Механизмы лазерной абляции керамической YBaCuO мишени, выращивание ВТСП тонких пленок и исследование их свойств

Актуальность проблемы. Исследуя в 1911 г. зависимость металлов от температуры Камерлинг Оннес открыл необычное явление — при температуре 4.2 К сопротивление ртути резко обращалось в нуль. Этот физический факт положил начало новому научному направлению — физике сверхпроводимости. Дальнейшее изучение этого явления многими выдающимися физиками XX столетия привело к появлению созданной Бар-дином, Купером и Шрифером теории, объясняющей природу сверхпроводимости.

Практическая составляющая сверхпроводимости привела к созданию нового класса измерительных приборов, использующих в качестве чувствительных элементов так называемые СКВИДы {SQUID — Superconducting Quantum Interference Device), изготовленных из металлов, обладающих сверхпроводящими свойствами. Эти приборы оказались непревзойденными по чувствительности к сверхслабым магнитным полям. Единственным препятствием к широкому распространению сверхпроводниковых приборов являлось неудобство, связанное с необходимостью использовать в качестве хладагента жидкий гелий.

В 1996 г. случился новый научный и технологический прорыв. Сотрудники швейцарского отделения фирмы IBM, в последствии лауреаты Нобелевской премии, Беднорц и Мюллер случайно обнаружили, что керамическое соединение LaBaCuO при температуре Ъ5К полностью теряет свое электрическое сопротивление. Начиная с этого момента интерес к сверхпроводимости, теперь уже высокотемпературной, вспыхнул с новой силой. Огромное количество научных лабораторий по всему миру принялись искать новые керамические соединения со все более и более высокой температурой перехода вещества в сверхпроводящее состояние. Вскоре, после открытия соединения УВа2Сщ07.8 критическая температура Тс превысила температуру кипения жидкого азота (75К). Это повлекло за собой бум в электронной промышленности, так как использование в жидкого азота в качестве охлаждающей среды обещало сделать потребность в сверхпроводниковых устройствах массовой. Однако через некоторое время ажиотаж, окружавший высокотемпературные сверхпроводники успокоился, так как выяснилось, что для их успешного внедрения в какие-то сферы жизни требуются годы кропотливых исследований. Оказалось, что природы высокотемпературной и низкотемпературной сверх-проводимостей отличны друг от друга, более того, до сих пор не существует однозначной теории, объясняющий феномен ВТСП. Появление такой теории имело бы громадное значение для дальнейшего развития сверхпроводимости, и возможно указало бы путь к недостижимому пока открытию «комнатных» сверхпроводников.

С точки зрения практического использования высокотемпературных сверхпроводников, можно на данный момент выделить три наиболее перспективных направления, использующих различные свойства ВТСП и получивших промышленное освоение: магнитометры на базе тонкопленочных ВТСП сквидов, СВЧ — резонаторы, ВТСП — магнитонакопители. Каждое из этих направлений развивается весьма бурно, хотя исследователям приходится по ходу решать множество как технологических, так и чисто научных проблем. Именно научное обоснование особенностей ВТСП и научный подход к решению проблем, связанных с изготовлением сверхпроводниковых устройств и их практическим использованием, помогает продвигаться по пути создания оптимально работающих приборов действительно широкого применения.

Из трех вышеперечисленных приложений ВТСП можно выделить создание ВТСП магнитометров, как направление, имеющее наиболее широкие перспективы в практическом использовании. Такие устройства могут использоваться в медицине, химической промышленности, геологии, аэрокосмической технике и т. д. Основными элементами магнитометра служат сквиды, выполненные на базе тонких УВаСиО пленок. Производство сквидов окружено множеством проблем, которые начинаются на стадии изготовления тонких пленок. Наиболее распространенным, в настоящее время, методом по изготовлению тонких УВаСиО пленок, является метод лазерной абляции. Он позволяет, по сравнению с другими известными методами, получать пленки с наилучшими сверхпроводящими свойствами Получение пленок методом лазерной абляции — тонкий технологический процесс и научное обоснование процессов, происходящих в момент абляции помогает получать пленки с заданными свойствами, что в свою очередь является важнейшим условием дальнейшего их использования в изготовлении сквидов.

Состояние проблемы. Получение УВаСиО тонких пленок с заданными свойствами методом лазерной абляции — это процесс со множеством параметров (температуры мишени и подложки, плотность мощности лазерного излучения, время напыления, давление окружающей среды, диаметр фокусного пятна, расстояние мишень — подложка, режим охлаждения), каждый из которых способен оказать существенное влияние на качество пленок. Существует значительное количество исследований и публикаций по данной тематике, в которых рассматривается механизм роста тонких ВТСП пленок на монокристаллических подложках, влияние вышеперечисленных параметров на сверхпроводящие параметры и макроструктуру пленок, однако пока не существовало правдоподобного теоретически обоснованного описания механизма переноса вещества мишени на подложку.

