Научно-исследовательская работа ученика 10 класса МБОУ "Гимназия №17". ТЕМА: "Создание высокотемпературных сверхпроводящих пле-нок на основе сложного оксида", руководитель Омарова Бучей Керимовна., учитель физики МБОУ "Гимназия №17"

Комплекс конкурсных мероприятий «Науки юношей питают»

среди педагогических, руководящих и иных работников организаций, осуществляющих образовательную деятельность, студентов среднего профессионального образования, учащихся образовательных организаций и воспитанников дошкольных образовательных организаций

Республики Дагестан

Конкурс исследовательских работ и проектов учащихся

образовательных организаций Республики Дагестан

Исследовательская работа /Проект

«Создание высокотемпературных сверхпроводящих пленок

на основе сложного оксида»

Научное направление: физико-математические науки

Автор: ученик 10 класса

Ибрагимов Магомед Муртазалиевич МБОУ «Гимназия №17»

Республика Дагестан, г. Махачкала

Руководитель: учитель физики

Омарова Бучей Керимовна

МБОУ «Гимназия №17»

Республика Дагестан, г. Махачкала

М А Х А Ч К А Л А- 2023г

Махачкала, 2023 г.

«Получение и исследование тонких пленок на основе сложных оксидных соединений методом магнетронного распыления»

Ибрагимов Магомед Муртазалиевич

Российская федерация, Республика Дагестан, г. Махачкала

МБОУ «Гимназия №17»

Содержание

Аннотация……………………………………………………………………………………….3

Введение ………………………………………………………………………………………..4

Методика изготовления мишени и свойства Y(Ba_1-xBe_x)₂Cu₃O_{7-………………………………………..6}

Результаты исследования морфологии и состава синтезированных пленок на основе Y(Ba1-х Вех)2Cu3O7-………………………………………………………………………..7

Заключение ……………………………………………………………………………………10

Литература ………………………………………………………………………………….…10

Приложение ……………………………………………………………………………………11

АННОТАЦИЯ

Настоящая работа посвящена синтезированию керамических материалов Y(Ba_1-xBe_x)₂Cu₃O_7-, которые могут служить мишенями для магнетронного распыления и получению пленок на их основе. Эти соединения с широким спектром электрофизических свойств от высокотемпературного сверхпроводника (xYBa₂Cu₃O_7-.

Характер проводимости материалов на основе Y(Ba_1-xBe_x)₂Cu₃O_7- (x=0÷1) изменяется от ВТСП до диэлектрика, а значения их коэффициентов теплового расширения различаются несущественно, поэтому эти материалы, в перспективе, можно будет использовать при создании сверхпроводящих лент второго поколения. Полученные пленки могут быть использованы так же в качестве газовых сенсоров и катализаторов в химических реакциях.

Материалы на основе сложного оксида, обладающие широким спектром электрических свойств в перспективе могут быть использованы при создании многослойных образований с различными физическими характеристиками в каждом слое и на границах.

Задача получения высококачественных пленок, пригодных для изготовления приборных структур, на основе соединений Y(Ba_1-х Ве_х)₂Cu₃O_7- решалась путем подбора параметров, определяющих рост пленок и их структурное совершенство.

Махачкала, 2023 г.

«Получение и исследование тонких пленок на основе сложных оксидных соединений методом магнетронного распыления»

Ибрагимов Магомед Муртазалиевич

Российская федерация, Республика Дагестан, г. Махачкала

МБОУ «Гимназия №17»

1. Введение

Актуальность. Пленки являются удобным объектом исследований электрофизических свойств соединений, особенно если имеется возможность управлять кристаллографической ориентацией их роста. Это существенно упрощает интерпретацию эксперимента для изотропных сред. Существует ряд экспериментальных методик, для которых необходимы образцы малой толщины. Такие исследования имеют большое значение для разрешения фундаментальных вопросов, касающихся изучения явлений переноса в этих средах.

Существуют различные методы получения тонких ВТСП пленок: термическое напыление, лазерное осаждение, распыление ионным пучком, различные варианты катодного распыления, химическое осаждение из паровой фазы и др. Широкое примене­ние магнетронного способа (МРС) получения пленок обусловлено не только высокой производитель­ностью процесса, но и тем вы­соким качеством получаемых изделий, которое открывает со­вершенно новые пути их применения в различных областях.

