Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti

Многослойные периодические структуры – сверхрешетки (СР) – получены методом магнетронного распыления мишеней из Ti и сплава Nb48Ti. Проведено электронно-микроскопическое и рентгенодифрактометрическое исследование образцов, измерены их резистивные переходы в сверхпроводящее состояние в магнитных поля...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Вопросы атомной науки и техники
Date:2002
Main Authors: Черный, О.В., Решетняк, Е.Н., Стеценко, А.Н., Похила, А.С.
Format: Article
Language:Russian
Published: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2002
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79511
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti / О.В. Черный, Е.Н. Решетняк, А.Н. Стеценко, А.С. Похила // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 84-87. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79511
record_format dspace
spelling Черный, О.В.
Решетняк, Е.Н.
Стеценко, А.Н.
Похила, А.С.
2015-04-02T17:04:18Z
2015-04-02T17:04:18Z
2002
Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti / О.В. Черный, Е.Н. Решетняк, А.Н. Стеценко, А.С. Похила // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 84-87. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79511
538.911:538.945
Многослойные периодические структуры – сверхрешетки (СР) – получены методом магнетронного распыления мишеней из Ti и сплава Nb48Ti. Проведено электронно-микроскопическое и рентгенодифрактометрическое исследование образцов, измерены их резистивные переходы в сверхпроводящее состояние в магнитных полях до 5 Тл. СР из 10 слоев сверхпроводника толщиной dS=20 нм и нормального металла c dN=10 нм переходила в сверхпроводящее состояние при температуре Тс(0 Тл)=7.47 К с шириной перехода ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Плотность критического тока составляла Jc=43 кА/см2 в магнитном поле 5 Тл при Т=4,2 К.
Багатошарові періодичні структури – надрешітки (НР) – отримані методом магнетронного розпилу мішеней з Ti і сплаву Nb48Ti. Проведено електронно-мікроскопічне і рентгенодифрактометричне дослідження зразків, виміряні їх резистивні переходи у надпровідний стан у магнітних полях до 5 Тл. НР із 10 шарів з товщинами надпровідника dS=20 нм і нормального металу dN=10 нм переходила у надпровідний стан при температурі Тс(0 Тл)=7.47 К з шириною переходу ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Щільність критичного струму складала Jc=43 кА/см2 у магнітному полі 5 Тл при Т=4,2 К.
Multilayer periodical structures, superlattices (SLs), were prepared by method of magnetron sputtering of Ti and Nb48Ti alloy. Samples were studied by TEM and X-ray diffraction. Resistive transitions of SLs in to superconducting state in a magnetic fields up to 5 Т were measured. Superlattice consisting of 10 layers of superconductor with layer thickness dS=20 nm and dN=10 nm becomes superconductive at temperature Тс(0 Т)=7.47 K with transition width of ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Critical current density is Jc=43 kА/cm2 in magnetic field 5 T at Т=4,2 К.
Работа выполнена в рамках программы CRDF (проект UE2-2071).
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы
Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti
spellingShingle Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti
Черный, О.В.
Решетняк, Е.Н.
Стеценко, А.Н.
Похила, А.С.
Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы
title_short Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti
title_full Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti
title_fullStr Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti
title_full_unstemmed Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti
title_sort структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток nb-ti / ti
author Черный, О.В.
Решетняк, Е.Н.
Стеценко, А.Н.
Похила, А.С.
author_facet Черный, О.В.
Решетняк, Е.Н.
Стеценко, А.Н.
Похила, А.С.
