизация водорода в камере производится, например, при помощи ионной пушки с напряжением от +500 до +4000 вольт. При этом ВТСП подвергается воздействию ионов водорода, время облучения составляет от пяти минут до двух часов, в зависимости от необходимой глубины обработки. При этом образуется диэлектрический слой состава ReBa₂Cu₃O_y (y от 6,5 до 6,0).

Коэффициент термического линейного расширения такого диэлектрика практически совпадает с коэффициентом термического линейного расширения исходного ВТСП, т.к. не происходит разрушения сверхпроводящего соединения на отдельные компоненты. Изменяется только тип кристаллической решетки, тогда как параметры решетки меняются незначительно, что обуславливает практически неизменные механические свойства, в том числе коэффициент термического линейного расширения. Однако изменение типа кристаллической решетки приводит к существенному изменению электрических свойств соединения от сверхпроводника к диэлектрику.

Сформированный диэлектрический слой легко может быть обратимо переведен в исходный сверхпроводник, что позволяет формировать на нем необходимый слой ВТСП. Для этого слой диэлектрика обрабатывается ионами кислорода на требуемую глубину при ускоряющем напряжении от 500 до 2000 В от 1 мин до 2-х час.

Пример. Пленку ВТСП 123 типа состава YBa₂Cu₃O₇ подвергали воздействию ионов водорода при ускоряющем напряжении 1500 В в течение 25 минут. При этом был сформирован слой диэлектрика толщиной порядка 20 микрон.

На фиг. 1 приведены фрагменты дифрактограмм соединения 123, снятые на отфильтрованном Cu Kα-излучении: а) ромбическая решетка (исходное соединение); б) тетрагональная решетка (после облучения ионами водорода).

В результате воздействия ионов водорода на ВТСП происходило изменение его решетки от ромбической к тетрагональной. Такое изменение типа решетки характерно для случая уменьшения содержания кислорода в соединении YBa₂Cu₃O_y («y» меняется от 7 до 6), что и приводит к изменению электрических свойств от сверхпроводящих к диэлектрическим [Грабой И.Э., Кауль А.Р., Метлин Ю.Г. Химия и технология высокотемпертурных сверпроводников. «Химия твердого тела» (Итоги науки и техники ВНИТИ АН СССР), 1988, 6, с. 3-142].

Важно, что в данном случае соединение YBa₂Cu₃O₇ не распадается на более простые соединения, а только восстанавливается до YBa₂Cu₃O₆. Затем слой такого диэлектрика подвергли воздействию ионами кислорода при ускоряющим напряжении 1000 В в течение 10 минут. При этом ионы кислорода окислили YBa₂Cu₃O₆ до YBa₂Cu₃O₇ на глубину порядка 5 мкм. Таким образом на слое диэлектрика был сформирован слой ВТСП.

Использование: для создания структур высокотемпературный сверхпроводник – диэлектрик – высокотемпературный сверхпроводник. Сущность изобретения заключается в том, что на слой высокотемпературного сверхпроводника 123-типа направляют поток атомных частиц, в качестве высокотемпературного сверхпроводника берут сверхпроводник состава REBa₂Cu₃O₇, где RE - редкоземельный металл или иттрий. Технический результат: обеспечение возможности формирования слоев без дополнительного напыления ВТСП, что удешевляет производство и уменьшает вероятность разрушения изделия. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

1. Способ получения структуры высокотемпературный сверхпроводник - диэлектрик - высокотемпературный сверхпроводник, по которому на слой высокотемпературного сверхпроводника 123-типа направляют поток атомных частиц, отличающийся тем, что в качестве высокотемпературного сверхпроводника берут сверхпроводник состава REBa₂Cu₃O₇, где RE - редкоземельный металл или иттрий.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве атомных частиц используют ионы водорода с энергией, необходимой для проникновения в сверхпроводник на суммарную глубину диэлектрик - высокотемпературный сверхпроводник, проводят формирование ими слоя диэлектрика.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на сформированный слой диэлектрика направляют поток ионов кислорода с энергией, необходимой для их проникновения на глубину слоя ВТСП, проводят формирование ими слоя ВТСП.