10 minute read
Prof. habil. dr. Adulfas ABRUTIS
Vilniaus universiteto Chemijos fakultete, prof. habil. dr. A. Abruèio vadovaujamoje MOCVD laboratorijoje, jau apie 13 metø tiriama, kaip galima auginti ðiuolaikiniø medþiagø plonus sluoksnius ið cheminiø garø fazës. Tai daugiausia oksidinës medþiagos, pasiþyminèios ávairiomis funkcinëmis savybëmis, kurias galima plaèiai taikyti ðiuolaikinëse technologijose. Ákurti naujà laboratorijà ir pradëti naujà mokslo kryptá Lietuvoje buvo nelengva, taèiau átemptà deðimtmeèio darbà vainikavo sëkmë. Laboratorija dabar turi modernià technologinæ ir tyrimø árangà, yra sukûrusi naujø technologijø ir jau gerai þinoma pasaulyje. Laimëti keturi Europos Sàjungos bendrøjø mokslo programø grantai (FP4, du FP5 ir FP6), sudaryti naudingi moksliniø tyrimø kontraktai su uþsienio aukðtøjø technologijø firmomis. Paskelbta apie 60 moksliniø darbø tarptautiniuose þurnaluose, kartu su prancûzø mokslininkais uþpatentuotos dvi technologijos, kuriø viena jau ádiegta pramoniniuose reaktoriuose (vokieèiø firma „Aixtron“). Laboratorijoje daktaro disertacijas apsigynë V. Kubilius, A. Teiðerskis, S. Pasko, V. Plauðinaitienë. Laboratorijoje ðiuo metu dirba dr. V. Kubilius, dr. Z. Ðaltytë, dr. V. Plauðinaitienë, doktorantai A. Bartaðytë-Kizienë ir L. Parafianoviè. Didþiausi laboratorijos laimëjimai susijæ su aukðtatemperatûriø superlaidininkø plonø sluoksniø ir jø daugiasluoksniø sandarø su kitais oksidais sinteze ið cheminiø garø fazës.
Advertisement
Kas yra superlaidininkai ir aukðtatemperatûriai superlaidininkai?
Superlaidininkas netenka pasiprieðinimo elektros srovës tekëjimui (varþos) atauðinus já iki tam tikros superlaidþiai medþiagai bûdingos temperatûros, vadinamos krizine (T c ). Iki 1986 m. superlaidumo reiðkinys buvo nustatytas tik metaluose ir lydiniuose. Norint pervesti tokias medþiagas á superlaidø bûvá, reikia labai brangaus ðaldanèio agento – skysto helio, ir tai labai riboja tokiø superlaidininkø praktiná pritaikymà. Ilgai nepavyko gauti medþiagø su þymiai aukðtesne krizine temperatûra, kol 1986 m. ðveicarø mokslininkai J. G. Bednorzas ir K. A. Mülleris (Nobelio premija 1987 m.) susintetino La-Ba-kupratà (La 1.85 Ba .15 )CuO 4 , kurio krizinë temperatûra 30 K. Tai buvo revoliucinis atradimas, parodæs, jog superlaidumo reiðkinys gali bûti bûdingas ir metalø oksidams. Pradëjus intensyviai tirti oksidines medþiagas, buvo susintetinta daug superlaidþiø oksidø, tarp jø ir YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, 1987 m.), kurio krizinë temperatûra gerokai virðijo skysto Pav. 1. Superlaidininkø krizinës azoto virimo temperatûros T c (K) augimas temperatûrà (77 K arba –196 °C).
Skystas azotas yra pigus ðaldomasis agentas, tad taip sintetinant atsivërë didþiulës superlaidininkø praktinio pritaikymo galimybës. Aukðtatemperatûriais superlaidininkais (ATS) dabar vadinami superlaidininkai, kuriø krizinë temperatûra aukðta, virðija skysto azoto virimo temperatûrà. Per keletà metø buvo susintetinta daug kitø oksidiniø faziø, pasiþyminèiø dar aukðtesnëmis krizinëmis temperatûromis (1 pav.). Dabar þinoma daugybë superlaidininkø, taèiau didþiausiomis krizinëmis temperatûromis vis dar pasiþymi vario turintys junginiai (kupratai). Dël santykinai lengvesnës sintezës, stabilumo, maþesnio komponentø toksiðkumo bei didelio krizinio srovës tankio YBCO superlaidininkas ir dabar sulaukia daugiausia dëmesio.
