Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Тонкие пленки La2Zr2O7 и La2Hf2O7: получение из растворов, свойства и применение Харченко, Андрей Васильевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Харченко, Андрей Васильевич. Тонкие пленки La2Zr2O7 и La2Hf2O7: получение из растворов, свойства и применение : диссертация ... кандидата химических наук : 02.00.21 / Харченко Андрей Васильевич; [Место защиты: Моск. гос. ун-т им. М.В. Ломоносова].- Москва, 2013.- 111 с.: ил. РГБ ОД, 61 14-2/274

Введение к работе

Актуальность работы

Вещество в виде тонкой пленки, толщина которой находится в интервале от единиц нанометров до единиц микрон, часто способно проявлять свойства, отличающиеся от свойств трехмерных материалов. Такая форма позволяет текстурировать соединения, получать гетероструктуры, делать компактными устройства. Первым стимулом для совершенствования тонкопленочных технологий послужило развитие полупроводниковой промышленности, когда были разработаны различные физические методы нанесения. С расширением круга получаемых материалов (оксидные, нитридные, органические и др. пленки) стали развиваться более «мягкие» - химические методы.

Растворные химические методы всегда имели значительный вес в производстве пленочных материалов. Примерами могут служить методы: щелевой экструзии, с помощью которого получают кино- и фотопленки, принтерная печать, метод центрифугирования и др. Химическое нанесение из раствора отличается простотой аппаратурного исполнения, имеет широкий охват объектов, с его помощью легко решается актуальная для многокомпонентных соединений проблема гомогенности. Для получения оксидных пленок такой метод требует тщательного поиска и изучения свойств прекурсоров, выбора способа нанесения на подложку, оптимизации параметров термической и иной обработки. Помимо этого, процесс сопровождается реакцией образования побочных продуктов, как правило, газовых. Их своевременное удаление является одной из важнейших задач, решение которой позволяет добиваться высокого качества тонких оксидных пленок.

В последние годы растворные методы используют в технологии изготовления сверхпроводящих лент на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). ВТСП-ленты второго поколения представляют собой протяженную в одном направлении (до 1000 м) многослойную гетероэпитаксиальную структуру, состоящую из металлической подложки, нанесенных на нее буферных слоев и высокотемпературного сверхпроводника УВагСизСЬ-х (YBCO). Далее ее покрывают серебром и медью для защиты от механических повреждений и локальных токовых перегрузок. Такая композиция (число слоев может достигать десятка) служит достижению высоких значений критического тока ВТСП. Она является результатом интенсивных научных исследований, которые проводятся в странах-лидерах научно-технического прогресса уже 20 лет. Для получения таких материалов, как правило, используют комбинации различных методов нанесения пленок. Основные подходы рассмотрены в коллективной монографии [1]. Анализ ежегодно проводимых международных конференций по прикладной сверхпроводимости показывает непрерывный и неимоверно быстрый прогресс в технологическом освоении и практическом применении этих новых сверхпроводящих электротехнических материалов. Однако наукоемкость и сложность всего процесса формирования лент такова, что существует еще много нерешенных научных и технологических задач по улучшению электрофизических показателей, напрямую зависящих от качества текстуры последовательных оксидных слоев, их кристалличности, наличия примесных ориентации и посторонних фаз. Эти вопросы лежат в области компетенции химии твердого тела и неорганического материаловедения. С другой стороны, остро стоит проблема экономичности производства. Одним из путей ее решения, может служить более широкое использование химических растворных методов получения функциональных слоев {Chemical Solution Deposition, CSD).

Тонкие пленки со структурой флюорита или пирохлора La2Zr20y (LZO) и La2Hf207 (LHO) могут служить буферным слоем ВТСП-ленты второго поколения. Он находится между металлической подложкой и сверхпроводником. Слой транслирует текстуру, предохраняет металл от окисления, а ВТСП от отравления компонентами подложки. Поэтому среди свойств выбранных на роль буферных слоев соединений внимание должно быть уделено их химической инертности, температурной стабильности, кристаллографическому соответствию для образования гетероэпитаксиальных структур, барьерным свойствам по отношению к диффузии компонентов подложки и кислорода, коэффициенту термического расширения, ширине зоны твердых растворов. Во всех без исключения предложенных «архитектурах» ВТСП-лент второго поколения в полной мере обеспечить весь необходимый комплекс «буферных» свойств удается лишь комбинацией нескольких слоев. При этом исследования текстуры и фазового состава, кристалличности, пористости каждого слоя, а также процессов твердофазного взаимодействия на его границах крайне важны. Наиболее объективной, хотя и многофактороной, суммирующей характеристикой всей системы буферных слоев служит величина плотности критического тока сверхпроводника.

В настоящей работе химический метод нанесения из раствора использован для получения тонких биаксиально-текстурированных пленок соединений La2Zr207, La2Hf207, твердых растворов La2(Zr0.85Ce0.i5)2O7 (LZCO) и (Ьао.85Сео.і5^г207 (LCZO), на основе которых созданы гетероэпитаксиальные структуры с эффектом высокотемпературной сверхпроводимости.

Цель работы

Разработка растворного способа получения оксидных пленок La2Zr20? и La2Hf207 на протяженных биаксиально-текстурированных металлических лентах-подложках, изучение процессов текстурирования и получение гетероэпитаксиальных структур с эффектом высокотемпературной сверхпроводимости.

Задачи

  1. Поиск растворов-прекурсоров, изучение их состава и термической устойчивости.

  2. Создание установок для нанесения пленок на подложки большой длины (-300 м).

  3. Разработка режимов нанесения пленок-прекурсоров на движущуюся ленту.