МРС позволяют распылять практически все виды материалов, включая металлы и сплавы, простые и сложные диэлектрики, полупроводники и керамику. Осаждаемые материалы могут сочетаться в различных комбинациях и в виде многослойных покрытий. Толщина покрытий может составлять от десятков нанометров до десятков микрометров. Многообещающей областью применения МРС является нанотехнология, в частности технология получения нанокомпозитных и наноструктурированных объёмных и тонкоплёночных материалов.

Метод магнетронного распыления основан на использовании скрещенного магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации рабочего газа и создания над поверхностью катода-мишени области плотной плазмы.

Задача получения высококачественных пленок, пригодных для изготовления приборных структур, на основе соединений Y(Ba_1-х Ве_х)₂Cu₃O_7- решалась путем подбора параметров, определяющих рост пленок и их структурное совершенство. К ним относятся: взаимная пространственная ориентация распыляемой и ростовой поверхностей, температура подложки, ток разряда, давление и состав рабочего газа, напряжение смещения (отрицательное или положительное), подаваемое на ростовую поверхность и др.

Настоящая работа посвящена синтезированию керамических материалов Y(Ba_1-xBe_x)₂Cu₃O_7-, которые могут служить мишенями для распыления. Эти соединения с широким спектром электрофизических свойств от высокотемпературного сверхпроводника (xYBa₂Cu₃O_7-.

Цель работы:

Получение и исследование тонких пленок на основе Y(Ba1-xBex)2Cu3O7- методом магнетронного распыления на кремниевых подложках.

Задачи:

• Изготовление мишеней составов YBa2Cu3O7- и YBе2Cu3O7- для получения пленок методом магнетронного распыления

• Получение пленок составов YBa2Cu3O7- и YBе2Cu3O7-

• Исследование полученных пленок

Практическая ценность. Характер проводимости материалов на основе Y(Ba_1-xBe_x)₂Cu₃O_7- (x=0÷1) изменяется от ВТСП до диэлектрика, а значения их коэффициентов теплового расширения различаются несущественно, поэтому эти материалы, в перспективе, можно будет использовать при создании сверхпроводящих лент второго поколения. Полученные пленки могут быть использованы так же в качестве газовых сенсоров и катализаторов в химических реакциях.

2. Методика изготовления мишени и свойства Y(Ba_1-xBe_x)₂Cu₃O_7-

На рис 1 и 2 показаны общий вид установки и подколпочной установки для реализации метода МРС.

Мишени для распыления должны быть не тоньше 2 мм и не толще 6 мм. Малой толщины мишени приходится часто менять, а у поверхности мишени большой толщины наблюдается разряд слабой плазмы (на сравнительно больших расстояниях от катода величина индукции магнитного поля меньше). Свежеизготовленные мишени нуждаются в предварительной «тренировке». Нетренированная мишень при больших нагрузках разрушается. Тренировка мишени заключается в зажигании разряда с током 60 мА. По истечении каждых 20 минут необходимо повышать ток разряда на 40 мА. Эту процедуру повторяют до достижения значений рабочего тока 200240 мА.

Для очистки подложек [1] от органической грязи применяются растворители: изопропиловый спирт, ацетон. Хороший результат дает также кипячение подложек в растворе «Каро», но процесс необходимо проводить при соблюдении строгих мер безопасности согласно инструкции. Очистка от неорганической грязи проводится путем кипячения подложек в «царской водке» (HNO₃:HCl=1:3). После каждой очистки подложки необходимо тщательно промывать в дистиллированной воде. Степень чистоты подложки контролируется по характеру смачиваемости водяной пленкой. Для восстановления монокристалличности сапфировой подложки, ее отжигают в молибденовой печи сопротивления с вкладышами из Al₂O₃ при 1200-1400^оС и вакууме ~10^-3 Па в течение 1-2 часов.

Мишени Y(Ba_1-xBe_x)₂Cu₃O_7-d со значениями х в пределах от 0 до 1 изготавливались методом твёрдофазного спекания [2]. Синтез исходных порошков оксидов (смешанных в соответствующих пропорциях) проводился при температуре ~ 915^оС и длительности ~7 часов. Плотность мишеней после синтеза составляла ~ 4 г/см³. С целью повышения плотности до ~ 6 г/см³ эти мишени подвергались многократному обжигу по ~7 часов с повышением температуры каждого последующего обжига на 5^оС. Это позволило подобрать оптимальные температуры обжига для каждого состава и получить мишени с воспроизводимыми свойствами и структурой.