Superlaidininkø taikymai: nuo itin greitø traukiniø iki magnetinio rezonanso skeneriø
Viena ið srièiø, kurioje superlaidininkø panaudojimas gali duoti didþiausià ekonominá efektà – dideliø sroviø technika arba elektros energetika. Dël superlaidininkø gebëjimo iðlaikyti didelius srovës tankius didelio galingumo magnetiniuose laukuose juos galima panaudoti elektros energijos generavimo, transportavimo ir vartojimo objektuose (2 pav.). ATS gali bûti taikomi poþeminiams didelës galios elektros kabeliams gaminti. Tokie kabeliai gali be nuostoliø transportuoti 3–5 kartus didesnes sroves negu áprasti kabeliai. Ið ATS pagaminti daugiagysliai kabeliai yra lankstûs, stiprûs ir patvarûs. Transformatoriai ATS pagrindu yra efektyvûs, lengvi, kompaktiðki ir ekologiðki, tad manoma, kad jie greitai nukonkuruos alyvinius transformatorius. Dël panaðiø prieþasèiø ATS yra labai perspektyvûs gaminant ðiuolaikiniø motorø rotoriø ir elektros generatoriø vijas. Tikimasi, kad „superlaidûs“ magnetinës levitacijos traukiniai (MAGLEV) iðvystys 500 km/ val. ar net didesná greitá. Greitaveikiai srovës saugikliai (srovës ribotuvai) ATS vijø pagrindu gali efektyviai apsaugoti árangà nuo perkrovos sroviø. Vienas áspûdingiausiø superlaidininkø pritaikymø atvejø – magnetinio rezonanso skenavimo áranga, naudojama medicinoje.
Kodël reikalingi ploni superlaidininkø sluoksniai
Daugelio medþiagø specifinës funkcinës savybës, svarbios praktikai, ypaè iðryðkëja ar net atsiranda tik jø labai plonuose sluoksniuose (nuo keliø nanometrø iki keliø mikrometrø storio). Pvz., aukðtatemperatûriø superlaidininkø (YBCO ir kitø) savybë, labai svarbi praktiniam taikymui, yra kuo didesnis krizinis srovës tankis, leidþiantis be nuostoliø transportuoti dideles sroves. Taèiau didelës srovës superlaidininke gali tekëti tik tuo atveju, kai medþiagos kristalitai yra orientuoti viena kryptimi ir tarp jø nëra didelio kampo sandûrø. Polikristaliniame masyviame medþiagos pavyzdyje kristalitai iðsidëstæ chaotiðkai, tad silpnos jungtys tarp jø nulemia nedidelæ krizinæ srovæ.
Atrodytø, kad idealus bûtø superlaidininko monokristalas, turintis vientisà kristalinæ struktûrà. Taèiau krizinis srovës tankis superlaidininko monokristale nëra didelis, nes didelë krizinë srovë pasireiðkia tik superlaidininke, turinèiame struktûroje pakankamai defektø, tarnaujanèiø vadinamaisiais „pinning“ centrais, prie kuriø „prirakinami“ á superlaidininkà prasiskverbiantys magnetiniai sûkuriai. Plonà superlaidininko sluoksná, parinkus sàlygas ir padëklà, galima uþauginti epitaksiðkai, t. y. jame gauti vieningà, padëklo struktûros nulemtà kristalitø orientacijà, be to, sluoksnyje ámanoma sukurti mikrostruktûros defektus („pinning“ centrus), padidinanèius krizinæ srovæ.