  4. Исследование образования текстуры оксидов при отжиге.

  5. Исследование структуры и морфологии слоев, взаимодействия на границах раздела с подложкой.

  6. Получение ВТСП-лент второго поколения, содержащих буферные слои La2Zr20? и La2Hf207.

Объекты исследования

1) прекурсоры оксидов, представляющие собой жидкие системы в пропионовой кислоте с

исходными компонентами

0.5 La203 + Zr(acac)4 + С2Н5СООНизбыток,

0.5 La203 + Hf(acac)4 + С2Н5СООНизбыток,

0.5 La203 + 0.85 Zr(acac)4+ 0.15 Ce(thd)4 + С2Н5СООНизбыток,

0.85 (0.5 La203) + 0.15 Ce(thd)4 + Zr(acac)4 + С2Н5СООНИзбыток;

2) металлические биаксиально-текстурированные <001>{001} подложки

а) M-5W - подложка из сплава состава 95%(атомные)№ и 5%(атомные)\У;

б) NiCrW - подложка из сплава состава 83%(атомные)М, 13%(атомные)Сг, 4%(атомные)\У;

в) NiFe - подложка из сплава состава 50%(атомные)М и 50%(атомные)Ре;

г) Ni / Си / Hastelloy - подложка, состоящая из поликристаллической металлической основы
(Hastelloy), слоя меди, текстурированного прокаткой, и никеля, нанесенного методом
электролитического осаждения;

  1. прекурсорные пленки, нанесенные протягиванием подложки через раствор;

  2. пленки оксидов La2Zr207 и La2Hf207, а также твердых растворов на основе La2Zr20?;

  3. ВТСП-ленты второго поколения с оксидными буферными слоями, полученными из раствора, а также методом MOCVD.

Научная новизна работы состоит в результатах, которые выносятся на защиту:

  1. предложен новый вариант синтеза прекурсоров оксидов со структурой флюорита, основанный на взаимодействии пропионовой кислоты, оксида лантана, Р-дикетонатов циркония, гафния и церия, выполнено изучение состава и термической устойчивости прекурсоров;

  2. разработана и создана установка, позволяющая наносить равномерные пленки-прекурсоры из раствора на металлические ленты длиной до 300 м с учетом установленных реологических закономерностей, влияющих на равномерность и толщину покрытий;

  3. изучены процессы получения текстурированных оксидов La2Zr207 и La2Hf207, а также твердых растворов на основе La2Zr20? на биаксиально-текстурированных подложках различных типов при высокотемпературной термообработке пленок-прекурсоров в восстановительной атмосфере;

  4. впервые показано положительное влияние предварительной окислительной термообработки на кристалличность и текстурное совершенство оксидных пленок различной толщины;

  5. на основе тонких пленок изучаемых соединений методом газофазного химического осаждения получены следующие гетероэпитаксиальные структуры и ВТСП-ленты второго поколения (в том числе с минимально возможным количеством слоев):

  1. LZO (CSD) I Ni-5W, LZO (CSD) / Ni / Си / Hastelloy;

  2. LHO(CSD)/Ni-5W;

  3. LZCO(CSD)/Ni-5W;

  4. LCZO(CSD)/Ni-5W;

  5. Y203 (MOCVD) I LZO (CSD) I Ni-5W;

  6. Y203 (CSD) I LZO (CSD) IM-5W;

  7. YBCO (MOCVD) I LZO (CSD) IM-5W;

  8. YBCO (MOCVD) ILHO (CSD) I Ni-5W;

  9. YBCO (MOCVD) IY203 (CVD) I LZO (CSD) IM-5W;

  10. YBCO (MOCVD) IY203 (CVD) I LHO (CSD) IM-5W.

Практическая значимость работы

Развитый в работе растворный метод получения текстурированных тонких пленок оксидов со структурой флюорита и пирохлора позволяет совершенствовать технологию изготовления ВТСП-лент второго поколения, осуществлять поиск баланса между качеством (величинами критических токов) и себестоимостью сверхпроводящих лент. Полученные текстурированные буферные слои нашли применение при постановке экспериментальной технологии ВТСП-лент второго поколения в ЗАО «СуперОкс».

Работа выполнена в рамках контракта Министерства Образования и Науки РФ 16.523.11.3008, проекта РФФИ № 12-03-00754-а.

Апробация работы

Материалы диссертации были представлены на 5-м Всероссийском семинаре «Физико-химия поверхностей и наноразмерных систем» (Москва, 2013 г.), «11-й Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости» (Генуя, 2013 г.), VII Всероссийской конференции по химии полиядерных соединений и кластеров «Cluster 2012» (Новосибирск, 2012 г.), Международной конференции «Металлоорганическая и координационная химия. Фундаментальные и прикладные аспекты» (Нижний Новгород, 2013 г.), «Пятой Всероссийской конференции по наноматериалам» (Звенигород, 2013 г.), «XIX Всероссийской конференции студентов физиков и молодых ученых» (Архангельск, 2013 г.), XII конференции молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии: наноматериалы и материалы для энергетики» (Звенигород, 2012 г.), Международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 2012, 2013г.г.), «VI-м конкурсе проектов молодых ученых» (Москва, 2012 г.), конкурсе проектов в области энергоэффективности «Энергоидея. РФ» (Москва, 2013 г.), конкурсе «У.М.Н.И.К. 2013» (Москва, 2013 г.), конкурсе на право получения стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам (2013 г.).

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 3 статьях и тезисах 13 докладов на международных и российских конференциях.

Объем и структура диссертации

Похожие диссертации на Тонкие пленки La2Zr2O7 и La2Hf2O7: получение из растворов, свойства и применение