تهیة فیلم های نازک ابررسانای گرم

چکیده: در این مقاله طرز تهیة فیلم های نازک ابررسانای گرم از نوع BA: CA: CU: O :π با استفاده از تبخیر فلزات به روش باریکة الکترونی در خلأ (TORR 6-10×2) گزارش می شود. ابتدا لایه های فلزات تالیم، باریم، کلسیم، و مس به طور متناوب روی ورقة نازک سرامیک نشانده می شود. سپس فیلم نازک در دمای حدود C 800 و در غیاب منبع خارجی تالیم اضافی حرارت داده می شود تا ابررسانای گرم تشکیل شود. فیلم هایی که به این طریق تهیه می‌شوند، نسبت به فیلم هایی که مرحلة گرمادهی آنها به طریق معمول در حضور منبع اضافی تالیم انجام می‌شود، ترکیب شیمیایی یک نواخت‌تر و سطح صافتری دارند.
1.مقدمه
از ابتدای کشف ابررساناهای گرم، مواد O ـCU ـCA ـ BA ـTI به صورت کپه‌ای، به علت پایین بودن چگالی جریان بحرانی (JC) و غیرقابل انعطاف بودن مورد توجه زیاد برای استفادة گسترده در صنعت قرار نگرفت.در عوض فیلم های نازک این مواد به علت داشتن چگالی جریان بحرانی زیاد ـ حدود 107 آمپر بر سانتی‌متر‌مربع ـ مورد توجه زیادی در تکنولوژی واقع شده است. فیلم های نازک این ماده به روش های مختلف رشده داده شده‌اند. ما برای تهیة فیلم های نازک از تبخیر با باریکة الکترونی با بعضی اصلاحات در روش های متداول استفاده کرده‌ایم.
2.تهیة فیلم های نازک
به طور کلی تهیة فیلم های نازک ابررسانای O ـ CU ـ CA ـ BA ـ TI در دو مرحلة مجزا صورت می‌گیرد.
مرحلة اول.لایه نشانی: لایه های مختلفی از فلزات به ضخامت های 170 آنگستروم‌مس، 740 آنگستروم‌باریم، 500 آنگستروم‌کلسیم، و 300 آنگستروم‌تالیم به روش تبخیر باریکة الکترونی در خلأ روی یک زیر لایة سرامیکی (به ابعاد یک سانتی‌متر در یک سانتی‌متر) مثل اکسید منیزیم (MGO) یا اکسید آلومینیم ولانتام (LaAlO3) نشانده می‌شوند. هر لایه‌ای متناوباً سه بار تکرار می‌شود. چون مس دیرتر از همه اکسید می‌شود لایه‌ها از مس شروع و به مس ختم می‌شوند.
مرحلة دوم. گرمادهی: این مرحله در تشکیل اکسید فلز و تولید ابررسانای گرم نقش اساسی دارد. فیلم لایه‌گذاری شده در کورة مخصوص گذاشته شده و در محیط هوا یا اکسیژن در دمای بین C 750 تا C 890 به مدت 5 تا 15 دقیقه حرارت داده می‌شود. چون تالیم فشار بخار زیادی دارد و بشدت سمی است باید کوره را در محفظة مخصوصی به دقت محصور کرد.
فلز تالیم نقطة ذوب خیلی پایینی (حدود C300 در فشار جو) دارد. این امر موجب فرار تالیم در مرحلة گرمادهی و از دست رفتن ابررسانایی می‌شود. برای جبران تالیم از دست رفته معمولاً مقداری مواد ابررسانا به صورت کپه‌ای در مجاورت فیلم قرار داده می‌شود. فیلم تهیه شده به طریق فوق اگرچه دارای خواص ابررسانایی با چگالی جریان نسبتاً خوب است ولی سطح ناصافی دارد و ترکیب آن از لحاظ شیمیایی یکنواخت نیست، این امر باعث مشکلات فراوان بخصوص در مورد کاربرد این فیلم ها در سیستم های میکروموج از نظر مقاومت سطحی و اتلاف انرژی می‌شود. برای رفع مشکل، ما در مرحلة گرمادهی از ابررسانای کپه‌ای استفاده نمی‌کنیم و در عوض برای جبران تالیم از دست رفته ضخامت لایة تالیم را از ابتدا سه برابر (حدود 900 آنگستروم) می‌گیریم. سرانجام فیلم نازک را در ورقة طلا می‌پیچیم و تا حدود C820 به مدت 4 دقیقه حرارت می‌دهیم تا فیلم نارک ابررسانا تشکیل شود.
3.تحلیل کیفیت
با روش های مختلف تحلیل، می‌توان کیفیت ابررسانندگی این فیلم ها را سنجید. اولین آزمایش سریع، اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی با استفاده از اهم‌متر در دمای اتاق است. نمونه‌هایی که مقاومت الکتریکی آن ها (بین دو نقطه در کمترین فاصلة مقدور) کمتر از 100 اهم باشد دارای خاصیت ابررسانایی قوی و آن هایی که مقاومت الکتریکی‌شان حدود 500 اهم باشد خاصیت ابررسانایی ضعیف دارند. مقاومت الکتریکی بیش از 2000 اهم به معنی فقدان ابررسانایی است. هم چنین با اندازه‌گیری های دقیقتر در دماهای پایینتر با استفاده از وسایل استاندارد (چهار میله) نتیجه گرفتیم که مقاومت الکتریکی نمونه‌های ما در دمای حدود k101 به صفر می‌رسد. منحنی تغییرات مقاومت الکتریکی در دماهای مختلف در شکل1 و منحنی چگالی جریان بحرانی بر حسب دما در شکل2 نشان داده شده است.
از پراش سنجی پرتوایکس (XRD) نیز برای بررسی ساختار بلوری فیلم ها و از دستگاه تحلیل میکروالکترونی برای اندازه‌گیری غلظت عناصر مختلف نمونه‌ها استفاده شده است. نتایج دو آزمایش فوق نشان می‌دهد که فرمول شیمیایی فیلم های ساخته شده مخلوطی از ابررساناهای گرم TI2 BA2 CA1CU2 OX و TI1 BA2 CA2 CU2OX است.
4.نتیجه‌گیری
اگرچه تحلیل های فوق نشان داده است که تهیة فیلم نسبتاً خوب از مواد TI: BA: CA: CU: O با سطح صاف و ترکیب شیمیایی یکنواخت امکان دارد ولی برای حذف ناخالصی ها هنوز باید تحقیقات بیشتری انجام شود. حذف ناخالصی ها احتمالاً با تغییر دما و فشار گاز اکسیژن در مرحلة گرمادهی امکان‌پذیر خواهد بود.