Увеличение содержания бериллия, как правило, повышает оптимальную температуру обжига. Причем при повышении содержания бериллия от х=0,05 до х=1, оптимальная температура спекания возрастает линейно от ~930⁰С до ~980⁰С. Исключение составляют составы, полученные замещением 453% бария бериллием. В них наблюдается возникновение жидкой фазы при 950960⁰С. Эти образцы не удалось исследовать в виду их деградации. За оптимальную температуру обжига принималась температура, после которой плотность керамики существенно не изменялась.

1. Результаты исследования морфологии и состава синтезированных пленок на основе Y(Ba_1-х Ве_х)₂Cu₃O_7-.

На рисунке 3 приведены микрофотографии свежих сколов торцов пленки Si / Y(Ba_0,35Be_0,65)₂Cu₃O_7-δ , осажденной при температуре подложки 600 ºС, в аргоне под давлением  4 Па, при токе разряда 60 мА в течение 30

минут, полученные с различным разрешением. Сколы пленки того же состава, осажденной в кислороде при температуре подложки 250ºС под давлением 4 Па, при токе разряда 60 мА в течение 30 минут показаны на рисунке 4 .

На рис 5 представлены микрофотографии свежих сколов торцов пленки

Si/YBa₂Cu₃O_7-δ, осажденной при температуре подложки 600ºС, в аргоне под давлением 4 Па , при токе разряда 60 мА в течение 30 мин. Угол между подложкой и мишенью 35^. Расстояние между мишенью и центром подложки 20 мм.

На рисунке 6 показаны фотографии свежих сколов торцов пленки Si/YBa₂Cu₃O_7-δ, осажденной при температуре подложки 600ºС, в аргоне под давлением 4 Па, ток разряда 60 мА в течение 30 мин. Угол между подложкой и мишенью 40^. Расстояние между мишенью и центром подложки 12мм.

Как видно из сравнения рисунков 5 и 6, увеличение угла между подложкой и мишенью с 35^о до 40 и уменьшение расстояния между мишенью и центром подложки с 20мм до 12мм приводит к качественному изменению пленки. Пленка на рисунке 5 имеет рыхлую, мозаичную поверхность, образованную крупными друзами. У пленки на рисунке 6 плотно расположены кристаллики и видно, что поверхность текстурирована. Таким образом, можно определить оптимальные геометрические параметры при осаждении пленок с заданными характеристиками.

Распыление мишени на основе YBe₂Cu₃O_7-δ проводили в среде аргона и кислорода. В качестве подложек служил кремний.

На рисунке 7 приведены микрофотографии торцов пленок Si /YBe₂Cu₃O_7-δ толщиной 80 нм, осажденных при температуре подложки 300ºС (образец 1) и 600ºС (образец 2), полученные на свежих сколах. Там же приведены микрофотографии после отжига на воздухе при  600С. Скорость осаждения пленки YBe₂Cu₃O_7-δ для 1 и 2 образцов составляли 7 и 10 минут соответственно. Принимая во внимание толщину пленок на рисунке 3.6, скорости роста этих пленок составляли  1.510^-10 мс^-1.

На рисунке 8 приведены электронограммы от пленки YBe₂Cu₃O_7-δ (образцы 1 и 2 исходные: а) и б) и после отжига: г) и д) соответственно), полученной на подложке из кремния.

Совершенство структуры пленок оценивалось электронографическим методом. Электронограммы на отражение от пленок YBe₂Cu₃O_7-δ, полученных на различных подложках при отработке технологии показывали поликристаллическую структуру конденсата с элементами текстуры. Размытость поликристаллических колец и аморфный фон электронограммы некоторых образцов свидетельствует о нанокристалличности структуры этих пленок. После отжига пленок на воздухе при температуре  600С, контрастность электронограмм этих пленок возрастала при сохранении поликристалличности структуры.

Заметим, что при отжиге образца 1 температура в печи предварительно

поднялась до  900С и держалась в течение часа, затем она была снижена до  600С и образец выдерживался при этой температуре в течение двух часов. Отжиг образца 2 осуществлялся при температуре  600С в течение 3х часов.

Структуры соединений Y(Ba_1-хВе_х)₂Cu₃O_7- и YBa₂Cu₃O_7-, согласно полученным рентгенограммам, сходны. При замещении бария бериллием на рентгенограммах наблюдаются особенности, связанные с уменьшения кислорода. Замещение бария бериллием в соединениях Y(Ba_1-х Ве_х)₂Cu₃O_7-, видимо, приводит к разупорядочению кислородных вакансий. Этим обуславливается переход от ромбической к тетрагональной фазе, подобно тому, как это происходит в исходном соединении YBа₂Cu₃O_7-δ при снижении содержания кислорода.

