بخشی از مقاله
چکیده
ساخت لایههاي نازك - YBa2Cu3O7-δ - YBCO بر روي زیرلایههاي تک بلوري SrTiO3 و چند بلوري نقره با روش افشانهي داغ انجام شده است. پراش اشعهيX در هر مرحله از رشد لایهها، حضور فازهاي بلوري از نیتراتها و اکسیدها و فاز اورتورومبیک YBCO را نشان میدهد این آنالیز نشان میدهد لایه YBCO بر روي زیرلایه SrTiO3 بیشتر در جهت c رشد کرده است. آنالیزهاي AFM و SEM حاکی از اندازه دانههاي 2 میکرومتر و کمتر هستند .
مقدمه
وجود مرزهاي دانهاي با زاویه بزرگ در کپه ابررساناها، شارش ابرجریان در میدان مغناطیسی را محدود میکند. از آنجا که در بیشتر کاربردهاي ابررسانایی نیاز به چگالی جریان بالاست و لایه-هاي نازك ابررسانایی نسبت به کپه آن از چگالی جریان بحرانی بالاتري برخوردار هستند، ساخت لایههاي نازك ابررسانا از اهمیت خاصی برخوردار است. از مهمترین کاربردهاي لایه نازك ابررسانامیتوان سیمهاي ابررسانا را نام برد. در ساخت نسل دوم سیمهايابررسانا از YBCO استفاده میشود زیرا نوارهاي YBCO نسبت بهنوارهاي BSCCO، خط برگشتناپذیري بالاتر، اتلاف AC کمتر وقیمت پایینتري دارند. ناهمسانگردي موجود در YBCO باعث میشود که رسانایی الکتریکی در صفحات CuO2 ،بسیار بزرگتر از رسانایی در جهت محور c باشد و در نتیجه J cC >> J Cabخواهد بود .
بنابراین براي کاربردهاي توان بالا، لازم است که دانه-هاي رشد کرده در جهت c، عمود بر سطح زیرلایه باشند.[1]روشهاي مختلفی براي ساخت لایهنیاز نازك YBCO وجود دارد.به خلأ بالا در روشهاي رسوب با لیزر پالسی، رسوب با باریکه الکترونی و کندوپاش، هزینه ساخت لایه را بالا میبرد. بنابرایناستفاده از روشهاي شیمیایی مقرون به صرفهتر است. یکی ازروشهاي شیمیایی که در آن از فرایند سل-ژل استفاده میشود، روش افشانهي داغ است2]و.[3 در این روش، محلول پیشمادهتوسط یک ذرهپاش به قطرات ریز تبدیل میشود و این قطرات ریز به کمک یک گاز حامل به سمت زیرلایه گرمشده، هدایت می-شوند. قطرات بر روي زیرلایه تجزیه شده و تشکیل لایه میدهند.از مزایاي این روش میتوان نرخ رسوب بالا و کنترل آسانضخامت و عدم نیاز به خلأ[4] نام برد. در تحقیق حاضر، هدفساخت لایه نازك YBCO با روش افشانهي داغ بر روي زیرلایه-هاي چند بلوري و تک بلوري SrTiO3 است.
جزئیات تجربی
براي ساخت محلول پیشماده، نیتراتهاي تک تک موادتشکیل دهنده که شامل Y - NO3 - 3.6H2O، Ba - NO3 - 2 و Cu - NO3 - 2.3H2O با خلوص %99,9 - مرك - هستند، در آب دو باریونیزه حل میشوند. سپس با یک نسبت مولی مناسب - وابسته به دماي زیرلایه - ، با هم ترکیب میشوند تا نسبت Y:Ba:Cu در لایهنهایی 1:2:3 شود. یک پارامتر بسیار مهم در روش افشانهي داغ،دماي زیرلایه است. دماي زیرلایه تعیین کننده کیفیت لایه و نسبتاتمی انتخاب شده براي تهیه محلول پیشماده است. منحنیهاي تجزیه گرمایی محلولهاي نیترات، نشان میدهند که تجزیه سه نیترات یاد شده در دماهاي مختلف اتفاق میافتد. تبدیل شدن به اکسید براي Cu - NO3 - 2 در دماي 300 درجه سانتیگراد و براي Y - NO3 - 3 در 500 درجه و براي Ba - NO3 - 2 در دماي 710 درجه سانتیگراد کامل میشود.
