| 1 |
15 апреля 2017 г.-31 декабря 2017 г. |
Самоорганизующиеся двухфазные нано-структурированные пленки как основа создания ВТСП-материалов второго поколения с повышенной устойчивостью в магнитных полях. |
| Результаты этапа: Методами импульсного лазерного осаждения (PLD) и химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) на длинномерных металлических лентах-подложках получены сверхпроводящие тонкопленочные композиты RBCO (R=Gd, Y) c искусственными центрами пиннинга – перовскитами BaSnO3 и BaZrO3. Изучены текстурные и микроструктурные характеристики полученных композитов. Показано, что использованные методы и условия синтеза приводят к полукогерентному срастанию (топотаксии) с-ориентированных матриц RBCO (R=Gd, Y) и изолирующих включений Ba(Sn/Zr)O3, образующих наноколонны толщиной 5-10 нм, вытянутые перпендикулярно поверхности композитной пленки. Установлено, что изменение содержания добавок Ba(Sn/Zr)O3 изменяет концентрацию наноколонн в матрице, но не их характерные размеры. Впервые предложена модель, объясняющая обнаруженный экспериментально наклон наноколонн относительно перпендикуляра к (001)-плоскостям сверхпроводящей матрицы. Подтверждено, что на границе ВТСП-матриц и несверхпроводящих
включений существуют упругие напряжения встречного знака, связанные с различием параметров элементарных ячеек полукогерентных структур, увеличивающимся при окислении ВТСП-матрицы. Это явление, установленное нами ранее для пленок на монокристаллических подложках, применительно к
ВТСП-проводам второго поколения исследовано впервые. Область заметных деформаций ВТСП-матрицы, окружающая наноколонны, распространяется на 10 нм и входит в состав центров пиннинга. Впервые показано, что введение BaZrO3 уменьшает склонность ВТСП- матриц к а-ориентированному росту как для GdBaCuO (PLD), так и для YBaCuO (MOCVD). Этот факт открывает возможность увеличения толщины и, соответственно, критического тока композитов RBCO(R=Gd, Y)/ BaZrO3 в
составе ВТСП-проводов второго поколения. BaSnO3 не оказывает такого влияния. Добавки перовскитов к PLD GdBaCuO снижают критическую температуру и критический ток в собственном поле при 77 К. Наноколонны перовскитов создают анизотропные центры пиннинга, повышающие лифт-факторы в перпендикулярном магнитном поле. Уменьшение скорости роста нанокомпозита в методе PLD способствует сильному увеличению критического тока в собственном поле, но не влияет на лифт-фактор, в отличие от метода MOCVD, где уменьшение скорости роста повышает как критический ток, так и лифт-фактор. Установлено, что метод PLD позволяет выращивать эффективные центры пиннинга в форме наноколонн при бόльших скоростях роста (до ~750 нм/мин) в сравнении с методом MOCVD (до ~100 нм/мин). Синтезированы нанокомпозиты слоистого типа YBaCuO - Y2O3, при исследовании которых было установлено, что введение нанослоев оксида иттрия позволяет резко снизить концентрацию паразитных а-ориентированных кристаллитов ВТСП-матрицы, благодаря чему открывается возможность получения композитных ВТСП-слоев большей толщины и с большим критическим током. |
| 2 |
1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. |
Самоорганизующиеся двухфазные нано-структурированные пленки как основа создания ВТСП-материалов второго поколения с повышенной устойчивостью в магнитных полях. |
| Результаты этапа: Методом сканирующей просвечивающей электронной микроскопии детально изучена микроструктура образцов ВТСП-лент GdBa2Cu3O7-δ с введенными искусственными центрами пиннинга (ИЦП) станната и цирконата бария (BSO и BZO, соответственно). Образцы получены методом импульсного осаждения на производственном оборудовании с высокой скоростью. ИЦП имеют размер и форму наноколонн диаметром 8 нм для BSO и 6,5 нм для BZO. Длина наноколонн BSO примерно вдвое превышает длину колонн BZO. При содержании добавок 6 мол % плотность наноколонн обоих типов составляет ~500 мкм-2, это подтверждено статистическим анализом изображений поперечных срезов, а также срезов вдоль поверхности подложки, результаты которых совпадают. Определены зависимости критического тока от внешнего магнитного поля до 1 Тл при 77К и 65К и при различных значениях углов между направлением магнитного поля и направлением тока сверхпроводимости. Показано, что величина критического тока и угловая анизотропия его магнито-полевой зависимости сильно зависят от наличия и природы ИЦП. Получены также угловые