Синтез, структура и сверхпроводящие свойства тонкопленочных слоистых композитов YBа2 Cu3 O7–d /Y2 O3 как компонентов ВТСП-лент второго поколения

  • Александр Евгеньевич Щукин Химический факультет, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-3502-2950
  • Андрей Рафаилович Кауль Химический факультет, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-3582-3467
  • Александр Леонидович Васильев 2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. Академика Курчатова, д. 1, Москва 123182, Российская Федерация 3 Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова Российской академии наук, Ленинский проспект, д. 59, Москва 119333, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7884-4180
  • Игорь Анатольевич Руднев Национальный исследовательский ядерный университет «Московский институт физических исследований», Каширское ш., д. 31, Москва 115409, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-5438-2548
Ключевые слова: YBCO, MOCVD, гетероструктуры, буферные слои, Y2 O3, ВТСП, сверхпроводник

Аннотация

ВТСП-ленты 2-го поколения способны переносить огромные количества электрической энергии без потерь. Увеличение токонесущей способности в данных материалах возможно за счет увеличения толщины сверхпроводящего слоя, однако существует проблема появления примесных ориентаций и других дефектов с ростом толщины. Нами предложено решение этой проблемы через увеличение толщины сверхпроводящего слоя методом MOCVD с использование прослоек оксида иттрия.
Целью работы стало получения образцов с прослойками оксида иттрия и доказательство эффективности подхода внедрения прослоек оксида иттрия для снижения количества примесных ориентаций и дефектов с увеличением толщины пленки ВТСП.
Осаждение пленок YBа2Cu3O7–d и Y2O3проводилось послойно на лентопротяжной установке MOCVD. В качестве подложки использовалась 12 мм лента данной архитектуры: 200 нм CeO2(Gd2O3)/30–50 нм LaMnO3/5–7 нм IBAD-MgO/50 нм LaMnO3/50 нм Al2O3/60 мкм Hastelloy 276. Полученные пленки отжигались в среде кислорода для получения орторомбической фазы YBCO.
Методом MOCVD получены композиты YBа2Cu3O7–d / Y2O3, в которых снижено количество побочной ориентации ВТСП-слоя и сохраняются высокие значения плотности критического тока, превышающей 1 МА/см при толщине > 2 мкм. Показана эффективность подхода внедрения прослоек оксида иттрия для увеличения токовых характеристик с ростом толщины пленки. Обнаружено, что дальнейшему утолщению пленок с прослойками препятствует образование нанопор в их приповерхностном слое, снижающих плотность критического тока.

 