topic Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы
topic_facet Сверхпроводимость и сверхпроводящие материалы
publishDate 2002
language Russian
container_title Вопросы атомной науки и техники
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
format Article
description Многослойные периодические структуры – сверхрешетки (СР) – получены методом магнетронного распыления мишеней из Ti и сплава Nb48Ti. Проведено электронно-микроскопическое и рентгенодифрактометрическое исследование образцов, измерены их резистивные переходы в сверхпроводящее состояние в магнитных полях до 5 Тл. СР из 10 слоев сверхпроводника толщиной dS=20 нм и нормального металла c dN=10 нм переходила в сверхпроводящее состояние при температуре Тс(0 Тл)=7.47 К с шириной перехода ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Плотность критического тока составляла Jc=43 кА/см2 в магнитном поле 5 Тл при Т=4,2 К. Багатошарові періодичні структури – надрешітки (НР) – отримані методом магнетронного розпилу мішеней з Ti і сплаву Nb48Ti. Проведено електронно-мікроскопічне і рентгенодифрактометричне дослідження зразків, виміряні їх резистивні переходи у надпровідний стан у магнітних полях до 5 Тл. НР із 10 шарів з товщинами надпровідника dS=20 нм і нормального металу dN=10 нм переходила у надпровідний стан при температурі Тс(0 Тл)=7.47 К з шириною переходу ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Щільність критичного струму складала Jc=43 кА/см2 у магнітному полі 5 Тл при Т=4,2 К. Multilayer periodical structures, superlattices (SLs), were prepared by method of magnetron sputtering of Ti and Nb48Ti alloy. Samples were studied by TEM and X-ray diffraction. Resistive transitions of SLs in to superconducting state in a magnetic fields up to 5 Т were measured. Superlattice consisting of 10 layers of superconductor with layer thickness dS=20 nm and dN=10 nm becomes superconductive at temperature Тс(0 Т)=7.47 K with transition width of ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Critical current density is Jc=43 kА/cm2 in magnetic field 5 T at Т=4,2 К.
issn 1562-6016
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79511
citation_txt Структура и сверхпроводящие характеристики сверхрешеток Nb-Ti / Ti / О.В. Черный, Е.Н. Решетняк, А.Н. Стеценко, А.С. Похила // Вопросы атомной науки и техники. — 2002. — № 1. — С. 84-87. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT černyiov strukturaisverhprovodâŝieharakteristikisverhrešetoknbtiti
AT rešetnâken strukturaisverhprovodâŝieharakteristikisverhrešetoknbtiti
AT stecenkoan strukturaisverhprovodâŝieharakteristikisverhrešetoknbtiti
AT pohilaas strukturaisverhprovodâŝieharakteristikisverhrešetoknbtiti
first_indexed 2025-11-26T18:37:52Z
last_indexed 2025-11-26T18:37:52Z
_version_ 1850768618580606976
fulltext УДК538.911:538.945 СТРУКТУРА И СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВЕРХРЕШЕТОК Nb-Ti / Ti О.В. Черный, Е.Н. Решетняк*, А.Н. Стеценко*, А.С. Похила** Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт", г. Харьков, Украина, Е-mail:nsc@kipt.kharkov.ua, Phone:(380-572)-356-653; *Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, г. Харьков, Украина, Е-mail:stetsenko@kpi.kharkov.ua, Fax:(380-572)-400- 601; ** Физико-технический институт низких температур НАН Украины, г. Харьков, Украина, Е-mail:pokhila@ilt.kharkov.ua, Fax:(380-572)-322-370, Phone:(380-572)-308-507 Багатошарові періодичні структури – надрешітки (НР) – отримані методом магнетронного розпилу мішеней з Ti і сплаву Nb48Ti. Проведено електронно-мікроскопічне і рентгенодифрактометричне дослідження зразків, виміряні їх резистивні переходи у надпровідний стан у магнітних полях до 5 Тл. НР із 10 шарів з товщинами надпровідника dS=20 нм і нормального металу dN=10 нм переходила у надпровідний стан при температурі Тс(0 Тл)=7.47 К з шириною переходу ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Щільність критичного струму складала Jc=43 кА/см2 у магнітному полі 5 Тл при Т=4,2 К. Многослойные периодические структуры – сверхрешетки (СР) – получены методом магнетронного распыления мишеней из Ti и сплава Nb48Ti. Проведено электронно-микроскопическое и рентгенодифрактометрическое исследование образцов, измерены их резистивные переходы в сверхпроводящее состояние в магнитных полях до 5 Тл. СР из 10 слоев сверхпроводника толщиной dS=20 нм и нормального металла c dN=10 нм