Plonuose sluoksniuose pasiekiami didþiausi kriziniai srovës tankiai. Todël ATS taikymo perspektyvos labiau siejamos su jø panaudojimu plonø plëveliø forma ávairiose srityse: mikroelektronikoje ir metrologijoje, informacijos ir ryðiø sistemose, radioastronomijoje, bio
medicinoje, optikoje ir t. t. Tai ávairûs davikliai, pasyvûs ar aktyvûs mikrobangiai komponentai (elektromagnetiniai ekranai, superaukðto daþnio (SAD) ir impulsiniø signalø komutatoriai, moduliatoriai, superjautrûs SAD parametriniai stiprintuvai, maiðytuvai, videodetektoriai), analoginës ir loginës schemos (supergreiti preciziniai stroboskopiniai analoginiai-skaitmeniniai keitikliai, supergreiti loginiai valdikliai, kompiuteriai). Be to, ATS ploni sluoksniai gali bûti panaudoti ir didelës galios elektromagnetinëje árangoje. Pvz., vietoj laidø, kabeliø, suformuotø ið polikristalinio superlaidininko, galima panaudoti jo plonus sluoksnius, nusodintus ant ilgø lanksèiø metaliniø juostø. Jei ant metalo juostos nusodintas ATS sluoksnis yra orientuotas, jo krizinës srovës tankis gali virðyti 1 MA/cm 2 stipriame magnetiniame lauke, t. y. jis yra 3–4 eilëmis dides
Pav. 2. Ávairûs galimi superlaidininkø pritaikymo atvejai didelës galios árangoje: a) superlaidûs kabeliai, b) daugiagysliai lankstûs superlaidûs kabeliai, c) transformatoriai, d) motorai, e) srovës generatoriai, f) magnetinës levitacijos traukiniai, g) srovës ribotuvai, h) magnetinio rezonanso skeneriai. Ðaltinis: http://www.ornl.gov/sci/htsc/documents/superconductivityposter.pdf
nis negu ið polikristalinio superlaidininko pagaminto laido. Tai leidþia gerokai padidinti elektromagnetinës árangos galià. Pastaruoju metu tyrimai ðioje vadinamojoje „coated conductors“ srityje vykdomi labai intensyviai, investuojamos didþiulës lëðos. Perspektyvi ir plaèiai tiriama plonø sluoksniø taikymø sritis – panaudoti ATS plonasluoksniuose didelës galios srovës ribotuvuose.
Suformuoti ATS struktûrà nelengva
ATS struktûra yra gana sudëtinga (3 pav.), tai daugiakomponenèiai oksidai, sudaryti ið 3–6 cheminiø elementø. Tai sluoksniuotos struktûros medþiagos, kurias galima ásivaizduoti kaip didþiulá sumuðtiná. Jame Cu ir O atomø sluoksniai kaitaliojasi su kitø elementø sluoksniais.
Suformuoti tokià sudëtingà struktûrà ant padëklo auginamame ploname sluoksnyje, iðgauti vieningà kristalitø orientacijà (epitaksijà), nuo kurios priklauso didelis krizinis srovës tankis, nëra lengvas uþdavinys. Sluoksniø auginimo metodas turi leisti tiksliai kontroliuoti daugiakomponenèio oksido sluoksnio sudëtá, augimo greitá, storá, be to, praktiniams taikymams svarbi galimybë tolygiai padengti didelius ir daþnai ne plokðèius pavirðius, taip pat technologijos kaina. Ðiuo metu ATS sluoksniai daþniausiai auginami ið fiziniø garø (PVD – Physical Vapour Deposition) ar cheminiø garø (CVD – Chemical Vapour Deposition).
CVD technologijø privalumas –lankstesnë sluoksnio sudëties ir augimo greièio kontrolë, didesni augimo greièiai, þymiai tolygesnis erdviniø elementø padengimas integralinëse schemose, maþesnë árangos kaina (nereikia gilaus
vakuumo). Todël CVD metodai patrauklesni pramoniniams taikymams negu PVD metodai. CVD principas ið pirmo þvilgsnio gana paprastas. Elementø – sluoksnio komponentø – dujiniai junginiai arba junginiø garai ið jø ðaltiniø transportuojami (ðildomais takais) dujø srautu á kolektoriø, kur jie sumaiðomi, po to miðinys neðamas á reaktoriø prie karðto padëklo, ant kurio pavirðiaus garai skyla ir auga oksido plëvelë.