Литература

1. Fleshler S., Buczek D., Carter B., Ogata M. Scaleup of 2G wire manufacturing at American
Superconductor Corporation. Physica C. 2009;469(15-
20): 1316–1321. https://doi.org/10.1016/j.physc.2009.05.234
2. Nagaishi T., Shingai Y., Konishi M., Taneda T.,
Ota H., Honda G., Kato T., Ohmatsu K. Development
of REBCO coated conductors on textured metallic
substrates. Physica C. 2009;469(15-20): 1311–1315.
https://doi.org/10.1016/j.physc.2009.05.253
3. Rosner C. H. Superconductivity: star technology
for the 21st century. IEEE Transactions on Applied
Superconductivity. 2001;11(1): 39–48. https://doi.org/10.1109/77.919283
4. Mansour R. R. Microwave superconductivity.
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
2002;50(3): 750–759. https://doi.org/10.1109/22.989959
5. Hayakawa H., Yoshikawa N., Yorozu S., Fujimaki A. Superconducting digital electronics.
Proceedings of the IEEE. 2004;92(10): 1549–1563.
https://doi.org/10.1109/JPROC.2004.833658
6. Wimbush S. C. Large scale applications of HTS
in New Zealand. Physics Procedia. 2015;65: 221–224.
https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.05.125
7. Zhu J., Zheng X., Qiu M., Zhang Z., Li J., Yuan
W. Application simulation of a resistive type
superconducting fault current limiter (SFCL) in a
transmission and wind power system. Energy Procedia.
2015;75: 716–721. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.498
8. Iwasaki H., Inaba S., Sugioka K., Nozaki Y.,
Kobayashi N. Superconducting anisotropy in the
Y-based system substituted for the Y, Ba and Cu sites.
Physica C. 1997;290: 113. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(97)00634-5
9. Freyhardt H. C., Hellstrom E. E. High-temperature
superconductors: A Review of YBa2Cu3O6+x and
(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10. Cryogenic Engineering. New York:
Springer; 2007. pp. 309–339. https://doi.org/10.1007/0-387-46896-X
10. Dimos D., Chaudhari P., Mannhart J.
Superconducting transport properties of grain
boundaries in YBa2Cu3O7bicrystals. Phys. Rev. B.
1990;41: 4038–4049. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.41.4038
11. Goyal A. (ed.) Second-Generation HTS
Conductors. Boston/Dordrecht/New York/London:
Kluwer Academic Publ.; 2009. 432 p.
12. Zhang H., Yang J., Wang S., Wu Y., Lv Q., Li S.
Film thickness dependence of microstructure and
superconductive property of PLD prepared YBCO
layers. Physica C. 2014;499: 54–56. https://doi.org/10.1016/j.physc.2014.01.001
13. Markelov A. V., Samoilenkov S. V., Akbashev A. R., Vasiliev A. L., Kaul A. R. Control of
orientation of RBa2Cu3O7films on substrates with low
lattice mismatch via seed layer formation. IEEE
Transactions on Applied Superconductivity. 2011;21(3):
3066–3069. https://doi.org/10.1109/TASC.2010.2102992
14. Granozio F. M., Salluzzo M., Scotti di Uccio U.,
Maggio-Aprile I., Fischer O. Competition between a-axis
and c-axis growth in superconducting RBa2Cu3O7−x thin
films. Phys. Rev. B. 2000;61(1): 756–765. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.756
15. Jeschke R. Schneider G. Ulmer G. Linker
influence of the substrate material on the growth
direction of YBaCuO thin films. Physica C. 1995;243:
243–251. https://doi.org/10.1016/0921-4534(95)00019‑4
16. Moyzykh M., Boytsova O., Amelichev V,
Samoilenkov S., Voloshin I., Kaul A., Lacroix B.,
Paumier F., Gaboriaud R. Effects of yttrium oxide
inclusions on the orientation and superconducting
properties of YBCO films. Kondensirovannye sredy i
mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases.
2013;15(2): 91-98. Available at: http://www.kcmf.vsu.ru/resources/t_15_2_2013_001.pdf
17. 2G HTS Wire Specification Overview. Available
at: http://www.superpower-inc.com/system/filesSP_2G+Wire+Spec+Sheet_2014_web_v1_0.pdf
(accessed 29 October 2016).
18. Murakami M., Gotoh S., Fujimoto H., Yamaguchi K., Koshizuka N., Tanaka S. Flux pinning and
critical currents in melt processed YBaCuO
superconductors. Superconductor Science and
Technology . 1991;4: S43–S50. https://doi.org/10.1088/0953-2048/4/1S/005
19. Zhao P., Ito A., Goto T. Rapid deposition of
YBCO films by laser CVD and effect of lattice mismatch
on their epitaxial growth and critical temperature.
Ceramics International. 2013;39: 7491–7497. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.098
20. Zhao P., Ito A., Goto T., Tu R. High-speed
growth of YBa2Cu3O7−d film with high critical
temperature on MgO single crystal substrate by laser
chemical vapor deposition. Superconductor Science and
Technology. 2010;23(12): 125010. https://doi.org/10.1088/0953-2048/23/12/125010
21. Zhao P., Ito A., Goto T., Tu R. Fast epitaxial
growth of a-axis- and c-axis-oriented YBa2Cu3O7–dfilms on (1 0 0) LaAlO3
substrate by laser chemical vapor
deposition. Applied Surface Science. 2010;257: 4317–
4320. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.12.047
22. Hammond R. H., Bormann R. Correlation
between the in situ growth conditions of YBCO thin
films and the thermodynamic stability criteria. Physica
C. 1989;162-164: 703–704. https://doi.org/10.1016/0921-4534(89)91218-5
23. Voronin G. F., Degterov S. A. Solid State
Equilibria in the Ba-Cu-O System. J. Solid State Chem.
1994;110(1): 50–57. (and references therein). https://doi.org/10.1006/jssc.1994.1134
24. Lindemer T. B., Specht E. D. The BaO-Cu-CuO
system. Solid-liquid equilibria and thermodynamics
of BaCuO2and BaCu2O2. Physica C. 1995;255(1-2):
81–94. (and references therein). https://doi.org/10.1016/0921-4534(95)00460-2
25. Samoylenkov S. V., Gorbenko O. Yu, Graboy I.
E., Kaul A. R., Zandbergen H. W., Connolly E. Secondary
phases in (001)RBa2Cu3O7–d
epitaxial thin films.
Chemistry of Materials. 1999:11(9): 2417–2428. https://doi.org/10.1021/cm991016v
26. Kaul A. R., Gorbenko O. Yu., Kamenev A. A. The
role of heteroepitaxy in the development of new thin film oxide-based functional materials. Russian
Chemical Reviews. 2004;73(9): 932–953. https://doi.org/10.1070/RC2004v073n09ABEH000919
27. Murakami Y., Goto H., Taguchi Y., Nagasaka Y.
Measurement of out-of-plane thermal conductivity of
epitaxial YBa2Cu3O7–dthin films in the temperature
range from 10 K to 300 K by photothermal reflectance.
International Journal of Thermophysics. 2017;38(10):
160. https://doi.org/10.1007/s10765-017-2294-7
28. Agababov S. G., Vliyanie sherohovatosti
poverhnosti tverdogo tela na ego radiatsionnie
svoistva I metody ih eksperimentalnogo opredeleniya
[Influence of the surface roughness of a solid on its
radiation properties and methods of their experimental
determination]. Teplofizika visokih temperatur.
1968;6(1): 78–88. (In Russ.)
29. Sayapina V. I., Svet D. Ya., Popova О. R., Vliyanie
sherohovatosti poverhnosti na izluchatelnuyu
sposobnost metallov [Influence of surface roughness
on the emissivity of metals]. Teplofizika visokih
temperatur. 1972;10(3): 528–535. (In Russ.)
30. Mukaida M., Miyazawa S. Nature of preferred
orientation of YBa2Cu3Ox
thin films. Japanese Journal
of Applied Physics. 1993;32(10): 4521–4528. https://doi.org/10.1143/jjap.32.4521
31. Markelov A. V. The influence of buffer layers on
the oriented growth of RBa2Cu3O7–d (R – rare earth
element) films and their superconducting characteristics.
Thesis of Cand. in Chem. Moscow: MSU (Lomonosov University); 2011. 108р.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Александр Евгеньевич Щукин, Химический факультет, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Москва 119991, Российская Федерация

