Анализ результатов изготовления различными методами сверхпроводящей иттриевой керамики

АННОТАЦИЯ

В статье исследовано морфологические особенности элементного и фазового состава, а также физические и химические свойства поверхности гибридных покрытий на основе TiN/Al₂O₃ и TiNi/Cr нанесенных на подложку из нержавеющей стали AlSi-321 путем комбинированного применения нескольких методов осаждения с последующей модификацией гибридных покрытий сильноточным электронным пучком (СЭП). Применение комбинированных методов нанесения гибридных покрытий сопровождается формированием на подложке двух и трехслойной защитной системы.

ABSTRACT

The article investigates the morphological features of the elemental and phase composition, as well as the physical and chemical properties of the surface of hybrid coatings based on TiN/Al₂O₃ and TiNi/Cr deposited on a substrate made AlSi-321 stainless steel by the combined application of several deposition methods with subsequent modification of hybrid coatings with high-current electronic beam. The use of combined methods for the deposition of hybrid coatings is accompanied by the formation of two and three-layer protective systems on the substrate.

Ключевые слова: дефект, иттрий, полупроводник, гибридная покрытия.

Keywords: defect, yttrium, semiconductor, hybrid coating.

Использовали ряд методов, которые позволяют достаточно информативно и достоверно исследовать многие дефекты. Так, например, метод аннигиляции позитронов измерение времени жизни позитронов и измерение кривых углового распределения аннигиляционных фотонов (УРАФ) позволяет идентифицировать дефекты вакансионного типа (вакансии, кластеры вакансий, петли, дислокации).

Кратко подход к расшифровке результатов позитронной диагностики можно описать следующим образом. При разложении УРАФ на компоненты во внимание принимается число компонентов разложения (в общем случае параболические компоненты характеризуют аннигиляцию на электронах проводимости и электронах внешних оболочек решёточных атомов, тогда как гауссианы - аннигиляцию на сильно связанных, остовых электронах и аннигиляцию в дефектных областях решетки- вакансиях, дислокациях и т.п) а также собственно характерные параметры УРАФ – такие, как Г_1/2, τ и θ.

Целью исследования являлись характерные параметры аннигиляции позитронов в высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) - : керамиках, изготовленных различными методами, а также определение влияния воздействия на структуру этих керамик сильноточного электронного пучка (СЭП). Кроме того, проводилось исследование изменения электронной плотности при сверх переходе.

Как отмечено в работах [1..3], принципы идентификации дефектов в ВТСП материалах основываются на классических положениях позитронов диагностики твердых тел. Специфика в ВТСП структур ,  и др. Заключается в принципиальной возможности реализации существенно большего числа каналов аннигиляции в них позитронов, нежели в традиционных объектах электронно-позитронной аннигиляции, - металлах, сплавах, полупроводниках. Тем не менее, анализ мировой литературы [1..6] показывает, что метод электронно-позитронной аннигиляции (ЭПА) благодаря своей информативности активно развивается применительно к ВТСП. В настоящее время задача заключается в суммарной интерпретации данных электронно- позитронной аннигиляции.

Методы исследования

Образцы интезировались разными способами и были приготовлены в виде таблеток диаметром  и толщиной около . Исследовались 5 серий образцов: первая серия прессовалась под давлением  из сверхпроводящего порошка (), полученного в потоке кислорода методом самораспространяющего высокотемпературного синтеза (СЭС.) из шихты . Вторая серия представляла собой такие же образцы, но условия измерения кривых УРАФ были другими - съемка проводилась при криостатировании . Третья серия образцов готовилась по нитратной технологии (), под давлением прессования   Четвертая серия образцов представляла собой прессовку из порошка куприта иттрия-бария () при давлении прессования  Пятая серия образцов была облучена СЭП на ускорителе «Тонус» в Томском политехническом университете со следующими параметрами: энергия 1,3Мэв; плотность тока j=l,2кА/см², длительность импульса . Измерения Кривых УРАФ проводили на установке с условным разрешением 1мрад и источником позитронов NaJ активности 7мКи. Температурные измерения проводили в аннигиляционной камере, в вакууме в температурном интервале , что позволило проводить измерения в районе критической температуры ВТСП Тс. Каждый спектр измерялся в течение  часов и суммарный счёт под кривой составлял от счетов [4]. Измерение времени жизни позитронов (ВЖП) проводилось на спектрометре быстро - быстрых совпадений с временным разрешением  (ширина на половине высоты). После вычитания из спектра времени жизни аннигиляции в подложке-источнике   спектр разлагался на компоненты. Использовался гелиевый, криостат, который позволял изменять температуру от 10 до 300 К. Стабильность температуры была не хуже  [1..3].

Результаты и их обсуждение

В таблица 1приведены результаты обработки УРАФ образцов указанных серий (для всех образцов УРАФ снимались при комнатной температуре, т. е. в нормальном состоянии, а для образцов серии (1) - ещё и при , в сверхпроводящем состоянии). Анализ таблицы 1-показывает, что параметры формы кривых УРАФ отражают технологические особенности керамик. Так, например, керамика ВТСП, приготовленная классическим способом (4), имеет кривую УРАФ более широкого , чем

керамика приготовленная по CBС (I) И нитратной (2) технологии  Выполненное по стандартной методике разложение показало, что УРАФ для ВТСП наилучшим способом описывается двумя- гауссианами G₁ и G₂ (рис. 1).