переходила в сверхпроводящее состояние при температуре Тс(0 Тл)=7.47 К с шириной перехода ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Плотность критического тока составляла Jc=43 кА/см2 в магнитном поле 5 Тл при Т=4,2 К. Multilayer periodical structures, superlattices (SLs), were prepared by method of magnetron sputtering of Ti and Nb48Ti alloy. Samples were studied by TEM and X-ray diffraction. Resistive transitions of SLs in to superconducting state in a magnetic fields up to 5 Т were measured. Superlattice consisting of 10 layers of superconductor with layer thickness dS=20 nm and dN=10 nm becomes superconductive at temperature Тс(0 Т)=7.47 K with transition width of ΔТс(0,9-0,1)R10K=0,05 K. Critical current density is Jc=43 kА/cm2 in magnetic field 5 T at Т=4,2 К. В настоящее время ниобий–титановый сплав является доминирующим сверхпроводником в мире. Этот материал сочетает в себе высокую прочность, пластичность, вязкость, высокое сопротивление изгибу, кручению и т.д. Комбинация этих замечательных свойств оправдывает дальнейшие усилия, направленные на поиск новых возможностей повышения критической плотности тока jc в широком интервале магнитных полей. В ряде исследовательских лабораторий мира на Nb-Ti- сверхпроводниках в полях до 5 Тл при температуре Т=4,2 К получены достаточно высокие значения jc= (3,7…5,3)⋅105 А/см2 [1-3]. Для объяснения существующего уровня критического тока в Nb-Ti- сверхпроводниках предложен ряд моделей, основанных на явлении пиннинга вихрей магнитного потока на дефектах структуры. Считается, что контролирующим механизмом пиннинга квантов магнитного потока в Nb-Ti-сплаве является пиннинг остова вихревой нити на включениях несверхпроводящей фазы [4]. Когда размер этих включений становится соизмерим с диаметром вихря, равного удвоенной длине когерентности 2ξ (для НТ-50 сплава 2ξ∼10 нм), элементарная сила пиннинга достигает максимума. Однако электронно-микроскопические исследования показали, что в оптимизированном по току состоянии оптимальная толщина t сформированных в процессе значительной пластической деформации сплава ленточных выделений α-Ti была намного меньше 2ξ и составляла 1…4 нм [5]. Для объяснения пиннинга потока на довольно тонких прослойках (t<2ξ) авторы работы [6] предложили учесть флуктуации локального состава термомеханически обработанного Nb-Ti-сплава. Действительно, в локальных областях, состоящих из ряда параллельных лент α-фазы, сплав обогащен титаном. Когда геометрический размер такого скопления (кластера) выделений становится 84 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2002. №1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (12), с.84-87. соизмерим с размером 2ξ, то наблюдается максимум силы пиннинга. В последнее время интенсивно ведутся экспериментальные и теоретические разработки по созданию сверхпроводников с искусственными центрами пиннинга. Основное их преимущество состоит в возможности реализации высоких значений плотности критического тока в области низких магнитных полей [6]. В сильных полях они пока уступают традиционным Nb-Ti- сверхпроводникам. Для обоих типов сверхпроводников авторы работы [7] предложили новый единый механизм пиннинга потока – магнитный пиннинг. Характерный масштаб длины, который контролирует этот механизм, составляет не 2ξ, как ранее, а так называемая глубина эффекта близости ξN (для α-Ti величина ξN=6…10 нм). Субструктура этих сверхпроводников оказалась подобной и представляет собой набор тонких лент из несверхпроводящего металла, разделенных сверхпроводящими прослойками. Подобная структура может быть легко реализована в сверхрешетках, в которых толщина слоев металла и сверхпроводника может изменяться контролируемым образом от единиц до сотен нанометров. Таким образом, сверхпроводящие сверхрешетки являются удобным модельным объектом для проверки теоретических моделей пиннинга вихрей магнитного потока. В данной работе представлены результаты по изготовлению сверхрешеток Nb-Ti/Ti, исследованию их структуры и электрофизических свойств. Одномерные сверхрешетки, состоящие из чередующихся слоев Ti и Nb-Ti, изготовлены методом магнетронного распыления мишеней из Ti и сплава Nb48Ti в атмосфере Ar. Последовательное нанесение слоев регулировалось с помощью двух шторок, каждая из которых задавала время экспозиции подложки над соответствующим магнетроном. Подложками служили супергладкое стекло со