Способ получения сверхпроводящего тонкого слоя оксидного материала Советский патент 1991 года по МПК H01L39/24 

Изобретение относится к способу получения сверхпроводящего тонкого слоя из окисного материала.

Целью изобретения является предотвращение нежелательного взаимодействия сверхпроводящего слоя и подложки.

Изобретение основывается на экспериментально установленном явлении, в соответствии с которым за счет диффузии исходных материалов и последующей химической реакции между ними можно добиться образования еверхпрсводимого слоя, состав которого незначительно изменяется в направлении, перпендикулярном этому тонкому слою. Часть

этого слоя имеет состав с оптимальны- ми сверхпрсводимыми свойствами. Поскольку сопротивление этого слоя при его использовании равно нулю, то передача электрического тока происходит (по существу) исключительно через этот слой.

Исходные материалы могут контактировать друг с другом, например, в виде двух объемных материалов подложки, на поверхности раздела которых образуется сверхпроводимый слой.

В предпочтительном варианте способа по изобретению один из исходных материалов образует подложку, на коto

CM

3 16

торую наносится другой (другие) исходный материал (материалы) в форме Тонкого слоя, после чего всю композицию нагревают.

В альтернативном варианте способа по изобретению исходные материалы наносятся на инертный субстрат в форме двух тонких слоев, после чего следует этап повышения температуры.

После этапа повышения температуры сверхпроводимый тонкий слой может факультативно подвергаться обработке при высокой температуре в окислительной атмосфере.

В предпочтительном варианте способа по изобретению повышение температуры с целью стимулирования диффузии и химической реакции осуществляется в окислительных условиях.

Наиболее приемлемым для данного случая сверхпроводящим материалом является YBa Cu507 & с Тс 90 К. Значение & равно примерно 0,1 - 0,5. Кислород можно частично заменить фто- ром, например, до 1 атома в приведенной общей формуле, что приводит к некоторому повышению Тс.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения используется подложка из Y Cu205, на которой образован тонкий слой ВаСи02. Богатые Ва соединения обычно менее пригодны для использования в качестве подложки по причинам их неудовлетворительного для данного случая сплавляющего свойства и довольно сильной их подверженности отрицательному влиянию со стороны влаги.

В альтернативном варианте изобретения используется подложка из СиО с образованным на ее поверхности тонким слоем YЈBa407. К преимуществам этого варианта изобретения относятся то, что подходящую подложку можно легко и просто изготовить из- СиО, а также то, что в ионы иттрия и ионы бария уже присутствуют в желаемом соотношении, так что имеется возможность получить материал состава, который можно точно определить.

Следует также иметь ввиду, что , как правило, существует в виде карбонатного СО.. Это соединение не оказывает никакого влияния на диффузию и химическую ре- акцию.

В еще одном предпочтительном вари- анте изобретения используется под- ложКа YzBaCu05, на которой образован

тонкий слой смеси СиО (40 мол.%) и ВаСиО (60 мол.%).

Способ по изобретению можно использовать для изготовления сверхпровод ящих окисных материалов, например, купратов Bi, Ca и Sr.

Другая группа приемлемых сверхпро- воднмых материалов изготавливается на основе LaxMe2 xCuO., причем в данном случае Me выбирают из группы CaSr и Ва, а х колеблется между 1 и 2. La можно заменить, например, Y, Тс получаемой пленки Тс 40 К.

Тонкий слой этих сверхпроводимых материалов можно легко и просто получить в результате образования тонких слоев LagCuO. и ЬаМеСиОц. один на поверхности другого на инертной подложке с последующим этапом повышения температуры с целью стимулирования протекания желаемых диффузии и химической реакции.

Пример 1. Изостатически прессуют соответствующее количество порошка YgCugpg- под давлением в 800 МПа с конечным образованием таблетки диаметром 25 мм. Затем в течение 30 мин в атмосфере воздуха сжимают эту таблетку под давлением в 100 МПа до момента достижения плотности, которая равна 95-100% теоретической плотности. Затем тщательно полируют поверхность до образования шероховатости менее 1 мкм.

С помощью лазерного метода напыления в вакууме образуем на поверхности слой ВаСиО толщиной в 1 мкм. Этот слой аморфный и состоит из BaCOj, которое при-последующем нагревании преобразуется в ВаСиОг. Мольное отношение Ва и Си в этом слое предпочтительно 1:1.

Затем подложку и образованный тонкий слой нагревают до 850°С со скоростью 200°С/ч и выдерживают при этой температуре в течение 2 ч. Затем образованный таким образом блок охлаждают со скоростью 100°С/ч до 20°С. Вся эта процедура происходит в атмосфере кислорода при давлении 0,1 МПа.

Результаты измерений дифракции рентгеновских лучей дают основание утверждать, что в результате химической реакции + 4BaCuOz + n02- - 2YBaЈCu Of Ј образуется какое-то количество YBazCu 07.

Образованное количество ВаСиО. полностью не было использовано, а

между сверхпроводящим слоем (толщино примерно в 0,5 мкм) и подложкой образуется более тонкий слой YBaCu O.

