Способ определения качества высокотемпературных сверхпроводящих материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N23/227 H01L39/00 

СП

с

Изобретение относится к области анализа элементного состава оксидных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) и предназначено для установления содержания кислорода с помощью физических методов. Цель изобретения - повышение экспрессное™ и осуществление неразрушающего контроля. Объект облучают электронами с энергией 18-22 кэВ. Регистрируют интенсивность истинновторичных электронов и определяют дефицит кислорода. 1 табл.

Изобретение относится к анализам элементного состава оксидных восокотемпера- турных сверхпроводников (ВТСП) и предназначено для установления содержания кислорода с помощью физических методов.

Сверхпроводящие свойства ВТСП материалов находятся в сильной зависимости от количества кислорода в структуре, дефицит которого приводит к переходу сверхпроводящих свойств в полупроводниковые уже при степени дефицита 6 в несколько десятых моля. Количественный контроль дефицита кислорода составляет основную проблему технологии ВТСП.

Известен способ измерения концентраций элементов с помощью микрорентгенос- пектрального анализа, в котором производят облучение в вакууме потоком электронов образца и эталона и измеряют отношение интенсивности характеристического рентгеновского излучения образца и эталона.

Недостатком зтогоспособа является необходимость полирования поверхности образца,атакжесложность спектрометрической аппаратуры.

Известен также способ оже-электрон- ной спектроскопии. Образец и эталон облучают потоком электронов в вакууме, регистрируют оже-электроны и определяют содержание кислорода по отношению интенсивности оже-излучения образца и эталона.

Недостатками способа являются сложность спектрометрической аппаратуры, длительность откачки для получения сверхвысокого вакуума (от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от степени вакуума), а также низкая относительная чувствительность в определении кислорода (не лучше 15 моль/%), вследствие загрязнении

| о

hO

ю о о

поверхности в реальных условиях лз срений молекулами СО, СО., Н20.

Кроме того известен спссоб-прототип, согласно которому содержание кислорода проводят методом иодометрического титро- вания,

Указанный способ требует разрушения образца и осуществляется в течение длительного времени. Абсолютная чувствительность и точность способа 0,02 моль.

Цель изобретения - повышение экс- прессности и осуществление неразруша;з- щего контроля.

Сущность способа состоит в облучении образца в вакууме потоком электронов, из- мерении и сравнении уровней эмиссии ис- тинновторичных электронов (с энергией до 50 эВ). Эти уровни определяются взаимодействием вторичных электронов с электронами в зоне проводимости, концентрация которых в сверхпроводнике выше Тс очень высока. В результате уровень вторичной эмиссии из сверхпроводника, например, при комнатной температуре, где он является квазиметаллом, кизок. Квазиметалличе- ский характер электронном структуры (незаполненные перекрывающиеся зоны) проявляется при содержании кислорода, близком к стехиометрии. При потере кислорода происходит изменение в электронной структуре сверхпроводника, заключгющее- ся, в частности, в непрерывном уменьшении концентрации своЗодных (носителей т оонь проводимости с ростом дефицита кислорода. В этом случае независимо от донорнэго или акцепторного типа проводимости число змиттированных вторичных электронов будет возрастать за счет уменьшения электрон-электронного взаимодействуя. Такмм образом,-уровень вторичной элек-.ронной эмиссии в ВТСП-материалах является функцией степени кислородного дефицита, что позволяет провести измерения отчсситепь- ног о содержания кислорода. Для абсолютных измерений следует применять эталоны.

Определим возможность рыбора оптимальных условий измерений. Наиболее существенным является выбор энергии первичного электронного потока Ер, Так как для квазиметалла глубина выхода истинной слгоричной эмиссии слабо зависит от глубины проникновения первичных электронов, а для полупроводников я га зависимость сильно выражена (увеличение глубины выхода при уменьшении концентрации носителей), то с ростом энергии первичных электронов разность уровней вторичной эмиссии из слабо дефектных по кислороду :.вазиметзл- лических) материалов и сильно дефектных по кислороду(полупроводниковых) материалов будет расти до тех пор, пока при больших энергиях первичных электронов выход эмиссии из сильнодефектных по кислороду материалов не уменьшится за счет большой глубины проникновения первичного потока. В результате зависимость разности уровней эмиссии от энергии первичных электронов, которая пропорциональна чувствительности, будет иметь максимум, отвечающий оптимальной энергии первичных электронов и максимальной чувствительности.

Пример 1. Берут две эталонные керамики ВТСП-материала УВа2Сиз07- 5 в которых 51 0,15, (52 0,65 определены независимым методом, и помещают в камеру с вакуумом Па, снабженную источником первичных электронов и детектором вторичных электронов. Облучают обе керамики потоком первичных электронов с энергиями Ер 10, 15, (8, 20, 25 кэВ и регистрируют уровни эмиссии из обеих керамик для каждой энергии. Результаты приведены в таблице, из, них следует, что оптимальной энергией первичных электронов является энергия от 18 до 22 кэВ, которая соответствует максимальной относительной чувствительности.

Пример 2. Bepv, керамики составов

УВЭ2СизОб.85 ( б 1 О , 15) И УВ32СизОб.35 (

6 2 0,65) в качестве эталонов, а также керамики с неизвестным дефицитом кислорода, с закалкой от температур 600-900°С, все образцы помещают в камеру с вакуумом 10 Па, снабженную источником первичных электронов и детектором вторичных электронов. Облучают все образцы потоком электронов с энергией 20 кэВ и регистрируют /ровни эмиссии истинно-вторичных электронов (отн.ед.): 11 GO ± 1j i 44 ± 1; з 36 ± 1; U 41 ± 1; is 42 ± 1.

Неизвестные абсолютные значения дефицита кислорода определяют по формуле

л + Сх- О -).

,2 |,

где И. la, Ix - уровни эмиссии вторичных электронов соответственно из эталонов и пробы;

3i , 02 - дефицит кислорода для эталонов,

Подставляя соответствующие значения, получают дз 0,36; да, 0,55; 5s 0,58. со- ответственно формулы УВа2СизОб.б4: УВазСизОб.зз; УВз2СизОб.42.

Относительная чувствительность во сеем интервале измерений составляет 76%. Время измерений не превышает 50 мин.

Предлагаемый способ обладает простотой и зкспрессностью, не требует сложной

спектрометрической аппаратуры, сверхвысокого вакуума.

Формула изобретения Способ Определения качества высокотемпературных сверхпроводящих материалов, включающий определение дефицита

кислорода, отличающийся тем, что, с целью повышения экспрессности и осущв ствления неразрушающего контроля, объект облучают в вакууме электронами с энергией 18-22 кэВ и регистрируют интенсивность истинновторичных электронов, по которой определяют дефицит кислорода.