аспирант, химический факультет, Московский государственный
университет имени М. В. Ломоносова, Москва, Российская Федерация; e-mail: aleksandr.shukin@mail.
ru

Андрей Рафаилович Кауль, Химический факультет, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, Москва 119991, Российская Федерация

д. х. н., профессор,
химический факультет, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Москва,
Российская Федерация; e-mail: arkaul@mail.ru

Александр Леонидович Васильев, 2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. Академика Курчатова, д. 1, Москва 123182, Российская Федерация 3 Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова Российской академии наук, Ленинский проспект, д. 59, Москва 119333, Российская Федерация

к. ф.-м. н., доцент, ведущий научный сотрудник ресурсного
центра зондовой и электронной микроскопии
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», заведующий лабораторией
электронной микроскопии Института кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Москва, Российская
Федерация; e-mail: a.vasiliev56@gmail.com

Игорь Анатольевич Руднев, Национальный исследовательский ядерный университет «Московский институт физических исследований», Каширское ш., д. 31, Москва 115409, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор, Институт лазерных и плазменных технологий,
Национальный Исследовательский Ядерный Университет «Московский институт физических исследований», Москва, Российская Федерация; email: iarudnev@mephi.ru

Литература

Fleshler S., Buczek D., Carter B., Ogata M. Scaleup of 2G wire manufacturing at American Superconductor Corporation. Physica C. 2009;469(15-20): 1316–1321. https://doi.org/10.1016/j.physc.2009.05.234

