Herstellung supraleitender Seltenerdkuprat-Schichten durch Zweistrahl-Excimer-Laserablation

Dissertation von T. Schauer, 1998

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode der Laserablation, die Zweistrahl-Excimer-Laserablation entwickelt. Mit dieser Methode wurden dünne Seltenerdkuprat-Schichten auf MgO, SrTiO3, NdGaO3, LaAlO3, LSAT, Al2O3, YSZ und Silizium hergestellt. Seltenerdkuprate sind Verbindungen der Struktur SEBa2Cu3Oy, wobei SE ein Seltenerdmetall ist (und y ca. 7). Die Schichteigenschaften wurden mit verschiedenen Charakterisierungsmethoden untersucht, insbesondere durch Röntgenbeugung. Die Schichten waren frei von Droplets, was durch die Geometrie der Herstellungsmethode bedingt ist. Die Bildung von Partikulaten wurde durch die geeignete Wahl der Targetzusammensetzung verhindert. Abhängig vom Seltenerdatom besassen die Schichten größere Sprungtemperaturen und kritische Stromdichten als vergleichbare YBa2Cu3Oy-Schichten, die bisher hauptsächlich untersucht wurden. Auch bei sehr dünnen Schichten (Dicke kleiner als 30 nm) wurden höhere Sprungtemperaturen erzielt. Außerdem wird die Anwendung der Schichten in Atomlagenthermosäulen zur Detektion von Laserstrahlung vom UV- bis in den IR-Bereich beschrieben.

 

Bei der im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Zweistrahl-Excimer-Laserablationsanlage wird der Strahl eines Excimerlasers durch ein Messerkantenprisma in zwei gleich große Teilstrahlen zerlegt und auf zwei Targets fokussiert, die um 90° gegeneinander verkippt angebracht sind. Durch die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Target entstehen zwei Teilchenwolken, die aufeinander treffen und sich gegenseitig um 45° ablenken, wodurch sie auf das Substrat treffen, das sich im Schattenbereich der beiden ursprünglichen Teilchenwolken befindet. Durch den Zusammenstoß werden nur die leichten Komponenten der Teilchenwolken abgelenkt, die schwereren Droplets fliegen am Substrat vorbei. Zur Herstellung hochwertiger Schichten ist eine exakte Einhaltung der Prozeßparameter erforderlich, deren optimale Werte in mehreren Versuchsreihen ermittelt wurde.

 

Die für die Schichtherstellung benötigten Seltenerdkuprat-Targets wurden durch Mischen und Sintern der Ausgangsmaterialien SE2O3, CuO und BaCO3 hergestellt. Abhängig vom Seltenerd-Atom kann entweder eine supraleitende, eine isolierende oder halbleitende Verbindung synthetisiert werden. Bei der Verwendung von Cer, Terbium oder Promethium erhält man keine Phase mit der Verbindung SEBa2Cu3Oy, PrBa2Cu3Oy dagegen kann zwar synthetisiert werden, ist allerdings isolierend bzw. bei tiefen Temperaturen halbleitend. Die Sprungtemperatur der supraleitenden Seltenerdkuprate liegt zwischen 90 und 95 K.

 

Die Schichten wurden mittels mehrerer Charakterisierungsmethoden untersucht. Die Sprungtemperatur TC wurde sowohl mit einer resistiven, als auch mit einer induktiven Meßmethode bestimmt. Die strukturellen und kristallographischen Eigenschaften wurden mittels Röntgenstrukturanalyse mit einem Vier-Kreis-Diffraktometer in Bragg-Brentano-Geometrie untersucht. Theta-2Theta-Scans lieferten Informationen über die Phasenreinheit und Orientierung der Schichten. Der Grad der Orientierung der c-Achse der Schichten wurde mit Omega-Scans (Rockingkurven) festgestellt. Phi-Scans lieferten Aussagen über die laterale Ausrichtung der Kristallachsen. Die Parallelität der c-Achsen von Schicht und Substrat wurde mit Areascans untersucht. Die Dicke der Schichten (bis zu 100 nm) konnte bei streifendem Einfall der Röntgenstrahlung bestimmt werden. Außerdem wird eine Meßmethode vorgestellt, mit der eine Verkippung von Schichten nachgewiesen werden kann, d.h. die Substratoberflächennormale und die c-Achse des Schichtmaterials sind nicht parallel, sondern um den Winkel Delta gegeneinander verkippt.