Во многих работах, посвященных взаимодействию мощного лазерного излучения с поверхностью мишени, основное внимание уделено физическим процессам, протекающим в факельной плазме, ее энергетическим характеристикам, зависимости поведения плазмы от параметров лазерного излучения, а также решается задача распространения тепла вглубь мишени, при этом остается в тени непосредственно механизм абляции вещества, распыляемого с мишени и его влияние на механизм роста пленки. Наличие описания механизма переноса вещества мишени на подложку под влиянием мощного лазерного излучения очень важен с практической точки зрения. Чтобы изготовить сквид на базе тонкой УВаСиО пленки, на последнюю наносится определенный рисунок с помощью микронной фотолитографии. Разрешение рисунка составляет единицы микрон. Качество поверхности пленки и ее макроструктура являются в этом случае критическими параметрами, так как известно, что при определенных условиях лазерной абляции, рост пленки происходит за счет крупных, до 10 ткт в диаметре, капель, летящих с мишени на подложку, и наоборот, при других условиях на подложке может вырасти монокристалл с ровной поверхностью.

Чтобы определиться с условиями обеспечивающими монокристаллический рост пленки в процессе лазерной абляции потребовались упорные экспериментальные исследования. На кафедре общей физики ОмГУ под руководством доктора ф.-м. наук, профессора Югая К. Н. были экспериментально обнаружены пределы по плотности мощности лазерного излучения и по времени напыления, в которых происходит бескапельный рост УВаСиО тонких пленок на монокристаллических подложках БгТЮ3 и ЬаАЮ3. Данная работа посвящена теоретическому описанию механизма переноса вещества мишени УВаСиО на подложку методом лазерной абляции, экспериментальным исследованиям по оптимизации параметров напыления УВаСиО тонких пленок с целью изготовления на их базе ОСсквидов, изготовлению и тестированию БС — сквидов на базе данных пленок.

Цель и задачи работы. Целью работы является теоретическое описание метода лазерной абляции при получении УВаСиО тонких пленок с заданными параметрами, которое согласовывалось бы с результатами экспериментов по получению высококачественных монокристаллических ляции вещества, распыляемого с мишени и его влияние на механизм роста пленки. Наличие описания механизма переноса вещества мишени на подложку под влиянием мощного лазерного излучения очень важен с практической точки зрения. Чтобы изготовить сквид на базе тонкой УВа-СиО пленки, на последнюю наносится определенный рисунок с помощью микронной фотолитографии. Разрешение рисунка составляет единицы микрон. Качество поверхности пленки и ее макроструктура являются в этом случае критическими параметрами, так как известно, что при определенных условиях лазерной абляции, рост пленки происходит за счет крупных, до 10 ткт в диаметре, капель, летящих с мишени на подложку, и наоборот, при других условиях на подложке может вырасти монокристалл с ровной поверхностью.

Чтобы определиться с условиями обеспечивающими монокристаллический рост пленки в процессе лазерной абляции потребовались упорные экспериментальные исследования. На кафедре общей физики ОмГУ под руководством доктора ф.-м. наук, профессора Югая К. Н. были экспериментально обнаружены пределы по плотности мощности лазерного излучения и по времени напыления, в которых происходит бескапельный рост УВаСиО тонких пленок на монокристаллических подложках БгТЮ3 и ЬаАЮ3. Данная работа посвящена теоретическому описанию механизма переноса вещества мишени УВаСиО на подложку методом лазерной абляции, экспериментальным исследованиям по оптимизации параметров напыления УВаСиО тонких пленок с целью изготовления на их базе БСсквидов, изготовлению и тестированию БС — сквидов на базе данных пленок.

Цель и задачи работы. Целью работы является теоретическое описание метода лазерной абляции при получении УВаСиО тонких пленок с заданными параметрами, которое согласовывалось бы с результатами экспериментов по получению высококачественных монокристаллических тонких пленок с бескапельной поверхностью. Экспериментальное влияние различных режимов охлаждения YBaCuO тонких пленок по окончании процесса лазерной абляции на их сверхпроводящие свойства, оптимизация сверхпроводящих пленок для изготовления на их базе сквидов. Изготовление и тестирование сквидов. В процессе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Теоретического описание механизма переноса вещества мишени на подложку.

2. Получение высококачественных YBaCuO тонких пленок с использованием созданной теоретической модели.

3. Нахождение экспериментальной зависимости сверхпроводящих свойств YBaCuO тонких пленок от режимов охлаждения.

4. Получение изображений поверхностей YBaCuO тонких пленок с помощью туннельного микроскопа.

5. Получение YBaCuO тонких пленок с параметрами, оптимизированными для созданной сквидов.

6. Изготовление и тестирование сквидов.

Объекты и методы исследования. В диссертационной работе использовались следующие исследовательские методы: При получении YBaCuO тонких пленок был использован импульсный лазер Nd: YAG (ЛТИ — 403). В качестве мишеней выступали таблетки из керамики YBaCuO. Измерения сверхпроводящих свойств осуществлялись четырехзондовым методом. В качестве хладагента выступал азот. Напыление вещества мишени производилось на монокристаллические подложки SrTi03 и LaAl03. Исследование поверхности YBaCuO тонких пленок проводилось с помощью туннельного микроскопа СММТ — 2000.

