Способ синтеза сверхпроводящего интерметаллического соединения в пленках

Изобретение относится к области получения сверхпроводников и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности при получении сверхпроводящего интерметаллического соединения внутри пленочного несверхпроводящего покрытия. Способ включает совместное ионно-плазменное распыление мишеней и последующую обработку покрытия для инициирования реакции образования интерметаллического соединения. При ионно-плазменном распылении мишеней осуществляют осаждение на подложку исходных металлов в виде пленочного покрытия из твердого раствора металлов. Обработку пленочного покрытия осуществляют воздействием потока ионизирующих частиц с энергией, достаточной для диссипации на заданной глубине от поверхности покрытия и инициирования реакции интерметаллизации. В результате инициирования реакции интерметаллизации получают сверхпроводящее интерметаллическое соединение внутри пленочного несверхпроводящего покрытия. Техническим результатом изобретения является разработка способа синтеза сверхпроводящего интерметаллического соединения внутри пленочного несверхпроводящего покрытия.

 

Изобретение относится к области получения сверхпроводников и может быть использовано в электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности при получении сверхпроводящего интерметаллического соединения внутри пленочного несверхпроводящего покрытия.

Известен способ синтеза интерметаллических соединений (Н. Holleck, H. Novotny, F. Benesovsky. Intermetallsche Phasen mit β-Wolfram-Struktur (V₃Pb, Nb₃Pb und V₃Cd). Monatshefte fur Chemie, 1963, В.94, s.474.), включающий смешение порошка ниобия и тонкой проволоки из свинца, прессование и термообработку при температуре 1500°С и давлении 200 атм и последующую гомогенизацию соединения при 1100°С. Формирование сверхпроводника внутри пленочного несверхпроводящего покрытия этим способом не представляется возможным из-за технических трудностей создания локальных температурных участков при термическом инициировании реакции интерметаллизации.

Известен также способ синтеза интерметаллического соединения (Угольникова Т.А. и Моисеева А.И. Температурные условия осаждения Nb₃Sn из газовой фазы. Сверхпроводящие сплавы и соединения. Труды VI Всесоюзного совещания по проблеме сверхпроводящих материалов. М., Наука, 1972, с.49-54), включающий совместное осаждение металлов на нагретую подложку (при 780°С) путем восстановления летучих хлоридов в токе водорода. Непосредственное получение интерметаллического соединения при осаждении металлов на подложку в этом случае исключает возможность получения покрытия с участками разной проводимости.

В способе изготовления соединенных с металлом керамических сверхпроводящих нитей (патент США №5166131, кл. Н 01 L 39/24, опубл. 1994) при изготовлении керамических сверхпроводниковых нитей на электропроводящую металлическую подложку непосредственно укладывают в заданной конфигурации порошок сверхпроводящего керамического материала, после чего расплавляют порошок, нагревая его сфокусированным лучом лазера, перемещаемым по подложке по траектории, повторяющей заданную конфигурацию. Мощность луча и скорость его перемещения регулируют так, чтобы при расплавлении порошка сверхпроводникового материала не происходило расплавление подложки. После затвердевания расплава сверхпроводникового материала этот материал и подложку закрывают электропроводным металлом, получая сандвич, в котором сверхпроводящая керамика вложена между базовой металлической подложкой и покровным слоем металла. Способ позволяет разместить сверхпроводящий слой между несверхпроводящими подложкой и покровным слоем, однако отличается сложностью, и им невозможно осуществить синтез интерметаллида внутри пленочного покрытия после формирования последнего.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ синтеза сверхпроводящих интерметаллических соединений (Патент Российской Федерации №2221889, кл. С 22 С 1/10, С 23 С 14/14, опубл. 20.01.2004), включающий совместное осаждение путем ионно-плазменного распыления мишеней исходных металлов с получением пересыщенного твердого раствора и его последующую термообработку для инициирования реакции интерметаллизации. Данный способ предусматривает термическое инициирование реакции получения интерметаллического соединения и не может быть использован для получения сверхпроводящей фазы внутри несверхпроводящей пленочной фазы после ее формирования из-за невозможности создания необходимого градиента температуры по толщине пленочного покрытия для предотвращения перехода всего твердого раствора в интерметаллид.

Задачей изобретения является разработка способа синтеза сверхпроводящего интерметаллического соединения внутри пленочного несверхпроводящего покрытия.

Это обеспечивается в способе синтеза сверхпроводящего интерметаллического соединения в пленках, включающем совместное ионно-плазменное распыление мишеней исходных металлов с осаждением на подложку в виде пленочного покрытия из твердого раствора металлов и последующую обработку покрытия для инициирования реакции образования интерметаллического соединения, в котором обработку пленочного покрытия осуществляют воздействием потока ионизирующих частиц с энергией, достаточной для диссипации на заданной глубине от поверхности покрытия и инициирования реакции интерметаллизации с получением сверхпроводящего интерметаллического соединения внутри пленочного несверхпроводящего покрытия.

