Введение к работе
Актуальность. темы- Наиболее высокие электрофизпческич и
магнитные параметри в высокотемпературных cn^pxniопсдниках УВааСиэ07-и достигнуты в тонких пленках. Это обстолг»льство позволяет считать пленги объектом, наиболе< близким к практическому использованию в криоэлектроник-э. Однако на пути к их промииіе'нному освоени» уиествует рід препятствий. В частности, сложность создания надежно работающих устройств на основе пленок УВазСиэОт-м п зньчительной него связана с нестабильностью кислородного состава этого соединения, высокой диффузионной подвиенгсть» кислорода и обусловленного этим разбросом структурных и электрофизических параметров.
В то же время этот недостаток можрт бить обращен п достоинство, так как он открывает путь к создание схем в которых функциональные элементы создаются путем локального изменения стехиометрии и структуры первоначально однородной пленки. Известные из литературы технологии локальной модификации пленок, такие как лазерное скр:ійбирование или реакционная диффузия, являются необратимыми и не позволяют тонко управлять свойствами ВТСП плинии, осуществляя подгонку ее "электрофизических параметров.
Таким образом, разработка принципов локального и обратимого управлення кислородным составом а, оледоьчтелык., и свойствами пленок УВагСиэО? -к, представляет бои «up практический интерес. Однахо актуальность тэкмх исследований не ограничивается решением чист^ прикладных задач. Явление высокотемпературной сверхпроводимости открыто недавно и природа его остается няясной. Проведении-' исследования показали, что клгчепу» роль, в во?нихновени. сверхпроводимости в металлооксидных соединениях играет кислородный состав и процессы упорядочения в кислородной подсистеме. Исследования на тонких полнкристалличесюїх и эпитаксиальных пленках позволят получить 'ополнительную инфорчаиив о взаимосвязи этих процессов с кристаллической структурой, что облегчит понимание природы высокотемпературной свархпроподимости.
.4
Вое вышесказанное позволяет считать разработку методов управления кислородным составом пленок ЇВагСиаСЬ-* актуальной как с научной, так и с практической точки зрения.
Одним из наиболее эффективных и, вместе с тем, простим и точным методом управлении составом является твердотельный электрохимический метод.
linn. pnfioTM. Целью работы является разработка физико-химических принципов локального управления структурой, составом и свойствами пленок YBazCua07->c электрохимическими методами.
Ослоunaп идея работы Основная идея работы заключается в
том, что для управления составом, структурой и, следовательно, свойствами пленок УВагСиаОт-к используется явление твердофазного ионного электропереноса.
Данный принцип управления свойствами ВТСП опробован в предложенных и созданных нами тонкопяеночних гетерострукту-рэх, которые представляют собой последовательно напиленные на подложку слои ВТСП (УВагСиэОх), твердого электролита по кислороду, электродного материала. При этом, в одном из вариантов гетероструктуры, сама подложка может служить одним из перечисленных функциональных слоев. Такие гетероструктуры представляют собой модификацию ионного электрохимического кислородного насоса. Управление составом состоит в том. что при создании разности потенциалов между электродом и пленкой ВТСП, происходит электрохимический перенос кислорода из твердого электролита в сверхпроводник или наоборот, в зависимости от полярности приложенного напряжения. Это позволяет изменять состав сверхпроводника локально. контролируемо и обратимо.
Электрохимический метод позволяет так же управлять текстурой и микроструктурой, растущей пленки в том случае, когда ионный перенос кислорода осуществляется в. ароцессе роста пленки на нонпроводяцей подложке. Таким образом, явление іектрохимическогр переноса в тонкопленочних гетеро-структурах позволяет:
- контролируемо и локально изменять состав мет- лооксиднше сверхпроводников с целью оптимизации их электрических свойств;
создавать криогенные функциональные элементы путем локлль-ного изменения кислородного состава первоначально однородн jfl пленки;
управлять микроструктурой растущей пленки;
исследовать методом э.д.с. термодинамику и кинетику взаимодействия УВааСиэОт-х с кислородом, используя гетеро-структуру как гальванический элемент.
