Crescimento de Filmes Finos

Supercondutores de Alta Temperatura

Crítica por Desbastamento Iônico

Thiago J. de A. Mori, Lúcio S. Dorneles

Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos

Departamento de Física

Centro de Ciências Naturais e Exatas

Universidade Federal de Santa Maria

97105-900 Santa Maria – RS – Brasil

www.ufsm.br/lmmm

Objetivos

Introduzir os conceitos fundamentais que caracterizam o fenômeno da supercondutividade;

Definir os parâmetros de deposição adequados para a formação da fase supercondutora em filmes finos de Y-Ba-Cu-O, no novo sistema de deposição de filmes finos de óxidos do LMMM / UFSM.

Supercondutividade

Kammerling Onnes (em 1911)

Condutividade Perfeita Diamagnetismo Perfeito - Efeito Meissner

Meissner e Ochsenfeld (em 1933)

Além de os supercondutores excluírem o campo magnético de seu interior, um campo em uma amostra inicialmente normal também é expelido quando ele é resfriado abaixo de Tc

Supercondutores dos Tipos I e II

Curvas de Magnetização características de supercondutores (a) do tipo I e (b) do tipo II

Deposição por Desbastamento Iônico (Sputtering)

RESPUTTERING (íons O- e átomos de O)

Diferença na estequiometria entre filme e alvo

Resputtering

Deposição por Desbastamento Iônico (Sputtering)

Maneiras de contornar o problema:

• Trabalhar com pressões tão altas quanto for possível;

• Projetar o sistema para que a voltagem e a potência no canhão sejam as menores possíveis;

• Posicionar o substrato fora do eixo do canhão;

• Magnetron Sputtering com configuração não balanceada.

Eom et al. [2] mostraram que foi com uma geometria fora do eixo e altas pressões foi possível produzir filmes com estequiometrias excelentes, e ainda resolveu-se o problema da inomogeneidade ao longo do filme.

Deposição por Desbastamento Iônico (Sputtering)

Estrutura Cristalina

Ortorrômbica

OU

Tetragonal

Fase Supercondutora ‘123’

Estrutura Cristalina

Ortorrômbica

OU

Tetragonal

Tratamento Térmico (in situ ou ex situ)

CT oS 800~

Condições para o crescimento da fase ‘123’:

• A deposição deve ocorrer a uma temperatura próxima da transição da fase tetragonal para supercondutora;

• A cristalização do filme durante a deposição precisa ser completa;

• A oxidação durante a deposição e resfriamento precisa ser suficiente para resultar na estequiometria correta.

Estrutura Cristalina

Substratos:

• As estruturas cristalinas e os coeficientes de expansão térmica do filme e do substrato devem ser compatíveis;

• O substrato não pode ser reativo quimicamente com o HTS;

• A superfície do substrato deve ser polida e estável.

Substratos Não-Compatíveis precisam ser cobertos por uma camada buffer.

Bons candidatos para substrato de filmes finos de Y-Ba-Cu-O:

LaAlO3 , SrTiO3 , MgO

Espessura

Em filmes finos (< 0,5 µm) a temperatura crítica e a densidade de corrente crítica são menores que em filmes mais grossos.

Resistividade em filmes de Er-Ba-Cu-O

Mesmo filmes com apenas 50% da fase supercondutora apresentam a queda brusca em ρ(T)

A supercondutividade na fase ‘123’ é fortemente anisotrópica e a resistividade é duas ordens de grandeza maior ao longo do plano do que no eixo c.

JC paralela ao plano do filme é da ordem de 102A/cm2, perpendicular ao plano é da ordem de 104A/cm2

Como a espessura é da ordem da célula unitária, a rugosidade do substrato sempre influencia nas características do filme depositado.

Na camada superior normalmente se observa a formação de ilhas ou então crescimento espiral.

Proposta de Trabalho

Construir um porta-substratos adequado:

Que proporcione o crescimento de filmes finos na geometria fora do eixo;

Sistema de aquecimento e controle de temperatura.

Determinar os parâmetros necessários para o crescimento de filmes finos de óxidos com os equipamentos disponíveis no LMMM, com o objetivo de obter um filme fino.

Referências Bibliográficas

Trabalho financiado com recursos

[1] M. Leskelä, J. K. Truman et al., J. Vac. Sci. Technol. A 7, 3147 (1989).[2] C. B. Eom, J. Z. Sun, B. M. Lairson et al., Physica C 171, 354 (1990).[3] J. M. Triscone and O. Fischer, Rep. Prog. Phys. 60, 1673 (1997).[4] N. Savvides and A. Katsaros, Appl. Phys. Lett. 62, 528 (1992).[5] C. B. Eom, J. Z. Sun, K. Yamamoto et al., Appl. Phys. Lett. 55, 595 (1989).[6] A. Tsukamoto, E. Tsurukiri, Y. Soutome et al., Physica C 392, 1245 (2003).[7] P. G. Quigley, R. A. Rao and C. B. Eom J. Vac. Sci. Technol. A 15, 2854 (1997).[8] C. P. Foley, S. W. Filipczuk, N. Savvides et al., IEEE Trans. Magnet. 27, 3036 (1991).[9] C. Blue and P. Boolchand, Appl. Phys. Lett. 58, 2036 (1991).[10] R. A. Rao, Q. Gan and C. B. Eom, Appl. Phys. Lett. 69, 3911 (1996).[11] MAROUCHKINE, A. Room-Temperature Superconductivity. 1a. ed. Cambridge InternationalScience Publishing, 2004.[12] TINKHAM, M. Introduction to Superconductivity. 2a. ed. Dover Books on Physics,2004.