Nagaishi T., Shingai Y., Konishi M., Taneda T., Ota H., Honda G., Kato T., Ohmatsu K. Development of REBCO coated conductors on textured metallic substrates. Physica C. 2009;469(15-20): 1311–1315. https://doi.org/10.1016/j.physc.2009.05.253

Rosner C. H. Superconductivity: star technology for the 21st century. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2001;11(1): 39–48. https://doi.org/10.1109/77.919283

Mansour R. R. Microwave superconductivity. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2002; 50(3): 750–759. https://doi.org/10.1109/22.989959

Hayakawa H., Yoshikawa N., Yorozu S., Fujimaki A. Superconducting digital electronics. Proceedings of the IEEE. 2004;92(10): 1549–1563. https://doi.org/10.1109/JPROC.2004.833658

Wimbush S. C. Large scale applications of HTS in New Zealand. Physics Procedia. 2015;65: 221–224. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2015.05.125

Zhu J., Zheng X., Qiu M., Zhang Z., Li J., Yuan W. Application simulation of a resistive type superconducting fault current limiter (SFCL) in a transmission and wind power system. Energy Procedia. 2015;75: 716–721. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.498

Iwasaki H., Inaba S., Sugioka K., Nozaki Y., Kobayashi N. Superconducting anisotropy in the Y-based system substituted for the Y, Ba and Cu sites. Physica C. 1997;290: 113. https://doi.org/10.1016/S0921-4534(97)00634-5

Freyhardt H. C., Hellstrom E. E. High-temperature superconductors: A Review of YBa2Cu3O6+x and (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10. Cryogenic Engineering. New York: Springer; 2007. pp. 309–339.

https://doi.org/10.1007/0-387-46896-X

Dimos D. , Chaudhari P. , Mannhart J. Superconducting transport properties of grain boundaries in Ba2Cu3O7 bicrystals. Phys. Rev. B. 1990;41: 4038–4049. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.41.4038

Goyal A. (ed.) Second-Generation HTS Conductors. Boston/Dordrecht/New York/London: Kluwer Academic Publ.; 2009. 432 p.

Zhang H., Yang J., Wang S., Wu Y., Lv Q., Li S. Film thickness dependence of microstructure and superconductive property of PLD prepared YBCO layers. Physica C. 2014;499: 54–56. https://doi.org/10.1016/j.physc.2014.01.001

Markelov A. V., Samoilenkov S. V., Akbashev A. R., Vasiliev A. L., Kaul A. R. Control of orientation of RBa2Cu3O7 films on substrates with low lattice mismatch via seed layer formation. IEEE Transactions on Applied uperconductivity. 2011;21(3): 3066–3069. https://doi.org/10.1109/TASC.2010.2102992

Granozio F. M., Salluzzo M., Scotti di Uccio U., Maggio-Aprile I., Fischer O. Competition between a-axis and c-axis growth in superconducting RBa2Cu3O7−x thin films. Phys. Rev. B. 2000;61(1): 756–765. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.756

Jeschke R. Schneider G. Ulmer G. Linker influence of the substrate material on the growth direction of YBaCuO thin films. Physica C. 1995;243: 243–251. https://doi.org/10.1016/0921-4534(95)00019‑4

Moyzykh M., Boytsova O., Amelichev V, Samoilenkov S., Voloshin I., Kaul A., Lacroix B., Paumier F., Gaboriaud R. Effects of yttrium oxide inclusions on the orientation and superconducting properties of YBCO films. kondensirovannye sredy i mezhfaznye granitsy = Condensed Matter and Interphases. 2013;15(2): 91-98. Available at: http://www.kcmf.vsu.ru/resources/t_15_2_2013_001.pdf

2G HTS Wire Specification Overview. Available at: http://www.superpower-inc.com/system/files/SP_2G+Wire+Spec+Sheet_2014_web_v1_0.pdf (accessed 29 October 2016).

