А.А. Скутин, К.К. Югай, К.Н. Югай, Г.М. Серопян, Омский государственный университет, кафедра общей физики
Работа многих приборов, созданных на основе высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) пленок (особенно сквидов), существенно зависит от токовых транспортных свойств ВТСП пленок [1-3]. При эксплуатации приборов их сверхпроводящие элементы будут подвергаться многократному термоциклированию - охлаждению до рабочей температуры (77 К) и обогреву до комнатной температуры. Это обстоятельство делает актуальным исследование влияния термоциклирования на значения плотностей критического тока Jc сверхпроводящих пленок.
В данной работе нами проведено исследование зависимости плотности критического тока Jc от числа термоциклов n для  , выращенных методом лазерной абляции на различных подложках [4]. В качестве подложек были взяты монокристаллы SrTiO3 (100), LaAlO3 (100) и сапфира (100). Мишенью служили поликристаллические таблетки YBaCuO диаметром 1 см, толщиной 0,5 см и плотностью 4,4-4,6 г/см2. Для выращивания YBaCuO пленок применялся импульсный лазер ЛТИ-403 с Nd-YAG стержнем со следующими параметрами лазерного излучения: длина волны излучения 1,06 мкм, длительность импульса 20 нс, частотой повторения импульсов 12 Гц. Температура подложки поддерживалась оптимальной - 810-840oC, при давлении кислорода в напылительной камере 0,1 торр. Плотность мощности лазерного излучения на поверхности мишени также принимала оптимальные значения - (3-8) 108Вт/см2. Скорость охлаждения пленки после процесса напыления составляла 25 град/мин.
Методика термоциклирования была построена по следующей схеме: охлаждение образцов до температуры кипения жидкого азота проводились со скоростью 25 град/мин, а нагрев - со скоростью 40 град/мин. Различие в скоростях охлаждения и нагрева происходило по причине различного механизма теплоотвода. Следует отметить, что такие скорости охлаждения и нагрева создают условие термоудара.
Для определения значения плотности критического тока на YBaCuO пленках с помощью метода лазерного скрайбирования вырезались мостики шириной 20-50 мкм. Плотность критического тока определялась стандартным четырехзондовым методом, критический ток фиксировался при температуре 77К по возникновению на вольт-амперной характеристике напряжения
| N образца |
 А/см2 |
jc max/jc0 |
nmax |
jc max/jc min |
nmin |
| 1 |
 |
2.5 |
30 |
3.6 |
10 |
| 2 |
 |
0.7 |
35 |
1.8 |
20 |
| 3 |
 |
0.48 |
15 |
1.1 |
10 |
| 4 |
 |
4.7 |
10 |
4.7 |
0 |
| 5 |
 |
0.9 |
20 |
1.8 |
10 |
| 6 |
 |
0.6 |
35 |
1.1 |
15 |
| 7 |
 |
1.2 |
30 |
1.2 |
10 |
в 1 мкм. Для всех образцов, выращенных на различных подложках, а также имеющих различные начальные значения плотности критического тока, обнаружился эффект возрастания Jc при определенном числе термоциклов n. nmax, при котором Jc достигает максимального значения при возрастании, может лежать в пределах от 10 до 50 термоциклов. В таблице приведены значения Jc0, отношений Jc max/Jc0, Jc max/Jc min, а также nmax и nmin, для пленок на подложках SrTiO3, где Jc0 - начальное значение плотности критического тока (т.е. при n=0), а Jc max и Jc min - значения плотности критического тока в максимуме и минимуме кривой Jc(n) соответственно.
Рис. 1: Зависимость Jc(n) для образцов 1-7, выращенных на подложке SrTiO3 (100)
Как видно из зависимостей Jc(n) для различных образцов (рис. 1), значение nmax не зависит от начальнных значений Jc0, в то время как значения Jc max/Jc0 и Jc max/Jc min проявляют сильную зависимость от Jc0. Из таблицы видно,что значения Jc max/Jc0 и Jc max/Jc min больше для пленок с меньшими Jc0, а для пленок с высокими Jc0 (> 106 А/см2) эффект возрастания проявляется слабо.
Рис. 2: Зависимость Jc(n) для образцов 1-7, выращенных на подложке LaAlO3 (100)
Хотя эффект возрастания Jc наблюдается для пленок на всех трех видах подложек, тем не менее, видны некоторые отличия зависимости Jc(n). Так, например, для образца 6 на подложке из LaAlO3 наблюдается второй максимум (рис. 2), а образцы на сапфировых подложках имеют наибольшие значения Jc max/Jc min (для образца 2 на рис. 3 Jc max/Jc min=4.77).