зависимости сопротивления в полях до 9 Тл, их особенности обсуждаются в связи с микроструктурой образцов. Эпитаксиальные пленки двойных перовскитов Ba2YMО6 (M = Nb, Та) получены на монокристаллических подложках SrTiO3 и LaAlO3 методом химического осаждения из газовой фазы металлорганических соединений в предварительно оптимизированных Р(О2)-Т условиях и соотношениях металл-органических прекурсоров. Показано, что фазы двойных перовскитов обладают значительной нестехиометрией по катиону Ва2+. На подложке SrTiO3 (001) получены тонкопленочные нанокомпозиты с матрицей высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-d, содержащие 2.5, 5.0 и 7.5% мол. включений Ba2YNbО6, показано, что такие композиты обладают высокими критическими параметрами сверхпроводимости : Тс>87 К, Jc77,Н=0 >1.9 МА/м2). Установлено, что фаза двойного перовскита находится в матрице сверхпроводника в виде колонн, перпендикулярных плоскости подложки. С помощью рентгеновской дифракции показано, что включения сжаты вдоль оси с и расширяются совместно с матрицей сверхпроводника при восстановительном отжиге. Показано, что введение 2.5% мол. включения Ba2YNbО6 в матрицу YBa2Cu3O7-d ведет к повышению силы пиннинга на 10.6%, а дальнейшее увеличение концентрации – к резкому ее падению. При замещении Nb на Та на 20.43% сила пиннинга увеличивается на 19.72%, достигая своего максимального значения. Дальнейшее увеличение содержания тантала приводит к ухудшению сверхпроводящих свойств нанокомпозитов в результате образования флюоритного твердого раствора Y2O3(Та2О5) вместо двойного перовскита Ba2YNb1-xTaxО6. |
| 3 |
1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. |
Самоорганизующиеся двухфазные нано-структурированные пленки как основа создания ВТСП-материалов второго поколения с повышенной устойчивостью в магнитных полях. |
| Результаты этапа: В дополнение к изначальному плану проекта были изучены эффекты дополнительного окисления пленочных композитов GdBa2Cu3O7-x – BaMO3 (M=Sn, Zr), описанных выше. Как было показано нами ранее, на границах включений и ВТСП-матрицы возникают напряжения, причем это происходит в основном на стадии окисления композита кислородом при 500-300оС, имеющего целью перевод RBa2Cu3O7-х из несверхпроводящей тетрагональной фазы в сверхпроводящую ромбическую фазу. При окислении весьма заметно (примерно на 0,2 А) сокращается параметр с фазы RBa2Cu3O7-х, тогда как параметр не подверженных окислению фаз BaZrO3 или BaSnO3 остается неизменным. Таким образом наноколонны ИЦП играют роль “распорок” в структуре сверхпроводника, мешающих последней принять равновесное значение параметра с, соответствующего полному окислению при использующихся значениях рО2 и Т. Т.е. внутренние механические напряжения, возникающие в такого рода композитах, могут влиять на кислородный индекс «7-х», ответственный за сверхпроводящие свойства. Возможно, именно с этим следует связывать частые наблюдения более низких значений Тс и Jс композитов RBa2Cu3O7-х + ВаМеО3 в сравнении с соответствующими пленками RBa2Cu3O7-х без добавленных ИЦП.
При этом можно подозревать влияние ИЦП не только на кинетику окисления, так и на термодинамику этого процесса. Если механические напряжения изменяют равновесную функциональную зависимость кислородного индекса х =f(рО2, Т) окисления, то достижение оптимальных СП-свойств требует более жестких условий окисления. Для проверки этой гипотезы были проведены отжиги пленочных образцов с ИЦП на лентах в более жестких окислительных условиях, чем обычно используемые для окисления фаз RBa2Cu3O7-x (0,21-1 атм О2, Т=300оС), а именно при 2 и 3 атм О2 и Т=300оС. Вслед за отжигом измерялись токонесущие характеристики лент тремя различными способами: бесконтактно по экранированию магнитного поля, 4-х контактным методом (ВАХ), измерениями по методу Бина (в полях до 8Т и Т=4,2-77К).
Совокупно эти результаты свидетельствуют о том, что дополнительный отжиг действительно улучшает токонесущую способность композитов с ИЦП, причем этот эффект различен для различных составов (концентрации ИЦП) и условий отжига. Наибольший эффект удалось наблюдать в составе, содержащем 18 mol % фазы BaSnO3, который до отжига показывал наименьшее значение критического тока, а после отжига показал наилучшую устойчивость тока к магнитному полю при Т=4,2К. Эти результаты очень важны, в дальнейшем будет предпринята их провека на большем числе составов и образцов.
|
