Механизмы лазерной абляции керамической YBaCuO мишени, выращивание ВТСП тонких пленок и исследование их свойств

• Автор: Югай, Константин Климентьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Омск
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Введение
Глава 1. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с поверхностью
§ 1. Динамика нагрева мишени
§ 2. Динамика испарения вещества под влиянием лазерного излучения
2.1. Приповерхностная лазерная плазма
2.2. Особенности взаимодействия лазерного излучения с твердыми мишенями
2.3. Образование приповерхностной лазерной плазмы в диффузионном режиме в парогазовых смесях
2.4. Образование плазмы в гидродинамическом режиме при наличии эрозионного факела
Глава 2. Экспериментальные исследования взаимодействия импульсного лазерного излучения с поверхностью ВТСП
мишени УВаСиО
§ 1. Методика изготовления мишени
§ 2. Методика проведения экспериментов по лазерной абляции
§ 3. Время запаздывания и граничная плотность мощности лазерного
излучения
§ 4. Влияние плотности мишени
§ 5. Влияние температуры мишени
§ 6. Влияние температуры подложки в процессе лазерной абляции на сверхпроводящие свойства и макроструктуру тонких УВаСиО пленок.

§ 7 Получение изображений поверхностей ВТСП тонких пленок с
помощью туннельного микроскопа СММТ
Глава 3. Исследование механизма лазерной абляции УВаСиО
керамики
§ 1. Кластерный механизм отрыва частиц от поверхности ВТСП-мишени
при поглощении лазерных импульсов
§ 2. Поглощение лазерного импульса поверхностью ВТСП-мишени:
динамический хаос
§ 3. Механизм образования капель при поглощении лазерных
импульсов поверхностью керамической УВаСиО мишени
Глава 4. ВТСП пленочный (Ус - сквид на основе мезопленок
УВаСиО
§ 1. БС-сквид
§ 2. Использование мезопленок УВаСиО для изготовления с1с-
сквидов
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность проблемы. Исследуя в 1911 г. зависимость металлов от температуры Камерлинг Оннес открыл необычное явление - при температуре 4.2 К сопротивление ртути резко обращалось в нуль. Этот физический факт положил начало новому научному направлению - физике сверхпроводимости. Дальнейшее изучение этого явления многими выдающимися физиками XX столетия привело к появлению созданной Бар-дином, Купером и Шрифером теории, объясняющей природу сверхпроводимости.
Практическая составляющая сверхпроводимости привела к созданию нового класса измерительных приборов, использующих в качестве чувствительных элементов так называемые СКВИДы (SQUID - Superconducting Quantum Interference Device), изготовленных из металлов, обладающих сверхпроводящими свойствами. Эти приборы оказались непревзойденными по чувствительности к сверхслабым магнитным полям. Единственным препятствием к широкому распространению сверхпро-водниковых приборов являлось неудобство, связанное с необходимостью использовать в качестве хладагента жидкий гелий.
В 1996 г. случился новый научный и технологический прорыв. Сотрудники швейцарского отделения фирмы IBM, в последствии лауреаты Нобелевской премии, Беднорц и Мюллер случайно обнаружили, что керамическое соединение LaBaCuO при температуре 35К полностью теряет свое электрическое сопротивление. Начиная с этого момента интерес к сверхпроводимости, теперь уже высокотемпературной, вспыхнул с новой силой. Огромное количество научных лабораторий по всему миру принялись искать новые керамические соединения со все более и более высокой температурой перехода вещества в сверхпроводящее состояние. Вскоре, после открытия соединения YBa2Cuj07.s критическая температура Тс превысила температуру кипения жидкого азота (75К). Это повлекло

за собой бум в электронной промышленности, так как использование в жидкого азота в качестве охлаждающей среды обещало сделать потребность в сверхпроводниковых устройствах массовой. Однако через некоторое время ажиотаж, окружавший высокотемпературные сверхпроводники успокоился, так как выяснилось, что для их успешного внедрения в какие-то сферы жизни требуются годы кропотливых исследований. Оказалось, что природы высокотемпературной и низкотемпературной сверхпроводимостей отличны друг от друга, более того, до сих пор не существует однозначной теории, объясняющий феномен ВТСП. Появление такой теории имело бы громадное значение для дальнейшего развития сверхпроводимости, и возможно указало бы путь к недостижимому пока открытию "комнатных" сверхпроводников.
С точки зрения практического использования высокотемпературных сверхпроводников, можно на данный момент выделить три наиболее перспективных направления, использующих различные свойства ВТСП и получивших промышленное освоение: магнитометры на базе тонкопленочных ВТСП сквидов, СВЧ - резонаторы, ВТСП - магнитонакопители. Каждое из этих направлений развивается весьма бурно, хотя исследователям приходится по ходу решать множество как технологических, так и чисто научных проблем. Именно научное обоснование особенностей ВТСП и научный подход к решению проблем, связанных с изготовлением сверхпроводниковых устройств и их практическим использованием, помогает продвигаться по пути создания оптимально работающих приборов действительно широкого применения.
Из трех вышеперечисленных приложений ВТСП можно выделить создание ВТСП магнитометров, как направление, имеющее наиболее широкие перспективы в практическом использовании. Такие устройства могут использоваться в медицине, химической промышленности, геологии, аэрокосмической технике и т.д. Основными элементами магнитометра служат сквиды, выполненные на базе тонких УВаСиО пленок. Производ-

длительностью 0.1 - 1.0 мс и мощностью 1 - 10 кВт. Размеры пятен фокусировки составляли 0.1 - 0.5 мм. Взаимодействие проводилось в условиях непрерывного контроля температуры облучаемого образца.
Используемый набор диагностики с необходимым пространственным и временным разрешением позволил измерить мощность лазера, распределение интенсивности в пятне фокусировки, температуру мишени, температуру плазмы, а так же изучать динамику пространственной картины процесса. Эксперименты проводились на металлах и диэлектриках {2п, РЬ, 1п, латунь, сталь, 77, Щ А1, Си, Щ, Та, Уо, С, А1203, 5702, гетинас, оргстекло) в атмосфере воздуха, азота и его смесей с кислородом, аргона, гелия и ксенона при давлениях от 0.01 до 1 атм.
В атмосфере инертных газов у поверхности металла образуются атомарные парогазовые смеси. В них температура электронов Те заметно превосходит температуру газа Тё. В атмосфере молекулярных газов И2, СН4, воздуха Те & Тё. Пробой паров и окружающего газа в некоторых случаях наблюдают при различных значениях интенсивности лазерного излучения, а в некоторых при одном и том же значении. Имеют место гис-терезисные эффекты: интенсивности лазерного излучения, необходимые для поддержания плазменного состояния, могут быть ниже значений, необходимых для его возникновения. Теоретически ПЛП в парогазовых смесях исследовалась в работах [34 - 37].
Рассмотрим атомарные ПГС, в которых допустим отрыв температуры электронов от температуры газа. Сформировались две концепции к образованию ПЛП в атомарных парогазовых смесях. Первая основана на предположении, что характерное время изменения температуры поверхности в процессе ее нагрева лазерным излучением тт1 = (Яп Пщ/сТЦсТ/З велико по сравнению с характерным временем диффузии паров От или их ионизации г, ~ (птр)~‘. Здесь пт - концентрация паров, Т - их температура, /7- коэффициент ионизации.