Суть изобретения заключается в следующем.

Облучение предварительно сформированного твердого раствора металлов в пленочном покрытии с концентрацией элементов, близкой к стехиометрической для данного интерметаллического соединения, потоком ионизирующих частиц с определенной энергией позволяет проникать частицам на заданную глубину несверхпроводящего покрытия и при диссипации (рассеянии) энергии на этой глубине инициировать реакцию образования интерметаллического сверхпроводящего соединения только на этой глубине от поверхности. При этом твердый раствор, расположенный в пленке над зоной рассеяния энергии ионизирующих частиц и ниже глубины рассеяния энергии частиц до подложки, остается в исходном состоянии несверхпроводящим.

Облучение пленочного покрытия потоком ионизирующих частиц с определенной энергией в заданных условиях обеспечивает необходимую полноту превращения твердого раствора в сверхпроводящий интерметаллид, размещенный между несверхпроводящими слоями покрытия.

Примеры осуществления способа.

Способ применен при получении сверхпроводящего интерметаллического соединения Nb₃Sn и Nb₃Al внутри пленочного несверхпроводящего покрытия из твердых растворов олова в ниобии и алюминия в ниобии. Порядок операций, условия синтеза и его результаты приведены ниже. При ионно-плазменном формировании твердого раствора в качестве плазмообразующего газа использован аргон, подвергнутый очистке от примесей с использованием геттера - распыленного титана.

При получении Nb₃Sn ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и олова и последующим совместным осаждением на подложку из ленточной меди сформирован твердый раствор олова в ниобии, содержащий 24,3 ат.% олова толщиной 5 мкм.

Пленка твердого раствора на медной подложке размещена на водоохлаждаемом столе и подвергнута облучению потоком протонов с энергией 450 кэВ в течение 24 часов, при этом флюенс составил 1·10¹⁹ р⁺/см². Рассеяние энергии потока протонов происходило на глубине 2,5 мкм от поверхности покрытия внутри него. Температура подложки в процессе облучения не превышала 50°С. В результате данных рентгеноструктурного анализа с разной глубиной зондирования, выполненного на кобальтовом, медном и молибденовом излучении, установлено, что на глубине 2,5±0,3 мкм от поверхности получено интерметаллическое соединение Nb₃Sn с параметром кубической решетки a=0,5289±0,0002 нм (сверхпроводящая фаза) при степени превращения твердого раствора в интерметаллид не менее 30%.

При получении Nb₃Al ионно-плазменным распылением мишеней из ниобия и алюминия и последующим соосаждением на подложку из ленточной меди сформирован твердый раствор алюминия в ниобии, содержащий 25,1 ат.% алюминия толщиной 6 мкм.

Пленка твердого раствора на медной подложке размещена на водоохлаждаемом столе и подвергнута облучению потоком протонов с энергией 450 кэВ в течение 24 часов при флюенсе 1·10¹⁹ р⁺/см². Рассеяние энергии потока протонов происходило на глубине 2,6 мкм от поверхности покрытия внутри него. Температура подложки в процессе облучения не превышала 50°С. В результате данных рентгеноструктурного анализа с разной глубиной зондирования установлено, что на глубине 2,6±0,3 мкм от поверхности получено интерметаллическое соединение Nb₃Al с параметром решетки a=0,5176±0,0014 нм (сверхпроводящая фаза) при степени превращения твердого раствора в интерметаллид не менее 30%.

Таким образом, облучение твердого раствора металлов с концентрацией элементов, соответствующей стехиометрическому для интерметаллического соединения, потоком ионизирующих частиц с энергией, достаточной для диссипации на определенной глубине от поверхности покрытия, позволяет синтезировать сверхпроводящее соединение и разместить его внутри несверхпроводящей фазы в пленочном покрытии.

Способ синтеза сверхпроводящего интерметаллического соединения в пленках, включающий совместное ионно-плазменное распыление мишеней исходных металлов с осаждением на подложку в виде пленочного покрытия из твердого раствора металлов и последующую обработку покрытия для инициирования реакции образования интерметаллического соединения, отличающийся тем, что обработку пленочного покрытия осуществляют воздействием потока ионизирующих частиц с энергией, достаточной для диссипации на заданной глубине от поверхности покрытия и инициирования реакции интерметаллизации с получением сверхпроводящего интерметаллического соединения внутри пленочного несверхпроводящего покрытия.