Затем на поверхности наносили царапины и образовывали методом осаждения из паровой фазы слой золота, чтобы гарантировать хорошие электрические контакты со сверхпроводимым слоем. Результаты измерений сопротивления указывают на то, что значение Тс примерно равно 93 К, а ширина переходной зоны равна примерно 10 К. При 240 К в температурном интервале 10 К происходило относительно резкое уменьшение сопротивления на 5-10%. Вполне возможно, что это было вызвано наличием здесь других фаз и изменениями в составе YBa CujOj.jJ в пределах существующего диапазона этого соединения. Поскольку Тс зависит от состава и так как оптимальный слой всегда оказывает решающее влияние на результаты измерения, то в позиции и толщине слоя, в котором измеряется сопротивление, могут происходить некоторые изменения.

Пример 2. С помощью метода распыления до состояния плазмы образовывали на подложке из СиО слой толщиной примерно в 3 мкм. Затеи осуществляли описанный в примере 1 этап нагревания, в ходе которого после диффузии происходит следующая химическая реакция:

6 СиО + УгВа407-СО + п20 00,

2 YBa Cu307 g.

Ј

Во всем слое взаимные количества Y и Ва достигают желаемого значения. В точках, где сверхпрсводимый слой богат содержанием СиО, слой менее ор- торомбический или просто менее ромбический, а следовательно, и менее сверхпрсводимый. И тем не менее, с помощью способа по изобретению можно получать слои оптимального состава и с TЈ примерно в 90 К. Этот способ легко поддается регулированию, так как образование оптимального сверхпроводящего слоя не зависит критическим образом от параметров процесса образования слоя.

Пример З.С помощью метода напыления на подложке из Y BaCuO - образуется слой, состоящий из смеси СиО и ВаСиОл с мольным отношением 2:3. Затем осуществляют этап нагревания по примеру 1 в течение которого

сразу же после завершения диффузии | происходит следующая химическая реакция :

0

5

0

5

0

5

0

5

0

+ 3 BaCu02 +

Y2BaCu05 + 2 CuO + n YBa2Cu307 s .

Пример 4 . Методом осаждения из паровой фазы на подложке из сапфира (окись алюминия) образовывали слой LaSrCu04- Па этой же подложке тем же методом образовали слой La-CuO. Затем в результате нагрепания до 950 С в течение 2 ч вызывали диффузию и химическую реакцию в твердой фазе: La2CuO + T.aSrCu04 - 2 LaxSr2 x . с конечным образованием граничного слоя, состав которого изменялся в виде функции места. Конечным результатом подобной обработки было то, что при каких-то конкретных температурах, магнитном поле и силе электрического тока всегда образуется тонкий слой, имеющий оптимальный состав, который обычно достигается при х 1,8.

Формула изобретения

1.Способ получения сверхпроводящего тонкого слоя оксидного материала путем нанесения исходных оксидных материалов на подложку с последующей термообработкой в окислительной среде, отличающийся тем, что, с целью предотвращения взаимодействия сверхпроводящего слоя и подложки, используют по меньшей мере два исходных оксидных материала, которые наносят в виде двух слоев, расположенных друг над другом в механическом контакте, а обработку в окислительной среде проводят в режиме образования сверхпроводящего тонкого слоя на границе раздела слоев за счет диффузии

и химической реакции, происходящих в твердой фазе.

2.Способ по п.1, о тличаю- щ и и с я тем, что в качестве одного слоя исходного оксидного материала используют подложку.

3.Способ по п.2, отличающийся тем, что, с целью получения сверхпроводящего тонкого слоя , в качестве материала подложки используют , на которую наносят слой YBaCuO.

4.Способ по п.2, отличающийся тем, что, с целью получения сверхпроводящего тонкого слоя

71678219 8

YBaCu Of-S, B качестве материала под-материала, состоящего из соотношения

ложки используют СиО, на поверхность40 мол.% СиО и 60 мол.% BaCuOg. которого наносят .6. Способ поп.1, отличающийся тем, что, с целью получе5. Способ по п.2, отличаю-ния тонкого сверхпроводящего слоя щ и и с я тем, что, с целью получе-,LaxHe2 xСиОф, ния тонкого сверхпроводящего слоягде це - Са, Sr и Ва YBaЈdi30T $, в качестве материала1 хЈ2, в качестве исходных оксид- подложки используют YgBaCuOg, на ко-ных материалов используют . и Ь торый наносят тонкий слой оксидногоLaMeCu04.

Изобретение относится к способам получения сверхпроводящего тонкого слоя из оксидного материала. Цель изобретения - упрощение способа получения. Используется подложка из Y2Cu2Oy, на которую наносится слой BaCuOg., или подложка из на которую наносится слой . Кроме того, может использоваться в качестве подложки YЈBaCuO, на который наносится слой из смеси СиО(40мол.%) и ВаСиО (60 мол.%). Для получений пленки на основе LaxMe2 xCu04, где Me - Ca, Sr, Ba, а , используют слой LagCuO. и LaMeCuO. 5 з.п. ф-лы. S IB