среднеквадратичной шероховатостью ~0,5 нм и пластины монокристаллической слюды фторфлогопита в ориентации (001). Образцы на стеклянных подложках в дальнейшем использовались для рентгенодифрактометрических исследований, а на фторфлогопите – для низкотемпературных электрофизических измерений и электронно-микроскопических исследований структуры. При анализе сверхрешеточных отражений на малых углах вблизи первичного пучка учитывалось смещение дифракционных пиков из-за преломления рентгеновских лучей в образце. В процессе осаждения слоев температура подложек соответствовала комнатной, но перед этим они длительное время обезгаживались при температуре 573 К в вакууме ~6⋅10-4 Па. Скорость осаждения Ti и Nb-Ti составляла 0,05 и 0,08 нм/с соответственно. Общая толщина каждого многослойного образца поддерживалась постоянной и равной 300 нм. Толщина слоев нормального металла Ti (N) и сверхпроводника Nb-Ti (S) в сверхрешетке составляла dN=dS=10 нм для образца №1 и dN=10 нм, dS=20 нм для образца №2. Исследование резистивных характеристик проводилось по стандартной четырехзондовой схеме в установке со сверхпроводящим соленоидом. В соленоид, находящийся в жидком гелии, помещался антидьюар, внутри которого располагалась медная измерительная ячейка с образцами, снабженная нагревателем с управляемым источником питания. В процессе измерений образцы находились в газообразном гелии, теплоотвод обеспечивался через подложку в массивную медную измерительную ячейку. Ее конструкция обеспечивала возможность монтажа исследуемых образцов в трех различных ориентациях относительно магнитного поля: а) поле перпендикулярно плоскости образца; б) поле параллельно плоскости образца и измерительному току через образец; в) поле параллельно плоскости образца и перпендикулярно измерительному току через образец. Диапазон рабочих температур 4,2… 300 К, с магнитным полем - 4,2…120 К. В режиме заданной температуры при 4,2 К<Т<15 К стабильность не хуже 0,02 К; точность измерения температуры ΔТ= 0,001 К. Датчиком температуры при экспериментах в магнитном поле служил рутениевый термометр с погрешностью не хуже 0,002 К/Тл в полях до 2 Тл в интервале температур 4,2 …15 К. Магнитная система обеспечивала поддержание магнитного поля до 6,7 Тл с точностью не хуже 0,004 Тл вне зависимости от температуры образца. Также возможно плавное изменение поля со скоростями 0,02…0,4 Тл/мин. Предельная чувствительность по напряжению и току составляла 0,1 мкВ и 0,01 нА. Сбор данных во время эксперимента осуществлялся измерительным комплексом на базе компьютера с использованием специально разработанного программного обеспечения. Задание постоянного измерительного тока через образец осуществлялось стабилизированным источником тока с точностью не хуже 0,01 %. При записи вольт-амперных характеристик использовался управляемый источник тока с максимальным током 1 А и скоростями развертки 10-6…10 А/мин. Температура сверхпроводящего перехода Тс определялась по середине резистивного перехода; значение критического тока – по появлению на образце напряжения 0,2 … 0,3 мкВ. Ширина мостика, через который протекал измерительный ток, W=140 мкм для образца №1 и W=270 мкм для образца №2. На рис.1, а, б приведены дифрактограммы от сверхрешеток Nb-Ti/Ti, отличающихся друг от друга величиной периода L=dN+dS. Наличие пиков на малых углах скольжения свидетельствует о периодичности расположения слоев, а асимметрия дифракционных максимумов в сторону больших углов указывает на увеличение периода сверхрешетки в направлении от подложки к поверхности пленки. Малое количество порядков отражения может быть обусловлено также 85 шероховатостью границ раздела слоев. Хотя шероховатость в данной работе не изучалась, развитый рельеф интерфейса наблюдался в [8], где методом просвечивающей электронной микроскопии поперечного среза показана структурная неоднородность границ раздела в многослойной композиции Nb-Ti/Ti. Электронно-микроскопические исследования структуры и фазового состава единичных слоев Ti и Nb-Ti представлены на рис.2. Прежде всего обращает на себя внимание не свойственная для α- Ti дифракционная картина, которую можно интерпретировать, как отражения от окисла TiO c кубической кристаллической решеткой типа NaCl. Однако экспериментально найденное значение периода решетки а=0,429 нм существенно превышает величину, приведенную для TiO в справочной литературе (а=0,418 нм). Структура пленки очень дисперсная, средний размер зерна не превышает 5 нм. В отличие от единичного слоя титан в сверхрешетке не теряет свою индивидуальность. По данным рентгеновской дифрактометрии титан в слоях сверхрешетки имеет свойственную для массивного состояния низкотемпературную кристаллическую ГПУ–модификацию, но с увеличенными параметрами а и с. Если предположить, что изменение параметров кристаллической решетки обусловлено только растворенным в ней кислородом, то средняя концентрация его составляет ∼5…6 ат.