Deschis în finalul anilor '80 la temperatură ridicată supraconductibilitate găsit astăzi expresia practică sub formă de benzi supraconductoare prima si a 2 generatii. Utilizarea unor astfel de materiale se va schimba forma obișnuită de rețele electrice: va fi posibil să treacă un curent electric, fără pierderi de rezistență și densitate mai mare, și linia de transmisie de înaltă tensiune, cu o zonă de excludere caracteristică va ocupa suprafețe mult mai mici sau chiar du-te sub pământ. Pe baza acestor benzi se fabrică motoare electrice puternice, magneți, suspensii magnetice, scuturi magnetice și sisteme de demagnetizare. Pentru toate aceste aplicații se caracterizează fie unicitatea lor, fie o scădere bruscă a dimensiunilor de masă și a costurilor energiei.
Fig.1. HTSC banda de a doua generație.
A 2-bandă generație superconductor este o structură multistrat constând dintr-un substrat metalic acoperit cu un strat de material tampon și un supraconductor cu temperatură ridicată YBa2 Cu3 O7-x (YBCO) (Fig.1). O astfel de compoziție complexă (numărul de straturi poate ajunge la zece) este necesară pentru creșterea texturată a stratului YBCO. prin urmare întregul sistem (sau cea mai mare parte a acestuia) este o structură heteroepitaxială cu mai multe straturi de oxid.
2. Modalități de a produce panglici HTSC de a doua generație
Există două cele mai frecvent utilizate în tehnologia benzilor supraconductoare la temperatură ridicată din a doua generație. Ele diferă în ceea ce privește stabilirea texturii pe substraturi extinse. Acestea sunt abordările IBAD (IonBeamAssistedDeposition) și RABiTS (RollingAssistedBiaxiallyTexturedSubstrate). În primul, se obține un strat de oxid de textură pe o bandă de metal netexturabilă, în al doilea, se folosește o bandă texturată, iar stratul de suprapunere moștenește textura sa. Până în prezent, frecvența utilizării acestor abordări este aproximativ aceeași. Fiecare are avantajele și dezavantajele sale asociate cu complexitatea echipamentului și cu calitatea benzii finisate.
Abordarea IBAD pentru aplicarea straturilor texturate folosind substraturi metalice policristaline a fost dezvoltată mai întâi. Astăzi, permite producția de benzi superconductoare din a doua generație cu cele mai bune caracteristici tehnice. Principala dintre acestea este densitatea curentului critic al supraconductivității (Jc), deasupra căruia acesta dispare. Pentru benzile HTS din a doua generație, obținute prin cartografiere IBAD, Jc este de 4,8 MA / cm2 [1]. aceasta constă în aceea că pe un substrat policristalină sau un strat de oxid amorf este aplicat simultan bombardează suprafața fasciculului de ioni de înaltă energie (în mod tipic, Ar +) (Figura 2). Unghiul la care are loc bombardarea este calculat astfel încât să corespundă anumitor direcții cristalografice. De exemplu, dacă este necesar să se asigure creșterea unei texturi <001> MgO, cele mai bune rezultate sunt obținute la 54,7 ° C. Acest unghi corespunde familiei de direcții <111> într-o structură cubică. Astfel, este posibil să scăpăm de orientarea principală a impurităților (111).
Fig.2. Schema procesului IBAD.
Un avantaj esențial al acestei metode este că textura se formează independent de substrat, ceea ce dă libertate în alegerea materialului său. În majoritatea lucrărilor, o bandă de aliaj inoxidabil este utilizată ca substrat datorită disponibilității, proprietăților mecanice satisfăcătoare și stabilității la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, metoda necesită o buna suprafață a pielii, care este asociată cu prelucrarea suplimentară a substratului metalic. Acestea pot fi lustruirea (mecanică și electrolitică) sau depunerea straturilor de "netezire" (Y2O3 sau Al2O3) [2]. În plus, ca urmare a "gravării" suplimentare, rata de creștere a filmului de oxid este foarte scăzută. Din acest motiv, procesul de IBAD sunt întotdeauna completate de alte metode de homo- sau heteroepitaxială cresc un strat [3], iar numărul total de straturi este cea mai mare din centura finită, care nu contribuie ei mai ieftin (Fig.3).
Figura 3. Compoziția benzilor superconductoare cu temperatură ridicată din a doua generație, obținută utilizând abordările RABiTS [4] și IBAD [5].
Pentru a obține substraturi texturate, lungi și flexibile, se utilizează metoda RABiTS. Spre deosebire de IBAD. nu necesită o astfel de sursă profundă de vid și de ioni. Metoda constă în prelucrarea termomecanică a metalelor, intermetalidelor și aliajelor, datorită cărora textura este creată deja în banda metalică. În tehnologia benzilor superconductoare cu temperatură ridicată din a doua generație, textura tuturor straturilor care depind de acestea depinde de calitatea acestora, inclusiv de textura și proprietățile electrofizice ale superconductorului de temperatură înaltă.
