Se ha utilizado la evaporación secuencial de Cu, Y2O3 y BaF2 para la obtención de láminas delgadas superconductoras de YBa-CuO sobre substratos de Si monocristalino con orientación [100], recubiertos con una lámina barrera de Zr02. Se han estudiado los efectos de la variación de los espesores relativos de las láminas constituyentes y del espesor total de la lámina resultante. Las láminas se han caracterizado mediante medidas de la variación de la resistencia con la temperatura, microscopía electrónoca de barrido, difractometría de rayos X, microson-da electrónica y espectometría de masas de iones secundarios. Las láminas presentan un ligero carácter semiconductor en el estado normal, con temperaturas de inicio de la transición su-perconductora alrededor de 90 K, y resistencia nula, en el mejor de los casos, a 45 K

Morenza Gil, José Luis

Queralt, X.

Varela Fernández, Manuel, 1956-

Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio

Diposit Digital de la Universitat de Barcelona

BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. 30 (1991) 6, 430-432 Obtención de láminas delgadas de Y-Ba-Cu-O sobre Si[100] X. QUERALT, M. VÁRELA, J. L. MORENZA Universität de Barcelona, Departament de Física Aplicada i Electrónica. Avda. Diagonal, 647, 08029 Barcelona RESUMEN.—Obtención de láminas delgadas de Y-Ba-Cu-O so-bre Si[100]. Se ha utilizado la evaporación secuencial de Cu, Y2O3 y BaF2 para la obtención de láminas delgadas superconductoras de YBa-CuO sobre substratos de Si monocristalino con orientación [100], recubiertos con una lámina barrera de Zr02. Se han estudia-do los efectos de la variación de los espesores relativos de las láminas constituyentes y del espesor total de la lámina resul-tante. Las láminas se han caracterizado mediante medidas de la variación de la resistencia con la temperatura, microscopía electrónoca de barrido, difractometría de rayos X, microson-da electrónica y espectometría de masas de iones secundarios. Las láminas presentan un ligero carácter semiconductor en el estado normal, con temperaturas de inicio de la transición su-perconductora alrededor de 90 K, y resistencia nula, en el me-jor de los casos, a 45 K. ABSTRACT.—Thin films of Y-Ba-Cu-O obtained on Si[100]. Superconducting YBaCuO thin films have been obtained by sequential evaporation of Cu, Y2O3 and BaF2 on Zr02 coated Si [10Ô] substrates. The individual layer thickness and the films thickness were varied in order to study their effects on the film properties. The films were characterized using electrical measurements, scanning electron microscopy, x-ray diffrac-tometry, electron microprobe and secondary ion mass spec-trometry. The films show a nonmetallic normal-state behaviour, with an onset temperature around 90 K and zero resistance lower than 45 K. 1. INTRODUCCIÓN La evaporación secuencial es un método sencillo para la prepa-ración de láminas delgadas de YBaCuO, que permite un buen con-trol de la composición mediante el ajuste de los espesores de las capas individuales. El método ha sido ampliamente utilizado para la obtención de este tipo de láminas sobre substratos monocristali-nos tales como MgO, Zr(Y)02 y SrTiOg (1,2), sin embargo para las aplicaciones tecnológicas estos substratos no son los más ade-cuados, y es necesario la utilización de substratos semiconducto-res, aislantes o metálicos, tales como Si, AsGa, AI2O3, W o di-versos aceros (3, 4, 5, 6, 7). El uso de estos substratos en métodos de depósito que requieren alta temperatura de proceso, tales como la evaporación secuencial, conlleva la dificultad de una fuerte in-teracción entre la lámina y el substrato, que hace difícil la obten-ción de buenas propiedades superconductoras. Otro problema que presentan estos substratos es el debido a los diferentes coeficientes de dilatación térmica, que dan lugar a grandes esfuerzos mecáni-cos durante el proceso de enfriamiento de la lámina desde la tem-peratura de depósito o de tratamiento térmico hasta la temperatura ambiente. Estos esfuerzos mecánicos, en ocasiones, producen mi-crogrietas que dificultan la formación de un camino continuo para la conducción eléctrica. En trabajos anteriores hemos presentado los resultados obteni-dos en nuestro laboratorio en láminas delgadas superconductoras de YBaCuO obtenidas mediante la evaporación secuencial de Cu, Y2O3 y BaF2 sobre substratos de AI2O3 y Si[100] (8, 9). Los pro-blemas de interacción entre las láminas y los substratos hemos in-tentado minimizarlos siguiendo dos caminos: por un lado median-te la utilización de una barrera de difusión entre la lámina y el substrato; y por otro a partir del depósito de varios grupos de tres capas constituyentes