Auginant aukðtatemperatûriø superlaidininkø sluoksnius (pvz., YBCO) pradiniais junginiais daþniausiai naudojami kieti metalø (Y, Ba, Cu) organiniai junginiai (MO junginiai), kurie garinami kaitinant, o garai transportuojami á reaktoriø prie karðto padëklo. Toks CVD atvejis vadinamas MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition). Norint gauti reikiamos sudëties ir struktûros sluoksná, bûtina tiksliai kontroliuoti garø fazës sudëtá ir daug kitø parametrø. Daugiakomponentës medþiagos sintezëje naudojami skirtingø metalø MO junginiai pasiþymi skirtingomis savybëmis (stabilumu, terminiu patvarumu, lakumu ir kt.), kurias nëra lengva suderinti tame paèiame MOCVD procese. Tinkamø MO junginiø ilgos paieðkos buvo pagrindinë prieþastis, dël kurios pirmi aukðtos kokybës ATS sluoksniai MOCVD bûdu buvo gauti vëliau negu PVD metodais.
Pav. 3. YBa 2 Cu 3 O 7 struktûra. Kairëje – elementarusis ortorombinës gardelës narvelis, deðinëje – perspektyvinis gardelës vaizdas. Nedideli geltoni rutuliukai – Y 3+ jonai, didesni oranþiniai – Ba 2+ jonai, maþi mëlyni – Cu jonai ir maþi raudoni – O 2- jonai. Mëlynos piramidës vaizduoja vario jonus, koordinuotus penkiais oksido jonais.
Prof. A. Abruèio laboratorijai bendradarbiaujant su Grenoblio politechnikos instituto Medþiagø laboratorija, 1993 m. buvo sukurta nauja MOCVD modifikacija – impulsinis injekcinis MOCVD, kuris abiejose laboratorijose buvo iðvystytas iki universalios nusodinimo ið cheminiø garø technologijos, tinkanèios ávairiausiø funkciniø oksidø sluoksniams ir jø daugiasluoksnëms sandaroms nusodinti. Ðis metodas pagrástas naujais technologiniais principais, kurie leidþia iðvengti MO junginiø cheminio kitimo garinant, bûdingo klasikiniam MOCVD metodui, be to, þymiai palengvëja garø fazës sudëties kontrolë. Tai leido padidinti sluoksniø savybiø pasikartojimà. Ðio metodo ypatybë – sluoksnis auginamas impulsais, kuriø kiekvienas atitinka tam tikrà uþauginto sluoksnio storá, kurá galima kontroliuoti nuo angstremo daliø iki nanometrø. Keièiant injekcijos parametrus, galima plaèiose ribose (~1-1000 nm/min) keisti sluoksnio augimo greitá.
Panaudojant naujà MOCVD metodà, prof. A. Abruèio laboratorijoje buvo paruoðta daug technologijø aukðtos kokybës ðiuolaikiniø funkciniø medþiagø sluoksniams bei jø daugiasluoksnëms sandaroms ir supergardelëms nusodinti. Pvz., esant 800–825 °C temperatûrai, buvo uþauginti aukðtatemperatûrio superlaidininko YBCO (ir SmBCO) epitaksiniai sluoksniai, pasiþymintys aukðta krizine temperatûra (T c ~92-93 K), labai staigiu virsmu á superlaidþià bûsenà (DT~0.1-0.2 K), rekordiniais kriziniais srovës tankiais (J c ~6 MA/cm 2 esant 77 K). Metodas leidþia uþauginti panaðiø charakteristikø tolygius YBCO sluoksnius ant didelio pavirðiaus (3 coliø diametro) monokristaliniø padëklø. Nusodinti YBCO sluoksniai turëjo didelæ paklausà taikomiesiems tyrimams (Vilniaus puslaidininkiø fizikos institutas, SIEMENS ir THEVA firmos, Prancûzijos, JAV, Izraelio mokslo ástaigos ir firmos). Laboratorijoje buvo atlikta daug tyrimø ir YBCO padengtø laidininkø
srityje didelës galios pritaikymams. Gauti orientuoti YBCO sluoksniai ant lanksèiø nikelio padëklø pasiþymëjo dideliu kriziniu srovës tankiu (~ 1 MA/cm 2 ).