Поскольку поверхность пленок Y(Ba_1-х Ве_х)₂Cu₃O_7- активна к адсорбции кислорода, они могут быть использованы в качестве газовых сенсоров и катализаторов в химических реакциях.

Соединение YBe₂Cu₃O_7-δ представляет собой один из составов материалов Y(Ba_xBe_1-x)₂Cu₃O_7-δ с широким спектром физических свойств. Особый интерес представляет получение слоев материалов с частичным замещением бария на бериллий в базовом соединении YBa₂Cu₃O_7-δ. Изоморфность материалов Y(Ba_xBe_1-x)₂Cu₃O_7-δ может позволить получать системы полупроводник- ВТСП, перспективные как для электронной техники, так и для технологии создания сверхпроводников второго поколения.

Махачкала, 2023 г.

«Получение и исследование тонких пленок на основе сложных оксидных соединений методом магнетронного распыления»

Ибрагимов Магомед

Российская федерация, Республика Дагестан, г. Махачкала

МБОУ «Гимназия №17»

Заключение

1. Получены тонкие пленки толщиной 80-100 нм на основе Y(Ba_1-хВе_х)₂Cu₃O_7- в атмосфере аргона и кислорода методом магнетронного распыления.

2. Исследованы электронограммы, морфологии поверхностей и сколов этих пленок. Показано, что пленки имеют поликристаллическую структуру.

3. Установлено, что путем варьирования режимов и параметров при распылении, можно получать текстурированные пленки сложных оксидов Y(Ba_1-х Ве_х)₂Cu₃O_7-.

4. Полученные пленки могут быть использованы для получения ВТСП лент второго поколения, а также в качестве газовых сенсоров и катализаторов в химических реакциях

Литература

1. Исмаилов А.М., Рабаданов Р.А., Мурлиева Ж.Х., Ибрагимов И.М. Получение наноструктурированных пленок и слоев полупроводников из газовой фазы //Учебно-методическое пособие. Махачкала 2012. Изд-во ДГУ.

2. М.Х. Рабаданов, С.Х. Гаджимагомедов, А. М. Исмаилов, Х. Н. Исмаилов, Ж. Х. Мурлиева, Д.К. Палчаев. Наноматериалы на основе Y(Ba_1-хВе_х)₂Cu₃O_7- //Вестник ДГУ. Естественные науки. 2012. в.1. с.40

3. Технология тонких пленок. Справочник / Под ред. Л. Майсела, В. Глэнга. Пер.с анг. – М.: Сов. Радио, 1977 – T.1. – 662 с.

4. Li, L. Epitaxy Development in thin Superconducting YBa2Cu3O7 Films / L. Li, W.B. Nowak // J. Vac. Sci. Technol. A. – 1994 – V. 12(4). – P.1584-1594.

5. Оптические, структурные и фотокаталитические свойства наноразмерных пленок диоксида титана, осажденных в плазме магнетронного разряда / А. А., А. А. Гончаров, А.Н. Добровольский и др. // Журнал технической физики. –2014.– Т. 84.– Вып. 6 – С. 98-106.

Приложение

Рис. 1 Общий вид установки для реализации метода МРС

Рис. 2 Подколпачная система установки для реализации метода МРС .

Рис. 3 Микрофотографии свежих сколов торцов пленок Si / Y(Ba0,35Be0,65)2Cu3O7-δ (в аргоне).

Рис. 4 Микрофотографии свежих сколов торцов пленки Si / Y(Ba0,35Be0,65)2Cu3O7-δ , осажденной в кислороде.

Рис. 5 Микрофотографии сколов торцов пленки Si /YBa2Cu3O7-δ,

осажденной при температуре подложки 600ºС в аргоне.

Рис. 6 Микрофотографии поверхности и сколов пленок Si / YBa2Cu3O7-δ осажденной при 600ºС в аргоне под большим углом.

Рис. 7. Микрофотографии торцов пленок Si /YBe2Cu3O7-δ, осажден-ных при температуре подложки 300 ºС (образец 1) и 600 ºС (образец 2), полученные на свежих сколах.

Рис.8 Электронограммы на отражение от пленки YBe₂Cu₃O_7-δ. Образцы 1 и 2 исходные: а) и б); после отжига: в) и г ) (соответственно).

19