Кривые УРАФ, измеренные на образцах, приготовленных методами (1),(2),(4), разлагаются таким образом; что соотношение вероятностей аннигиляции по каналом I₁ и I₂ (интенсивностей широких и узких компонент)- составляет величину (61%÷39%). В образцах, изготовленных методом (3), это соотношение имеет обратную величину (38%÷62%), но после облучения керамики пятью импульсами СЭП соотношение I₁/ I₂ вновь становится (68% ÷32%).

Таблица 1.

Параметры кривых УРАФ в исследуемых ВТСП керамиках

На рис.2 представлены зависимости  θ_g2 и  построенные по данным табл. 1. Несмотря на некоторый разброс значений, наблюдается определенная корреляция между указанными параметрами УРАФ и . Существенным условием для наличия такой корреляций является требование к качеству ВТСП керамики. Поскольку е^- и е⁺ чувствительны -не только к дефектам типа кислородных вакансий, но и к дефектам типа атомов внедрения ( примесным фазам), то, очевидно, для установления, корреляционных зависимостей   ; θ_g2 и Тс. Впервые полученные нами результаты демонстрируют принципиальную возможность наблюдения указанных корреляций, но адекватные зависимости будут лишь, для образцов, изготовленных по технологии при близких к оптимальным режимах (т.e. для образцов с некоторым минимальным содержанием примесных элементов). В [1], [2] рассчитано время жизни позитронов в объёме иттриевого ВТСП образцов в зависимости от концентрации кислорода. Нами экспериментально изучалось такая зависимость для YBa₂Cu₃O_7-х [2,4]. Обращаем внимание, что время жизни позитронов  при малом, кислородном индексе (7-х=6,3) уменьшается до 180 пс при концентрации , а при  наблюдается дальнейшее резкое уменьшение т от  до , рис.3 т.e. до значений , соответствующих бездефектной керамике [1]. Несмотря на отмеченную нелинейность зависимости  и , полученные результаты указывают на однозначную корреляцию между рассматриваемыми параметрами. Нами были проведены подобные эксперименты на ВТСП керамиках типа (1) -см. табл.1. Охлаждённый до 77 К образец медленно нагревается до комнатной температуры через каждые  в течение 15мин. Полученная зависимость

 представлена на рис.3. Наблюдаются два экстремума в районе.  и . Авторами объясняются эти кривые так, что первый экстремум связан только с кислородными вакансиями, а второй более растянутый экстремум больше всего с дефектами Сu, Ва и других элементов.

В табл.2 приведены результаты экспериментов по определению параметров СВЖ в иттриевых ВТСП керамиках, приготовленных по технологии (4) и облучённых импульсами мощного ионного пучка-МИП на ускорителе «ТОНУС» и малыми дозами гамма-квантов на установке «ИССЛЕДОВАТЕЛЬ»

Таблица 2.

Результаты экспериментов по определению параметров СВЖ в иттриевых ВТСП керамиках, приготовленных по технологии (4) и облучённых импульсами мощного ионного пучка-МИП на ускорителе «ТОНУС» и малыми дозами гамма-квантов на установке «ИССЛЕДОВАТЕЛЬ» 

Таким образом, по результатам анализа УРАФ и спектра ВЖП иттриевых ВТСП керамик, изготовленных различными способами, можно сделать следующие выводы:

1.Экспериментально подтверждены литературные данные о чувствительности ,  и  к содержанию кислорода в структуре образцов  

2. Отжиг кислородных вакансий и перераспределение типа дефектов в ВТСП происходит в интервале , что коррелируется данными ультразвуковой акстики, фиксирующей в этом температурном диапазоне фазовый переход [6].

Облучение МИП  приводит к увеличению концентрации вакансий (т.к. увеличивается интенсивность I для компоненты  при ). О сохранения типа дефектов свидетельствует и назначенное изменение скорости з ахвата от  до                     . Увеличение плотности тока МИП до  приводит к появлению дефектов другого сорта (возрастает до  и возрастает до ), микродефектов типа трещин, пор, причём их концентрация достаточна высока (61,6%) табл.

Список литературы:

1. Хасанов О.Л., Махмудов Н.А., Погребняк А.Д. Радиационные эффекты в ВТСП-керамиках  стимулированные импульсным сильноточным электронным пучком.-Алушта, 2013.

2. Khasanov O.L., Belomestnykh V.V., Makhmudov N.A. Investigation of the  and  structural instabilities by the ultrasound acoustic and positron diagnostics. Registration materials Tokyo-2007.

3. Азаренков Н.А., Береснев В.М., Погребняк А.Д. Структура и свойства защитных покрытий и модифицированных слоев материалов. Харьков: Харьковский национальный университет; 2007. 565 с.

4. Nanostructured Coating Eds. A. Gavaleiro, J.T. de Hosson. Berlin: Springer-Verlag, 2006.340 p.

5. Uglov V.V., Anischik V. M. Zlotski S. V., Abadias G., Dub S.N. Surf and Coat. Tech. 2008,v.202, p. 2394-2398.

6. Погребняк А.Д., и др. Письма в ЖТФ, 2001.-Т. 27.-в.15.-С. 1-7.