Рис. 1. Текстурированная поликристаллическая пленка YBa2Cu3Oz
Высокая анизотропия свойств ряда функциональных материалов требует создания двуосно-текстурированных слоев, а для некоторых применений еще и на гибких длинномерных подложках. Типичный пример - высокотемпературные сверхпроводники, разориентация кристаллитов которых на 5-10 градусов может привести к падению транспортного критического тока на порядки величин.
Перспективные ВТСП устройства - токовводы, ограничители токов - требуют высоких абсолютных значений тока. 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 (~1мкм) 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 [1]. Для текстурирования толстых (~50-100мкм) пленок использовали гибридный подход – ориентирующее влияние подложки (формально аналогичное эпитаксии тонких пленок) и формирование крупных зерен из расплава (стандартно использующееся при синтезе объемных материалов). Оригинальность методики в том, что соответствующий симметричный рельеф, повторяющий симметрию (канавки или квадратная насечка) и типичный размер (0.1-1мм) кристаллизующейся фазы YBa2Cu3Oz формировали искусственно 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 (рис. 1).
В основе метода лежит целый ряд физико-химических явлений [1,2]:
По аналогии с известным для тонких пленок термином “графоэпитаксия” [2,3] 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 (для желающих можем предложить обратиться за методической разработкой: goodilin@inorg.chem.msu.ru). Один из типичных и легко воспроизводимых примеров текстурированных образцов показан на рис.2.
Рис. 2. Образец серебряной ленты с искусственным рельефом, двуосно-текстурирующим игольчатые кристаллы ВТСП фазы Bi2212 (оптическая фотография слева: 1 – часть ленты с рельефом из параллельных царапин, кристаллы ориентированы, 2 – рельеф отсутствует, кристаллы приобретают форму сферолитов, электронная микроскопия, справа: рост в “канавках” кристаллов щелочноземельных купратов на ранних стадиях синтеза).
По всей видимости, эпоха “самосборки” функциональных материалов на разных уровнях (от молекулярного [4] до субмиллиметрового [5]) приближается большими шагами. Это явление называют разными именами: “графоэпитаксия” [2], “графотекстурирование” [1], флюидная самосборка, микрореплики (http://www.microreplication.averydennison.com/), однако, 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.