در نتیجه از دماي 300 درجه به بالا، مولفه Cu به طور غالب رسوب میشود. دماي زیرلایه در تحقیق حاضر300 درجه سانتیگرادبنابراین است. نیتراتها با نسبت 1:2:3 با هم ترکیب میشوند2]و5و[6 و یک محلول آبی رنگ با غلظت 0/03مولار تهیه میشود. براي تبدیل محلول به قطرات ریز از یک مه-پاش کمپرسوري استفاده میشود که ذراتی با قطر 1-5 میکرومتر تولید میکند. گاز حامل مورد استفاده، گاز آرگون با نرخ 2 l/minاست. از زیرلایههاي چند بلوري نقره با خلوص %99/9 و تک بلوري SrTiO3 استفاده میشود. فرایند رسوب کردن به این صورت انجام میشود که پس از 30 ثانیه اسپري کردن، فرایند اسپري به مدت 30 ثانیه متوقف میشود تا دماي گرمکن به مقدار قبل از اسپري کردن برسد.
اندازهگیري دما با Pt100 انجام میشود. پس از 2 ساعت لایهنشانی، گرمکن خاموش میشود تا دماي لایهبه آرامی به دماي اتاق برسد. پس از رسوب، لایه درون کوره قرارمیگیرد و دماي کوره تا 900 درجه سانتیگراد افزایش مییابد، 15دقیقه در این دما تحت شار اکسیژن قرار میگیرد و سپس تا دماي550 درجه سانتیگراد سرد شده و به مدت 2 ساعت در این دمااکسیژن وارد کوره میشود و پس از این مرحله کوره را خاموشمیکنیم. آنالیز فازي نمونه بهوسیله پراش اشعه - Philips CuKα - Xانجام شده است و ریز ساختار آن توسط - NT-MDT - AFM وSEM مورد مطالعه قرار گرفته است.
نتایج و بحث
پس از مرحله رسوب کردن و قبل از بازپخت، پراش اشعه Xبر روي نمونهها انجام شد. شکل 1 پراش پرتوي X را براي لایه روي زیرلایه نقره و زیرلایه - STO - SrTiO3 نشان میدهد. با توجهبه دادههاي موجود براي تجزیه گرمایی نیتراتها، انتظار میرود دراین دما تنها نیترات مس به اکسید مس تجزیه شود و دو نیتراتدیگر بدون تغییر بمانند. با مقایسه طرح پراش با کارت استانداردنیترات باریم و اکسید مس، مشاهده شده است که تمام قلهها مربوط به این دو ماده است. نیترات ایتریوماحتمالاً آمورف بودهاست.[ 7 ]همچنین پس از بازپخت و اکسیژندهی آنالیز XRD دوباره انجام شد. نتایج در شکل 2 دیده میشود. نکاتی که در طرح پراش ایندو نمونه دیده میشود عبارتند از:
-1 تمامی قلهها مربوط به YBCO است، در نتیجه هیچ فاز ناخالصی قابل توجهی تشکیل نشده است.
-2 از مقایسه طرح پراش لایه YBCO بر روي زیرلایه نقره و زیرلایه SrTiO3، مشاهده میشود که لایه رشد کرده بر روي زیرلایه SrTiO3 بیشتر از لایه رشدکرده بر روي زیرلایه نقره در جهت c رشد کرده است. براي محاسبه درصد رشد در جهت محور c از رابطه - 1 - استفاده می-شود. این مقدار براي لایهاي که بر روي زیرلایه STO رشد کرده است،% 76 و براي لایه بر روي زیرلایه نقره %42 بهدست میآید.
براي داشتن لایه تکجهت، باید ضریب انبساط گرمایی،پارامترهاي شبکه و موقعیتهاي اتمی و جهت بلورین لایه وزیرلایه منطبق باشند و سازگاري شیمیایی بالایی بین لایه و زیرلایهوجود داشته باشد. از آنجا که ساختار کریستالی YBCO با دقتخوبی، پروسکیت است و لایه SrTiO3 هم یک لایه اکسیدي با ساختار پروسکیت است، بنابراین تعداد زیادي محل انطباق بینلایه و زیرلایه وجود دارد.علاوه بر این، ثابتهاي شبکه آنها نیزمشابه است و از آنجا که این زیرلایه اکسیدي است، سازگاريشیمیایی بین لایه YBCO و زیرلایه SrTiO3 مناسب است.[9]ریزساختار نمونهها توسط AFM بررسی شده است. شکل 3تصاویر AFM لایه YBCO را نشان میدهد. همانطور که درتصاویر دیده میشود، اندازه دانهها از مرتبه 2 میکرومتر است و اتصال دانهها مناسب است. در این شکل تصویر دوبعدي و سه-بعدي لایه ابررسانا بر روي نقره نشان داده شده است. شکل 4تصویر SEM لایه بر روي زیرلایه نقره را نشان میدهد. تصاویرSEM نشان میدهد که دانهها داراي شکل ابعخادصی نبوده و در