Inițial, metalul este o bară care este supusă forjării la cald și rece pentru subțiere, precum și măcinarea boabelor. Reacția este efectuată pentru a înlătura întărirea, după care este supusă unei deformări considerabile (gradul său atinge 99%), urmată de recoacerea la temperaturi ridicate. Prezența structurii domeniului și a limitelor la unghi mic între domenii în benzile preparate folosind abordarea RABIT. duce la o deteriorare a proprietăților stratului HTSC în comparație cu cea obținută prin abordarea IBAD.
Straturile ulterioare sunt aplicate prin metode fizice (PVD, PhysicalVaporDeposition) sau chimice. Acestea din urmă sunt împărțite în fază gazoasă (CVD, ChemicalVaporDeposition) și soluție (CSD, ChemicalSolutionDeposition). Metodele chimice au ca principale speranțe să reducă costul materialului finit - banda superconductoare la temperatură ridicată din a doua generație.
Metodele de solvent pentru producerea de materiale de film pot fi văzute din diferite unghiuri. Aceasta determină diferitele variante ale clasificărilor.
Separat este necesar să se aloce o gamă largă de metode electrochimice. Ele sunt folosite, în primul rând, pentru obținerea de acoperiri metalice, iar câmpul științific care se ocupă de astfel de obiecte se numește galvanic. În plus față de metal, este posibil să se obțină filme de oxid. Unul dintre cele mai interesante exemple este prepararea electrochimică a aluminiului anodizat și a oxizilor de titan sub formă de acoperiri sau membrane, porozitatea cărora poate fi variată [6, 7]. Reacțiile de polimerizare ale compușilor de coordonare sunt cunoscute atunci când potențialul este aplicat pentru a forma filme pe suprafața electrodului [8, 9] etc.
Prin prezența transformării chimice, se disting două tipuri de metode de soluție. Primul este fără transformare chimică. Aceasta include imprimare, hârtie și film, prepararea materialelor polimerice de hidrocarburi și altele. În acest caz, compoziția materialului depus nu este diferit (sau poate să difere numai de numărul de solvent) din compoziția filmului finit. Pe de altă parte, există metode cu transformare chimică. Acest lucru poate fi chemisorption pe suprafața substratului [10, 11], convertirea unui precursor lichid, de exemplu, un oxid, halogenură, formarea unui nou compus kopleksnogo sau structuri cu ordonare specifică a moleculelor. O altă abordare a metodei de soluționare este de a se împărți prin metoda de acoperire sau de producție a filmelor. Poate fi posibil obtinerea de materiale de mici dimensiuni (acoperire de spin) sau extins la zeci sau sute de metri (acoperire prin imersare [12], die fanta [13, 14], imprimare cu jet de cerneală [15, 16]).
Examinarea metodelor chimice ale soluției, atât din punct de vedere al tipului de transformări chimice, cât și a metodei de aplicare a lichidului pe suprafața substratului, este foarte importantă pentru alegerea corectă a condițiilor. În ceea ce privește producția de componente ale benzilor supraconductoare de înaltă Tc din a doua generație, se poate afirma că transformarea chimică are loc, deoarece sarea trebuie să treacă în oxid. Dar acest proces conține adesea mai multe etape. Un exemplu sunt procedeele de obținere a filmelor de oxid La2Zr2O7 și CeO2. una dintre etapele care constă în hidroliza sarei cu formarea sistemelor, fracția de masă a metalului și oxigenului, componenta de oxid, este cea mai mare. Acestea pot fi hidroxizi, geluri sau polioxometallați. Formarea acestuia din urmă a fost găsită în precursorul (precursorul) oxidului La2Zr2O7. ale căror filme în benzi HTSC sunt utilizate ca straturi tampon (figura 4). Importanța studierii etapelor intermediare de conversie a sării este importantă. Astfel, aglomeratele mari, care sunt polioxometallați, afectează proprietățile hidrodinamice ale soluției din care este aplicată acoperirea, precum și stabilitatea termică.
Există mai multe opțiuni practice pentru depunerea filmelor din sistemele lichide (etapa 3). Specialiștii Corporației Polaroid E. Gutov și E. Cohen [18, 19] le împart în două clase. Primul folosește rulourile, pe care se deplasează fie substratul, fie care poartă precursorul în cantitatea necesară. Acest lucru include dip, roll. gravură, menisc, stoarcere, sărut, tijă, cuțit, înveliș cu lamă. precum și soiurile acestora. Clasa a doua acoperă aplicațiile de acoperire prin extrudare: slot. glisiere și acoperire cu cortină. Pentru fiecare metodă, sunt caracteristice caracteristicile și diferitele modificări asociate cu proiectarea instalației, cu posibilele obiecte de aplicare, numărul de straturi depuse simultan, intervalul de viteză și defectele rezultate. Prin urmare, alegerea metodei de aplicare ar trebui corelată cu cerințele impuse materialului primit. În lucrarea noastră am folosit prima clasă de metode - metoda de rulare, care se reduce la cea mai cunoscută, având o descriere fizico-chimică detaliată [20], metoda de acoperire prin imersiune. Figura 5 prezintă diferite modificări ale metodei de depunere aplicate.
