Графотекстурирование - самосборка ВТСП пленок

http://www.scientific.ru/journal/news/1002/n071002.htm

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) постепенно завоевывают себе место под рыночным солнцем, однако по многим причинам внедрение ВТСП идет не так быстро, как хотелось бы. Российские и немецкие ученые предложили простой и эффективный метод изготовления ВТСП пленок с требуемыми характеристиками. Подобные методы вскоре могут найти широкое применение для изготовления самых разных материалов.

Высокая анизотропия свойств ряда функциональных материалов требует создания двуосно-текстурированных слоев (т.е. одинаковой ориентации кристаллитов в плоикристаллическом материале в двух направлениях), а для некоторых применений еще и на гибких длинномерных подложках. Например, перспективные ВТСП устройства - токовводы, ограничители токов - требуют высоких абсолютных значений тока. Однако для поликристаллических пленок ВТСП разориентация кристаллитов на 5 - 10 градусов может привести к падению транспортного критического тока на порядки величин.

Естественный компромисс между высоким удельным и абсолютным значением тока достигается в толстых ВТСП пленках. Важно найти подходящий способ текстурирования. Наиболее популярный в настоящее время метод эпитаксии эффективен лишь для тонких (с толщиной порядка 1 мкм) пленок при использовании дорогих монокристаллических подложек. Кроме того, методы осаждения тонких пленок сами по себе достаточно дороги и трудоемки.

Улучшает (но при этом и осложняет) ситуацию использование расплавных методов для формирования крупнокристалличности толстых пленок. С одной стороны, агрессивная среда (в случае ВТСП - купратный расплав), конечно же, не должна взаимодействовать с материалом подложки. Но, с другой стороны, именно наличие жидкой фазы обеспечивает рост и взаимную подстройку кристаллитов. Совместить несовместимое и продвинуться вперед в создании универсальной технологии удалось совместными усилиями ученых исследовательской фирмы ACCESS. ACCESS - это совместная фирма, сформированная сотрудниками Центра по исследованию процессов кристаллизации в космическом пространстве (Аахен, Германия) и химического факультета МГУ. Для текстурирования толстых (с толщиной порядка 50 - 100 мкм) пленок исследователи использовали гибридный подход - ориентирующее влияние подложки (формально аналогичное эпитаксии тонких пленок) и формирование крупных зерен из расплава (стандартно использующееся при синтезе объемных материалов). Оригинальность разработанной методики состоит в том, что соответствующий симметричный рельеф, повторяющий симметрию (канавки или квадратная насечка) и типичный размер (0.1 - 1 мм) кристаллизующейся фазы искусственно формируется на поверхности ленточной подложки из достаточно дешевого промышленного поликристаллического нетекстурированного серебра. Создание такого поверхностного рельефа обеспечивает взаимную ориентацию в плоскости (ab) до 90 % растущих из расплава кристаллитов ВТСП (см. рис. 1). Несмотря на простоту исполнения, в основе метода лежит целый ряд физико- химических явлений: определенные особенности смачивания и поверхностного натяжения; капиллярные эффекты; гетерогенное зародышеобразование и перераспределение компонентов расплава; эффекты кристаллизационного давления; топографическое влияние стенок элементов рельефа.

Рисунок 1 - Текстурированная поликристаллическая пленка YBa₂Cu₃O_z

По аналогии с известным для тонких пленок термином "графоэпитаксия" разработанный прием получил название "графотекстурирование". Процесс достаточно универсален и позволяет текстурировать совершенно различные материалы на практически произвольных подложках. При детальной и тщательной проработке он может привести к полному текстурированию материала поликристаллического слоя в соответствии с симметрией расположения искусственных элементов рельефа. О простоте метода свидетельствует то, что уже сейчас на Химическом факультете МГУ организована задача спецпрактикума для студентов 5 курса.

По всей видимости, эпоха "самосборки" функциональных материалов на разных уровнях (от молекулярного до субмиллиметрового) стремительно приближается. Это явление называют разными именами: "графоэпитаксия", "графотекстурирование", флюидная самосборка, микрореплики... Вероятно, недалек тот день, когда подобные наукоемкие "гибридные" технологии начнут приносить дивиденды. А пока "самосборка" представляет собой перспективную область исследований для специалистов самого различного профиля.