Murakami M., Gotoh S., Fujimoto H., Yamaguchi K., Koshizuka N., Tanaka S. Flux pinning and critical currents in melt processed YBaCuO superconductors. Superconductor Science and Technology. 1991; 4: S43–S50. https://doi.org/10.1088/0953-2048/4/1S/005

Zhao P., Ito A., Goto T. Rapid deposition of YBCO films by laser CVD and effect of lattice mismatch on their epitaxial growth and critical temperature. Ceramics International. 2013;39: 7491–7497. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.02.098

Zhao P., Ito A., Goto T., Tu R. High-speed growth of YBa2Cu3O7−d film with high critical temperature on MgO single crystal substrate by laser chemical vapor deposition. Superconductor Science and Technology. 2010;23(12): 125010. https://doi.org/10.1088/0953-2048/23/12/125010

Zhao P., Ito A., Goto T., Tu R. Fast epitaxial growth of a-axis- and c-axis-oriented YBa2Cu3O7–d films on (1 0 0) LaAlO3 substrate by laser chemical vapor deposition. Applied Surface Science. 2010;257: 4317–4320. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.12.047

Hammond R. H., Bormann R. Correlation between the in situ growth conditions of YBCO thin films and the thermodynamic stability criteria. Physica C. 1989;162-164: 703–704. https://doi.org/10.1016/0921-4534(89)91218-5

Voronin G. F., Degterov S. A. Solid State Equilibria in the Ba-Cu-O System. J. Solid State Chem. 1994;110(1): 50–57. (and references therein). https://doi.org/10.1006/jssc.1994.1134

Lindemer T. B., Specht E. D. The BaO-Cu-CuO system. Solid-liquid equilibria and thermodynamics of BaCuO2 and BaCu2O2. Physica C. 1995;255(1-2): 81–94. (and references therein).

https://doi.org/10.1016/0921-4534(95)00460-2

Samoylenkov S. V., Gorbenko O. Yu, Graboy I. E., Kaul A. R., Zandbergen H. W., Connolly E. Secondary phases in (001)RBa2Cu3O7–d epitaxial thin films. Chemistry of Materials. 1999:11(9): 2417–2428. https://doi.org/10.1021/cm991016v

Kaul A. R., Gorbenko O. Yu., Kamenev A. A. The role of heteroepitaxy in the development of new thinfilm oxide-based functional materials. Russian Chemical Reviews. 2004;73(9): 932–953. https://doi.org/10.1070/RC2004v073n09ABEH000919

Murakami Y., Goto H., Taguchi Y., Nagasaka Y. Measurement of out-of-plane thermal conductivity of epitaxial YBa2Cu3O7–d thin films in the temperature range from 10 K to 300 K by photothermal reflectance. International Journal of Thermophysics. 2017;38(10):160. https://doi.org/10.1007/s10765-017-2294-7

Agababov S. G., Vliyanie sherohovatosti poverhnosti tverdogo tela na ego radiatsionnie svoistva I metody ih eksperimentalnogo opredeleniya [Influence of the surface roughness of a solid on its radiation properties and methods of their experimental determination]. Teplofizika visokih temperatur. 1968;6(1): 78–88. (In Russ.)

Sayapina V. I., Svet D. Ya., Popova О. R., Vliyanie sherohovatosti poverhnosti na izluchatelnuyu sposobnost metallov [Influence of surface roughness on the emissivity of metals]. Teplofizika visokih temperatur. 1972;10(3): 528–535. (In Russ.)

Mukaida M., Miyazawa S. Nature of preferred orientation of YBa2Cu3Ox thin films. Japanese Journal of Applied Physics. 1993;32(10): 4521–4528. https://doi.org/10.1143/jjap.32.4521

Markelov A. V. The influence of buffer layers on the oriented growth of RBa2Cu3O7–d (R – rare earth element) films and their superconducting characteristics. Thesis of Cand. in Chem. Moscow: MSU (Lomonosov University); 2011. 108 p.

Опубликован
2021-03-16
Как цитировать
Щукин, А. Е., Кауль, А. Р., Васильев, А. Л., & Руднев, И. А. (2021). Синтез, структура и сверхпроводящие свойства тонкопленочных слоистых композитов YBа2 Cu3 O7–d /Y2 O3 как компонентов ВТСП-лент второго поколения. Конденсированные среды и межфазные границы, 23(1), 122–139. https://doi.org/10.17308/kcmf.2021.23/3313
Раздел
Статьи