%. 1 2 3 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0,01 0,1 1 а И нт ен си вн ос ть , о тн .е д. 2Θ , град. 0 1 2 3 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0,01 0,1 б И нт ен си вн ос ть , о тн .е д. 2Θ , град. Рис.1. Дифрактограммы сверхрешеток Nb-Ti/Ti в излучении СuKα1. Период сверхрешетки L=20 нм для образца №1 (а) и L=30 нм для образца №2 (б) По данным электронной микроскопии и рентгеновской дифракции ОЦК-решетка для Nb-Ti- сплава наблюдается как в слоях сверхрешетки, так и в единичной пленке, а средний размер зерна составляет ∼15 нм, что значительно превышает размер зерен в слоях Ti. Переход сверхрешетки Nb-Ti/Ti в сверхпроводящее состояние в различных по величине магнитных полях показан на рис.3. Узость резистивного перехода (ΔТс= 0,05 К) и отсутствие влияния транспортного тока на форму перехода говорят о высокой однородности образца, а небольшие значения плотности критического тока по сравнению с приведенными в [8], скорее всего, лимитируются не очень высокой температурой сверхпроводящего перехода в нулевом магнитном поле. 86 Рис.2. Электронно-микроскопическое изображение и электронная дифракция единичных слоев: а - провзаимодействовавший с газовыми примесями Ti, б - сверхпроводник Nb-Ti 4 5 6 7 8 9 10 11 0 10 20 30 а H = 0 Tл H = 2 Tл R , О м T,K 0,0 4,0x104 8,0x104 1,2x105 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 б H = 3,08 Tл H = 4,17 Tл H = 5,38 Tл V, м кВ I, мкА Рис.3. Переход в сверхпроводящее состояние (а) и ВАХ (б) сверхрешетки Nb-Ti/Ti с периодом L=30 нм в различных по величине магнитных полях, ориентированных параллельно плоскости образца и измерительному току через образец Таким образом, на основании результатов исследования можно сделать следующие выводы. Во-первых, насыщение Ti кислородом происходит в основном не в процессе осаждения слоев, а во время их контакта с атмосферой воздуха. Во вторых, слои Nb-Ti частично ослабляют диффузию кислорода вглубь сверхрешетки и, таким образом, выполняют роль диффузионного барьера. Разная степень насыщения слоев Ti кислородом в зависимости от глубины их залегания в сверхрешетке приводит к разному изменению удельного объема слоев и, как следствие, к увеличению периода сверхрешетки в направлении от подложки к свободной поверхности. Работа выполнена в рамках программы CRDF (проект UE2-2071). Литература 1. P.J.Lee, D.C.Larbalestier and Mc Kinnel. High titanium Nb-Ti allous - initial microstructural studies // Advanced Cryogenics Engineering Materials. 1988, v.34, p. 967-974. 2. L.Chengren and D.C.Larbalestier. Development of higt critical current densities in niobium 46,5wt% titanium.// Cryogenics. 1987, v.27(3), p.171 3. О.В.Черный, Г.Е.Сторожилов, Г.Ф.Тихинский, В.Ф.Гогуля, В.Л.Метте. Получение Nb-Ti сверхпроводников с высокой плотностью тока // Cryogenics. 1992, v.32 ICMC Supplement, p.601-604. 4. A.Кемпбелл, Дж. Иветс. Критические токи в сверхпроводниках. М.:”Мир”,1975. 5. C.Meingast, P.J.Lee and D.C.Larbalestier. Quantitative description of a high Nb-Ti superconductor during its final optimization strain, cross section structure, TC, HC2 and resistivity // J. Appl. Phys. 1989, v.66, p.5962- 87 5970. 6. K.Matsumoto, H.Takewaki and Y.Tanaka. Enchanced jc properties in superconducting Nb- Ti composites by introducting Nb artifical pins with a layer structure // Appl. Phys. Lett. 1994, v.64(1), №3, p.155-117. 7. L.D.Cooley, P.J.Lee, and D.C.Larbalestier. Flux-pinning mechanism of proximity-coupled planar defects in conventional superconductors : Evidence that magnetic pinningis the dominant pinning mechanism in niobium-titanium alloy // Phys. Rev. B. 1996, v.53, p.6638-6652. 8. L.D.Cooley, C.D.Hawes, P.J.Lee, and D.C.Larbalestier. Superconducting properties and critical current density of Nb-Ti/Ti multilayers.// IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 1999, v.9, №2, p.1743-1746. 88