 

Die mit der Zweistrahl-Excimer-Laserablation hergestellten Schichten wiesen keine Droplets, aber eine hohe Ausscheidungsdichte auf, die jedoch durch eine Reduzierung des Kupferanteils der Targets (YBa2Cu2.6Oy- bzw. SEBa2Cu2.8Oy-Targets) stark verringert werden konnte, so daß nur noch wenige Ausscheidungen vorhanden waren. Derartige Schichten sind für eine Strukturierung im um- und sub-um-Bereich geeignet.

 

Seltenerdkuprat-Schichten auf MgO wiesen hohe kritische Temperaturen und kritische Stromdichten auf, wobei bis auf NdBa2Cu3Oy alle untersuchten Materialien eine Sprungtemperatur größer als 90 K besaßen. Auch bei sehr dünnen Schichten (Dicke kleiner als 30 nm) wurden hohe Sprungtemperaturen erzielt, bei etwa 20 nm dicken Schichten wurden die besten Ergebnisse mit DyBa2Cu3Oy erzielt. Die Schichten wiesen eine hohe Kristallinität auf, wie anhand von Röntgenstrukturuntersuchungen gefunden wurde. Das Wachstum der Schichten ist in den ersten Nanometern durch starke Verspannungen bestimmt, die durch die große Gitterfehlanpassung zwischen SEBa2Cu3Oy und MgO (9 %) verursacht werden. Diese Verspannungen sind bei einer Schichtdicke von etwa 140 nm abgebaut.

 

Die kritischen Temperaturen der Seltenerdkuprat-Schichten auf Substraten mit perowskitähnlichen Einheitszellen (SrTiO3, NdGaO3, LaAlO3 und LSAT) lagen zwischen 90 und 93 K. Die Schichten besaßen eine sehr gute c-Achsen-Textur, was durch sehr schmale Rockingkurven (delta-Omega < 0.3°) belegt wurde. Die ersten Lagen der SEBa2Cu3Oy-Schichten auf diesen Substraten wachsen verspannt auf. Diese Verspannung wird bereits nach 70 nm bei Schichten auf NdGaO3- und LaAlO3-Substraten abgebaut. Weiterhin wurde festgestellt, daß die Sprungtemperatur von NdBa2Cu3Oy auf SrTiO3 durch die Verwendung von verkippten Substraten gesteigert werden kann, sie beträgt bei Verwendung von exakt geschnittenen Substraten 89.9 K, bei 20°-verkippten Substraten dagegen bei 92.1 K.

 

Auf Saphir konnten bei Verwendung von CeO2-Pufferschichten hochwertige YBa2Cu3Oy- und GdBa2Cu3Oy-Schichten hergestellt werden. Die kritische Temperatur der Schichten lag bei 89.8 K und 91.4 K für YBa2Cu3Oy bzw. GdBa2Cu3Oy. Die Schichten wuchsen epitaktisch auf. Auch auf Silizium konnten Schichten mit guten Eigenschaften hergestellt werden, wobei zwei Pufferschichten gleichzeitig, als erster Puffer YSZ und als zweiter SE2O3, verwendet wurden. Bei der Beschichtung von einkristallinen YSZ-Substraten konnten die Schichteigenschaften durch die Verwendung von SE2O3-Puffern verbessert werden.

 

Die Schichten fanden Verwendung in Atomlagenthermosäulen zur Laserprofil-Analyse. Durch die Verwendung von sehr dünnen Schichten (etwa 55 nm) konnten Laserpulse mit einer Halbwertsbreite von 50 ns detektiert werden. Weiterhin wurde untersucht, welchen Einfluß die verschiedenen Seltenerdatome auf die Höhe des Thermosignals haben. Es wurde festgestellt, daß alle SEBa2Cu3Oy-Schichten eine Thermospannung liefern, wobei der höchste Wert bei einer DyBa2Cu3Oy-Schicht festgestellt wurde, deren Thermospannung um 25% über dem Wert einer YBa2Cu3Oy-Schicht lag. Durch Strukturierung der Schichten wurde ein Zeilenarray realisiert, mit dem die Intensitätsverteilung in einem gepulsten Laserstrahl untersucht wurde.

 

© 1998 T. Schauer