Figura 5. Schemele procesului de aplicare în metodele de acoperire cu role în față (a), inversarea a trei (b) și a patru straturi de acoperire (b).
Apoi urmează tratamentul termic al filmului depus, care are ca rezultat formarea unei faze de oxid. Această metodă este utilizată atât pentru pregătirea straturilor individuale, cât și pentru structura completă de 4-6 straturi a benzii. Dar trebuie remarcat faptul că doar un studiu detaliat al procesului de aplicare al fiecărui strat poate da un rezultat pozitiv. Deci, un întreg grup de oameni de știință poate lucra la obținerea unui singur obiect. Ca rezultat, inclusiv în laboratorul nostru, sunt capabili să primească benzi superconductoare la temperaturi ridicate din a doua generație, cooperând cu eforturile și realizările unui număr mare de oameni de știință. Desigur, nu toate urmează aceeași cale a soluției de aplicare. Noi, pentru moment, putem obține un strat de HTSC numai prin metoda chimică în fază gazoasă (CVD).
Ideea de bază a metodei de depunere chimică de vapori este aceea că componentele de film sub formă de vapori ai compușilor volatili sunt transportate în reactor, unde se amestecă cu gazul de reacție și depunerea ulterioară a unui film dorit pe suprafața substratului prin termoliza oxidativă, hidroliză termică sau orice alt procedeu (în în funcție de condițiile îndeplinite).
Atunci când se dezvoltă o tehnologie CVD pentru o anumită substanță, alegerea corectă a unui precursor este de o importanță deosebită. Datorită volatilității lor, ca precursori sunt utilizate pe scară largă b-diketonates metale corespunzătoare, și complexe care conțin b-diketonate separat și alți liganzi (preferabil polidentați).
Cerințele principale pentru precursorii pentru BCV:
- volatilitate, ceea ce face posibilă atingerea unor rate acceptabile de creștere a filmului;
- rezistența la descompunere la temperatura de evaporare;
- grad ridicat de puritate chimică;
- compatibilitatea chimică cu alți precursori utilizați (pentru depunerea de filme multicomponente utilizând mai mulți precursori);
- stabilitatea și comoditatea depozitării, inclusiv. rezistență la aer și umiditate;
- absența subproduselor chimice în timpul depunerii filmului în reactor;
- ușurința, viteza și ieftinitatea producției, precum și posibilitatea de producție la scară largă.
Studiul detaliat și combinarea diferitelor metode chimice de aplicare (soluție și fază gazoasă) au făcut posibilă obținerea a patru tipuri de benzi superconductoare la temperatură ridicată din a doua generație având cea mai simplă compoziție:
Se poate afirma cu încredere că costul de fabricare a acestor benzi este mai mic decât pentru benzile obținute prin metode fizice. Astfel, procesul de aplicare a unui strat de soluție per 1 m a benzii, estimarea preliminară este de aproximativ 4 $ (pentru La2 Zr2 O7), prin CVD - 15 $ (YBCO), PVD - 15 $ (YBCO). De asemenea, trebuie luate în considerare caracteristicile materialelor obținute.
Figura 6. Dependența compoziției critice eșantion HTS bandă YBCO curent (MOCVD) / Y2 O3 (CVD) / La2 Zr2 O7 (CSD) / Ni-5W de distanța din eșantion.
Figura 6 prezintă un grafic al valorii curentului critic a poziției pe porțiunea din lungimea eșantionului de 1 m. Valoarea Inutil (conversia la Jc = 1,5 mA / cm2) este de 3 ori mai mică decât caracteristicile record, dar mai mult de lucru pentru a găsi condiții optime pentru depunere continuă.
Experiența formării în domeniul tehnologiei nanotehnologiei
În acest studiu, vă rugăm să vă împărtășiți experiența și atitudinea dvs. față de tehnologia nanotehnologiei și ariile aferente. Vă mulțumim anticipat pentru nediscriminarea voastră!
Lucrări de proiect
Astăzi, așa-numita lucrare de proiect a elevilor este din ce în ce mai populară, dar există opinii foarte diferite în acest sens. V-am fi recunoscători dacă v-ați exprima pe scurt opinia dvs. cu privire la această chestiune votând. Mulțumită în avans!