Рис. 3: Зависимость Jc(n) для образцов 1-3, выращенных на подложке из сапфира (100)
Как известно, токонесущая способность YBaCuO керамик определяется свойствами межблочных (межзеренных) границ (например, [5]). Вероятно, YBaCuO пленкам также присуща блочная структура, при этом качество пленок будет определяться характером межблочных границ. В пользу такого утверждения говорит большой разброс плотностей критического тока (от 102 до 107 А/см2). К параметрам, характеризующим свойства границ блоков, относятся: 1) угол разориентации  соседних блоков в плоскости ab [6]; 2) кислородная стехиометрия в приконтактных областях блоков [7]; 3) вероятность сегрегации примесей на границе блоков; 4) склонность к образованию "несобственных" или аморфных фаз на границе [8,9] и т.д. Так как имеет место возрастание Jc, то, очевидно, следует брать во внимание те параметры, изменения которых в процессе термоциклирования могут привести к улучшению токонесущей способности межблочных границ. Существенное влияние на плотность критического тока межблочной границы JcGB оказывает угол разориентации [10-13]. В работе [10] дается следующая зависимость:
где jcG - плотность критического тока внутри блока,  . В работах [11,12] используются несколько отличные апроксимации, но во всех случаях jcGB быстро растет с уменьшением .
С другой стороны, в процессе выращивания в пленках могут накапливаться значительные механические напряжения как по причине рассогласования параметров кристаллических решеток пленки и подложки, так и из-за относительно больших скоростей охлаждения пленок после процесса напыления. Такие механические напряжения могут быть локализованы на границе пленка-подложка и в приграничных областях блоков, приводя к деформации кристаллической решетки приграничных областей [14], причем, чем больше угол разориентации , тем больше величина упругих деформаций. Несколько десятков последовательных термоударов вполне могут привести к существенной релаксации механических напряжений и уменьшению величины упругих деформаций. В таком случае вполне возможно некоторое уменьшение угла разориентации и, как следствие, - возрастание значения плотности критического тока.
Как отмечалось выше, наибольшее значение величины Jc max/Jc min наблюдалось для пленки, выращенной на сапфире. Из трех рассмотренных подложек параметры кристаллической решетки сапфира наименее согласуются с параметрами решетки YBaCuO пленки, что приводит к более высоким значениям механических напряжений. Соответственно происходит более существенное изменение величины угла разориентации .
По результатам данных исследований можно сделать следующие выводы: 1) YBaCuO пленки, выращенные на различных подложках при термоциклировании проявляют эффект возрастания плотности критического тока; 2) физические параметры, характеризующие данный эффект, коррелируют с начальными значениями плотности критического тока; 3) не наблюдается какой-либо зависимости значений nmax и ширины максимума на кривой Jc (n) от начальных сверхпроводящих свойств пленок, а также от типа подложки.
Список литературы
ChinD.K., DuzerT.Van.// Appl. Phys. Lett. 58. 1991. P.753.
Gao J., Aarnink W., Gerritsma G.J., Veldhuis D., Rogalla H.// IEEE Trans. Magn. 27. 1991. P.3062.
Braginski A.I.// Phisica C. 185-189. 1991. P.391.
Югай К.Н., Скутин А.А., Серопян Г.М. и др. // СФХТ. 1994. Т.7, N.6. С.1026.
Мейлихов Е.З. // УФН. 1993. 163. С.27.
Dimos D., Chaudhari P., Mannhart J., LeGoues F.K.// Phys. Rev. Lett. 1988. 61. P.219.
Zhu Y., Zhang H. et al. Preprint. 1992.
Zandbergen H.W., Gronsky R., Thomas G.// Microsc J. and Spectrosc Electron. 1988. 13. P.307.
Zandbergen H.W., Gronsky R., Tendeloo G.Van.// J. Supercond. 1989. 2. P.337.
Cai. Z.X., Welch D.O.// Phys. Rev. B. 1992. 45. P.2385.
Rhyner J., Blatter G.// Phys. Rev. B. 1989. 40. P.829.
Matsushita T., Ni B., Yamafuji K.// Cryogenics. 1989. 29. P.384.
Mannhart J.// J. Supercond. 1990. 3. P.281.
DimosD., Chaudhari P., Mannhart J.// Phys. Rev. B. 1990. 41. P.4038.
|