Научная новизна. Предложена и теоретически обоснована новая концепция механизма отрыва частиц от поверхности мишени, объясняющая существование порогового значения — времени задержки та, в течение которого реализуется кластерный механизм отрыва частиц от поверхности мишени, а после начинает протекать капельный механизм. Описан принцип возникновения капель, как следствие возбуждения в облучаемой лазерным излучением площади мишени турбулентности капиллярных волн.

Обнаружено наличие в тонких УВаСиО пленках мезоструктурных особенностей, которые формируют макроструктуру пленок и имеют сильное влияние на их сверхпроводящие свойства.

Научная и практические ценности. Результаты работы по описанию принципа отрыва частиц с поверхности мишени позволяют глубже понять механизм роста УВаСиО тонких пленок, выращенных методом лазерной абляции. Применение концепции физической мезомеханики помогло исследовать температурные режимы в процессе лазерной абляции, при которых формируются сверхпроводящие свойства пленок. Все вместе это позволило получать УВаСиО тонкие пленки, обладающие физическими свойствами, необходимыми для тех или иных приложений. При применении мезопленок в изготовлении ЭС — сквида удалось получить БСсквид с оптимальными рабочими характеристиками.

Защищаемые положения.

1. Кластерный механизм отрыва частиц от поверхности керамической УВаСиО мишени при поглощении лазерных импульсов большой мощности основан на диссоциации нелинейных осцилляторов — кластеров материала мишени.

2. Образование и отрыв капель в капельном механизме отрыва частиц с поверхности мишени при поглощении лазерных импульсов большой мощности обусловлен возбуждением турбулентности капиллярных волн расплава.

3. Граничная плотность мощности определяется критерием возбуждения динамического хаоса на поверхности мишени.

4. Тонкие YBaCuO пленки, выращенные методом лазерной абляции, имеют мезоскопические особенности, сильно влияющие на сверхпроводящие свойства пленок. Мезоструктуры в тонких YBaCuO пленках формируются в процессе быстрого охлаждения пленки после окончания напылительного процесса.

5. DC — сквид, изготовленный на базе YBaCuO мезопленок имеет оптимальные рабочие характеристики.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на EUROMECH Colloquium 363, «Mechanics of laser Ablation», Novosibirsk, 1997; на научном семинаре Института прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) — на научных семинарах кафедры общей физики ОмГУ и лаборатории ВТСП ИСМЭ СО РАН, а также на ADVANCED MATERIALS AND PROCESS «Fundamental Problems of Developing Advanced Materials and Processes of the XXI Century», V Russian-Chinese simposium.

Результаты работы использовались при выполнении гранта РФФИ № 96−02−19 321- гранта «Университеты России — фундаментальные исследования» № 97- Единого Заказ-Наряда и проекта «УНЦ ОмГУ и подразделения СО РАН», выполняемого в рамках федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997 — 2000 годы» — а также при выполнении проекта межрегиональной программы СибВПКнефтегаз — 2000 «Нефтехимический магнитометр для оперативной идентификации парамагнитных примесей в нефти и нефтепродуктах» .

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Изложена на 120 стр. машинописного текста, иллюстрирована 31 рисунком. Список цитируемой литературы содержит 136 наименования.

Заключение

.

Результаты проведенных в диссертации исследований позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Предложен кластерный механизм отрыва частиц УВаСиО мишени при поглощении мощного импульсного лазерного излучения, основанный на представлении о диссипации нелинейных осцилляторов — кластеров на поверхности. Вычислена вероятность диссоциации — отрыва частиц от поверхности мишени.

2. Показано, что граничная плотность мощности, определяющая смену механизма лазерной абляции с кластерного на капельный, определяется критерием возбуждения динамического хаоса в состоянии нелинейного осциллятора — кластера при его взаимодействии с импульсным лазерным излучением.

3. Предложен механизм отрыва капель от поверхности УВаСиО мишени при поглощении мощного импульсного лазерного излучения, в основе которого лежит представление о возбуждении капиллярной турбулентности на поверхности расплавленной мишени. Распадная неустойчивость капиллярных волн в турбулентных состояниях приводит к перекачке энергий волн в длинноволновую часть спектра, что и приводит к отрыву капель.

4. Экспериментально показано, что время запаздывания при взаимодействии лазерных импульсов с поверхностью керамической УВаСиО мишени возрастает с ростом плотности мощности лазерного излучения выше граничной и увеличением плотности мишени, и уменьшается при возрастании температуры мишени.

5. При больших скоростях охлаждения УВаСиО пленки после окончания процесса выращивания получены мезопленки, макроструктура которых состоит из доменов напряжений. Границы между доменами напряжений проявляют свойства джозефсоновских переходов неизвестного ранее типа.

6. Показано, что de-сквиды, изготовленные на базе YBaCuO мезопленок, имеют оптимальные рабочие характеристики.

Всего по теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 13 статей в различных журналах (Изв. вузов. Физика, ЖТФ, Low Temp. Phys, Вестник Омского унив.), 2 Abstracts, получено 2 патента на изобретение.