Vilniaus universiteto MOCVD laboratorijoje buvo atlikta daug tyrimø, siekiant sujungti á daugiasluoksnæ sandarà aukðtatemperatûrá superlaidininkà YBCO ir kolosaliu magnetovarþiniu efektu pasiþymintá lantano manganità La 1-x Sr x MnO 3 . Ðis manganitas feromagnetiniame bûvyje turi gerokai didesná elektronø poliarizacijos laipsná negu kiti metaliniai ar oksidiniai laidininkai. Pirmà kartà MOCVD bûdu buvo gautos feromagnetiko/dielektriko/superlaidininko struktûros, ið kuriø pagamintame prietaise buvo nustatytas poliarizuotø kvazidaleliø injekcijos ið feromagnetiko á superlaidininkà reiðkinys, pagrástas kvazidaleliø tuneliavimu per plonà (~5 nm) dielektriko sluoksná. Ðio reiðkinio egzistavimas struktûrose leidþia efektyviai valdyti superlaidumo parametrus ir yra perspektyvus taikymams spintronikoje (elektronø sukiniø manipuliavimu pagrástoje elektronikoje).
Bendradarbiaujant su Grenoblio politechnikos instituto mokslininkais buvo uþaugintos aukðtos kokybës epitaksinës oksidinës supergardelës. Tokios supergardelës labai reikalingos tiek fundamentaliems tyrimams, tiek praktiniams pritaikymams. Ðios superstruktûros yra sudarytos ið pakaitomis einanèiø dviejø medþiagø plonø sluoksniø (nuo keliø iki keliasdeðimt nanometrø), turinèiø tam tikrà skaièiø kristalinës gardelës elementariø narveliø. Tokia dviejø medþiagø (pvz., superlaidininkas/dielektrikas) struktûriniø elementø kombinacija sandaroje gali bûti pakartota norimà skaièiø kartø. Ðitokiø superstruktûrø dirbtinis konstravimas yra rimtas technologinis iððûkis, tad jø pagaminimas demonstruoja didelá technologiná meistriðkumà.
Europoje ir JAV uþpatentuotas metodas jau ádiegtas pramonëje. Vokieèiø firma „Aixtron AG“, viena stambiausiø MOCVD árangos gamintoja pasaulyje, ásigijo patento licencijà ir ádiegë metodà savo gaminamuose TRICENT reaktoriuose (4 pav.). Ðis reaktorius yra sudëtingas klasteris, skirtas didelës dielektrinës konstantos dielektrikø ir kitø inPav. 4. „Aixtron AG“ TRICENT reaktorius oksidø sluoksniø MOCVD nusodinimui
tegraliniø schemø komponentø nusodinimui naujos kartos silicio puslaidininkinëms technologijoms.
Pastaraisiais metais Vilniaus universiteto MOCVD laboratorijoje atliekama daug kitokiø technologiniø tyrimø. Tiriama vis daugiau medþiagø. Tiriami didelës dielektrinës konstantos dielektriniai oksidai, skirti ateities silicio puslaidininkinëms technologijoms. Auginamos plonasluoksnës deguoniui laidþios oksidinës membranos, naudojamos deguonies selektyviam iðskyrimui ið oro ir membraniniuose cheminiuose reaktoriuose. Taip pat tiriami fotokatalitiniu aktyvumu pasiþyminèiø oksidø sluoksniai bei oksidiniø laidininkø sluoksniai bioelektrokatalizei. Pradëti pjezoelektriniu efektu pasiþyminèiø oksidø ir jø daugiasluoksniø sandarø su kitomis funkcinëmis medþiagomis tyrimai. Bendradarbiaujama su ávairiomis
Vakarø ðaliø ir Lietuvos laboratorijomis. Iki ðiol laboratorijoje atliekamø tyrimø objektai buvo funkcinës oksidinës medþiagos, taèiau nuo 2006 m. laboratorija pradëjo vykdyti naujà ES FP6 programos projektà, kuriame tyrimo objektas yra ið Ge, Sb ir Te sudarytos puslaidininkinës medþiagos, kuriø ploni sluoksniai gali bûti pritaikyti naujo tipo fazës keitimosi atmintims.
Ðiuo metu MOCVD laboratorija turi modernià technologinæ ir tyrimø árangà. Laboratorijoje pastatyti 5 originalios konstrukcijos MOCVD reaktoriai (5 pav.), be to, laboratorijoje sukonstruoti reaktoriai ádiegti ir Vakarø ðaliø universitetuose. Galima teigti, kad Universitete technologijos mokslai sparèiai stiprëja, o medþiagø inþinerijos srityje Vilniaus universitetas tampa stipriu centru ne tik Lietuvoje, bet ir Europoje.
Pav. 5. VU MOCVD laboratorijoje sukonstruoti originalûs MOCVD reaktoriai oksidø sluoksniams auginti
