ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

КОНСТРУКЦИОННЫЕ И

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 538.945, 538.911

ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ВТСП ЛЕНТ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ

В НИЦ «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия

^*E-mail: Kulikovivan1990@gmail.com

В статье представлена разработанная в НИЦ «Курчатовский институт» технология создания высоко-

температурных сверхпроводящих лент второго поколения, продемонстрированы их электрофизические

характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Формирование буферных слоев высокого кри-

Токонесущие ленты на основе высокотемпера-

сталлического качества, обеспечение наследования

турных сверхпроводников (ВТСП) перспективны

текстуры в эпитаксиальном сверхпроводящем слое,

для изготовления токоограничителей, высокопо-

оптимизация и поддержание ростовых условий для

левых магнитов, генераторов, трансформаторов,

ВТСП материала на длинных лентах - все это явля-

накопителей энергии, двигателей, систем размаг-

ется сложной технологической задачей. На данный

ничивания корпусов судов и прочих устройств,

момент в НИЦ «Курчатовский институт» реализо-

применение которых приводит к существенной

ван полный цикл создания ВТСП лент 2-го поко-

экономии, связанной с низкими энергопотерями

ления. Достигнутые результаты находятся на миро-

в сверхпроводниках. Лента второго поколения на

вом уровне и представлены в настоящей статье.

основе ВТСП представляет собой многослойную

структуру, состоящую из гибкой металлической

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

подложки, буферных и сверхпроводящего сло-

Реализованный технологический процесс созда-

ев [1]. В качестве сверхпроводящего чаще всего

ния ВТСП лент 2-го поколения на основе ReBCO

используются редкоземельные ВТСП-материалы

состоит из 5 основных этапов:

типа ReBa₂Cu₃O_7-x (ReBCO), демонстрирующие

1. Подготовка поверхности ленты к росту;

высокую плотность критического тока и ее устой-

2. Нанесение текстурированного буферного слоя;

чивость в магнитных полях. Материалы типа

3. Эпитаксиальный рост завершающего буфер-

ReBCO являются анизотропными: для достиже-

ного слоя и сверхпроводящего слоя;

ния высоких критических характеристик ВТСП

4. Нанесение защитного слоя серебра;

пленки должны обладать острой биаксиальной

5. Нанесение шунтирующего слоя меди.

текстурой [2].

На первом этапе осуществляется подготовка

Самыми распространенными подходами фор-

ленты к последующему росту. Для этого она меха-

мирования текстурированного буферного слоя на

нически полируется с применением суспензии ок-

поликристаллической ленте являются технологии

сида аллюминия с уменьшением размеров частиц

Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) и Alternative

от 1.0 до 0.3 мкм. Далее осуществляется ультраз-

Beam Assisted Deposition (ABAD), в которых осаж-

вуковая мойка полированной ленты в моющем рас-

дение оксидного слоя проводится с ассистирова-

творе, промывка деионизованной водой и сушка.

нием ионным пучком [3, 4]. В качестве подложки

После чего осуществляется оптический контроль

используются ленты из нержавеющей стали или

качества полировки.

сплава Hastelloy, обладающие высокой прочностью

На втором этапе осуществляется нанесение

на разрыв и не являющиеся магнитными.

текстурированного буферного слоя YSZ. Для этого

107

108

И.В. КУЛИКОВ, М.Я. ЧЕРНЫХ

чистую полированную ленту наматывают на бара-

На четвертом этапе лента с нанесенным ВТСП

бан большого диаметра и помещают в установку.

слоем покрывается с двух сторон защитным сло-

Затем производтся откачка камеры до давления

ем серебра методом термического испарения в ва-

10^-5 Торр и осуществляется ионная чистка поверх-

кууме толщиной около 2 мкм. Для лучшей адгезии

ности ленты в течении 10 минут. Затем произво-

серебра перед процессом напыления поверхность

дится напыление буферного слоя YSZ толщиной

активируют тлеющим разрядом плазмы в среде

около 2 мкм методом ABAD, после чего произво-

кислорода. После нанесения защитного слоя сереб-

дится контроль толщины и кристаллического каче-

ра лента подвергается накислораживающему отжи-

ства осажденного слоя. Острота текстуры осажден-

гу в течение 2 часов.

ного слоя YSZ составляет 9°.

На последнем этапе, в зависимости от конечно-

На третьем этапе осуществляется рост заверша-

го назначения ленты, возможно нанесение шунти-

ющего буферного (CeO₂) и сверхпроводящего сло-

рующего слоя меди. Для нанесения меди толщиной

ев методом импульсного лазерного осаждения. Все

до 20 мкм лента последовательно проходит через

мишени предоставлены ВНИИНМ им. А.А. Бо-

9 гальванических ячеек со скоростью до 10 м/ч.

чвара. На данном этапе важно получить оптими-

Технологическое оборудование позволяет про-

зировать толщину и получить хорошую текстуру

изводить ВСТП ленты длиной до 100 м шириной

буферного слоя: с увеличением толщины CeO₂

4 мм, а установка импульсного лазерного осаж-

возрастает острота текстуры, однако ухудшаются

дения позволяет осаждать на ленты подложки до

механические свойства ленты [5]. При толщине

1 км шириной до 40 мм.