научила нпиячня Результаты данной работы показали, что методы твердотельной электрохимии могут эффективно использоваться как для управления процессом кристаллизации пленок YBaaCuaOr-x, так и для контролируемого, локального и обратимого изменения характеристик ухе сформированных пленок. Разработанная и созданная для этой цели тонкопленочная гетероструктураДВагСизО^-к/твердый электролит/электрод является новым многофункциональным элементом. С одной стороны она является прототипом сверхпроводниковых устройств с управляемыми характеристиками. С другой стороны-является эффективным инструментом исследований. Применение тонкотле-ночних гетероструктур в качестве электрохимических ячеек позволило избежать методической некорректности предыдущих исследований, связанной с больпой ролью переходных процессов на границе газ/пленка УВагСиэОх, расширить температурный диапазон исследований в сторону низких температур и, тем самим, обнаружить ряд новых особенностей в диффузии кислорода в пленках УВааСиэОт-х.
Пражтнчвкжпя гчтчимппть— Разработанная технология формирования тонких пленок УВагСиэОт-х методом импульсного лазерного испарения мишени может использоваться как промышленный метод, поскольку она позволяет формировать сверхпроводящие пленки больпой площади (75-100 см9) при помочи лазера промышленного типа.
Разработанные тонкоплеиочные гетероструктуры являются прототипом сверхпроводниковых устройств с управляемыми параметрами и демонстрируют возможность локального и обраті юго изменения электрических свойств пленки ТВагСиэ07-х за счет электрохимического переноса кислорода. Этот мы-од может бить использован для соэдг. шя криоэлектронных схем, в которих функциональные элементы создаются путем локального ичменения стехиометрии изначально однородной пленки УВягГилСЬ-*
Разработанная нетодика исследований диффузии кислорода и гонких пленках УВагСизГЪ-л при помощи тонкопленочных г. і еросі руктур: подложка/УВааСиаСЬ-х/ твердый электролит/ .-)Лг:ктрод может быть использована для исследований диффузии в гонких пяенхпх других материалов.
-
Результаты исследований влиянии парциального давления кислорода и тг пературы подложки на микроструктуру и фазовый состав пленок УВааСиэОт-х при формировании их методом импульсного лазерного испарения мишени.
-
Явленно, согласно которому при напылении пленки ынокотемпоратурного сверхпроводника УВагСиэОх на поликрн-гталлическую подложку ггОа(УаОэ), работающую в режиме ьисі одного электрохимического насоса, в растущей пленке YBaaCuaOx возникает текстура, тип и степень которой зависят от направления и плотности ионного тока через подложку.
-
Способ электрохимического изменения кислородной стехиометрии пленок УВваСизОт-х и применение его для управления сверхпроводящими свойствами этих пленок, а также исследования диффузии кислорода в них.
-
Результаты экспериментального исследования параметров диффузии кислорода в пленках УВагСиэОт-х в области температур ЭЬ0-й50оС.
Апробация рааБага.—и дупликации материалы диссертационной
работы докладывались и обсуждались на международных и всесоюзных конференциях и семинарах:
-
Международный симпозиум "Материалы для точных технологий - 80" (Дрезден, Германия, 24-27 апреля 1890 г.);
-
Межотраслевой научно-технический семинар "Современная технология получения материалов и эленентов высокотемпературных сверхпроводниковых микросхем" (Минск, Беларусь, 17-21 сентября 1990 г.);
-
4-я Международная конференция по технологиям модификации поверхности (Париж, Франция, 6-8 ноября 1990 г);
-
III Всесоюзное совещание по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, Украина, 15-19 апреля 1981 г.);
-
2-е Международное совещание по химии и технологии вис-кои: мпг-р.пурных сверхпроводников (Москва, Россия, 14-16 оі; і іібря 19SJ1 г . );
-
Международный конгресс по сверхпроводимости (Мюнхен, Германия, 14-18 сентябрп 1992 г.);
-
Международный научно-технический семинар "Современная технология получения материалов и элементов высокотемпературных сверхпроводниковых микросхем" (Минск, Беларусь, 21-25 сентября 1992 г).
Основные результаты диссертации опубликованы в 16 работах (7 докладов на конференциях, 7 статей, 2 авторских свидетельства на изобретения). В статьях, написанных в соавторстве автору диссертацш принадлежат результаты и выводы, изложенные в диссертационной работе, а также приведенные в конце автореферата.
Структура и о&ьом жнсппртпцин, Диссертация состоит из
введения, пяти глав, заключения, выводов и библиографии. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, иллюстрируется 27 рисунками, содержит 2 таблицы. Библиографический раздел диссертации включает 143 наименования.
Похожие диссертации на Электрохимическое управление микроструктурой, составом и свойствами пленок YBaCuO-x