CeO₂ 150-200 нм удается достичь остроты тексту-

ры 4°(рис. 1).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Эпитаксия сверхпроводящего слоя является

Критический ток ВТСП лент, полностью сфор-

сложной технологической задачей, так как с-ори-

мированных в НИЦ

«Курчатовский институт»,

ентированный ReBCO растет в очень узком диа-

составляет до 240 А/4 мм ширины ленты при тем-

пазоне ростовых параметров, а поддерживать их

пературе жидкого азота в собственном поле для

необходимо длительное время. Для увеличения

лент из GdBa₂Cu₃O_x. Такие ленты подходят для

производительности установки в ней используют-

устройств, работающих при температурах выше

ся 2 подхода: поверхность сканируется несколь-

65 К и полях до 0.1 Тл. Для устройств, в которых

кими лазерными пучками и лента при перемотке с

требуются большие поля при низких температурах,

катушки на катушку несколько раз заходит в росто-

лучше всего подходят ленты из нестехиометриче-

вую зону. Это позволяет в несколько раз увеличить

ского YBa_1.8Cu₃O_x (рис. 2).

скорость осаждения по сравнению со стандартной

У авторов имеется опыт создания ВТСП лент на

лентоперемоточной установкой. Толщина осаждае-

различных типах подложек. Ранее была разрабо-

мого ВТСП слоя составляет до 4.0 мкм.

Рис. 2. Полевая зависимость в перпендикулярном внешнем

Рис. 1. Полюсные фигуры буферного слоя CeO₂, осажденного

магнитном поле для ВТСП лент 2-го поколения шириной 4 мм

на 4 мм ленте-подложке с текстурированным слоем YSZ

при 4.2 К

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021

ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ВТСП ЛЕНТ ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ В НИЦ «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

109

использованием различных материалов в качестве

сверхпроводящего слоя. Развитие собственной тех-

нологии создания ВТСП лент из отечественных ма-

териалов позволит снизить зависимость от импор-

та технологий в важном для обороносопособности

страны направлении.

Работа выполнена при финансовой поддержке

Национального исследовательского центра «Курча-

товский институт».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Xiong X., Lenseth K.P., Reeves J.L. et al. High throughput

processing of long-length IBAD MgO and epi-buffer

templates at SuperPower // IEEE transactions on applied

superconductivity. 2007, т. 17, №2, с. 3375-3378.

2. Durrell J.H., Rutter N.A. Importance of low-angle

Рис. 3. ВАХ ВТСП лент 2-го поколения шириной 12 мм при 77 К

grain boundaries in YBa₂Cu₃O₇- δ coated conductors //

Superconductor Science and Technology. 2008, т. 22, №1,

с. 013001.

тана технология формирования функциональных

3. A. Ibi, T. Izumi, S. Miyata et al. Surface roughness of

и сверхпроводящих слоев на текстурированных

MgO thin film and its critical thickness for optimal biaxial

лентах NiW [6, 7], в настоящее время проводятся

texturing by ion-beam-assisted deposition // J. Appl. Phys.

работы на подложках из хастеллоя с текстуриро-

№109, 2011, c. 113992.

ванным слоем MgO. На данных подложках выра-

4. L. Kirchhoff, J. Knoke, B. Prause et al. Processing of

щены сверхпроводящие пленки, критический ток

Long-Length YBCO Coated Conductors Based on Stainless

достигает 850 А/12 мм ширины для SmBa₂Cu₃O_x и

Steel Tapes

// IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED

770 А/12 мм ширины для GdBa₂Cu₃O_x (рис. 3). Дан-

SUPERCONDUCTIVITY. №17, в. 2, 2007, c. 3235-3238.

ные ленты хорошо подходят для использования в

5. Fuji H., Honjo T., Nakamura Y. et al. Deposition of CeO₂ /

устройствах, работающих при температурах выше

YSZ buffer layer on Hastelloy substrates for MOD process

65 К и в магнитных полях до 0.1 Тл. Полученные

of YBa₂Cu₃O₇ - x film // Physica C: Superconductivity.

результаты находятся на мировом уровне.

2001, т. 357, с. 1011-1014.

6. Krylova T.S., Chernykh I.A., Chernykh M.Y. et al.

ВЫВОДЫ

YBa₂Cu₃O_x-SrTiO₃ multilayer approach on textured Ni-W

В статье представлена технология создания

tapes: Morphology, structure and critical current density

ВТСП лент 2-го поколения, разработанная в НИЦ

improvement // Thin Solid Films, 2016, т. 598, с. 289-292.

«Курчатовский инстиут». В НИЦ «Курчатовский

7. Куликов И.В., Крылова Т.С., Черных М.Я. и др. Сту-

институт» имеется все необходимое оборудова-

пенчатый подъем температуры в процессе формирова-

ние для производства ВТСП лент 2-го поколения

ния сплошных эпитаксиальных пленок сверхпроводников

длиной до 100 м. Характеристики получаемых

YBa₂Cu₃O_7-x для повышения токонесущей способности

сверхпроводящих лент находятся на мировом

ВТСП лент второго поколения // Наукоемкие техноло-

уровне. Разработанная технология позволяет про-

гии в машиностроении, 2017, №11, с. 3-9.

изводить ВТСП ленты для широкого круга задач с

ВЕСТНИК ВИТ «ЭРА», том 2, номер 2, 2021