con espesores proporcionalmente inferiores pa-ra dar el mismo espesor total. En lo que respecta a las láminas ba-rrera se han utilizado capas de Zr02, Ag, Cu, BaTi03 sobre sus-tratos de AI2O3, y de ZrOj sobre Si[100]. Por otra parte se han obtenido láminas con espesores de 0,6-0,8 /xm a partir de una, diez y treinta secuencias de estructuras Cu/Y203/BaF2. En general la utilización de la lámina barrera permite la obtención de mejores propiedades en las láminas, y el uso de múltiples secuencias de lá-minas constituyentes da los mejores resultados en el caso de diez secuencias sobre AI2O3 (8). Una de las consecuencias de la inte-racción entre la lámina y el substrato es la presencia de una com-posición, en la zona próxima a la intercara, diferente a la del res-to, lo que hace que las propiedades de las láminas puedan depender de manera notable de su espesor. Para estudiar este efecto y el de la variación de la composición, hemos depositado láminas de es-pesores totales diferentes y láminas con espesores distintos de las capas constituyentes. En este trabajo se presentan los resultados obtenidos en láminas preparadas sobre ZrO2/Si[100] a partir de una secuencia Cu/Y203/BaF2 con dos espesores distintos de las ca-pas de Cu, Y2O3 y BaF2 y con dos espesores totales para la mis-ma relación Cu/Y203/BaF2-2. EXPERIMENTAL La evaporación secuencial de Cu, Y2O3 y BaF2 se ha realizado en un sistema de vacío a partir de dos fuentes de W, calentadas por efecto Joule, para el Cu y el BaF2 y un cañón de electrones para el Y2O3. La presión residual fue de 10^ mbar y durante la evaporación se mantuvo una presión de oxígeno de 10""^  mbar. Las láminas se depositaron sobre substratos de Si[100] previamen-te recubiertos con una lámina barrera de Zr02 de 0,5 /^ m obteni-da mediante evaporación con cañón de electrones. Se depositaron tres láminas con la secuencia Cu/Y203/BaF2 y los espesores, con-trolados mediante un monitor de cuarzo, fueron de 107, 159 y 190 nm para el Cu; 97, 168 y 195 nm para el Y2O3, y 560, 533 y 620 nm para el BaF2. Después del depósito de la multicapa Cu/Y203/BaF2 se realizó un tratamiento térmico de dos etapas para la obtención del com-puesto superconductor. En la primera etapa la multicapa se calen-tó en flujo de oxígeno húmedo a una temperatura de 850°C, y en la segunda se utilizó un flujo de oxígeno seco a una temperatura de 400°C. En la tabla I se presentan las condiciones del tratamien-to térmico. La dependencia de la resistencia con la temperatura se midió con el método de los cuatro contactos en el intervalo 10-300 K. La com-posición se determinó a partir de medidas de microsonda electró-nica (EDX), y los perfiles de composición se obtuvieron mediante espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS). La estruc-tura se estudió mediante microscopía electrónica de Barrido (SEM) y difractometría de rayos X (XRD). 430 BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 6 Obtención de láminas delgadas de Y-Ba-Cu-O sobre Si[100] TABLA I CONDICIONES DEL TRATAMIENTO TÉRMICO Y PROPIEDADES DE LAS LAMINAS Muestra e T, (°C) ti (min) Ri (kfi) T2 (°C) (min) R2 (Í2) Tc,i (K) (K) IZ12 0,7 850 6,5 1,3 400 8 220 92 IZ23 1,0 850 10 0,3 400 20 135 92 45 IZ24 0,7 850 10 0,5 400 20 230 92 35 e: espesor T], T2: temperaturas de tratamiento t], t2: tiempos de tratamiento R|, R2: resistencia después de cada tratamiento T^y. temperatura de inicio de la transición superconductora T(. Q: temperatura de resistencia nula 3 . RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la figura 1 se presentan las características resistencia-tem-peratura de las láminas obtenidas. Se observa en todos los casos un comportamiento semiconductor en el estado normal, que no pa-rece depender del espesor total de la lámina (muestras IZ23 e IZ24), pero que es más acusado para la muestra de composición distinta (IZ12). Todas las muestras presentan un inicio de la transición su-perconductora alrededor de 90 K, y una temperatura de resisten-cia nula, en el mejor caso, de 45 K (tabla I). I 111 I I 11 11 I 11 I I I 11 I I 11 11 I 111 11 I 11 I I I I ; I 50 100 150 200 250 Temperatura (K) 300 Fig. \ .—Dependencia de la resistencia con la temperatura de las láminas delgadas de YBaCuO. Las láminas, aún obtenidas con distintos espesores de las lámi-nas individuales, presentan en todos los casos composiciones alre-dedor de la razón estequiométrica 1:2:3, con pequeñas inhomoge-neidades a lo largo de las muestras. Los perfiles de composición de las láminas (figura 2) indican que el Zr02 es eficaz como barrera de difusión para el Si, Cu e Y, aun-120 Fig. 3.—Microfotografias de microscopía electrónica de barrido de las lá-minas de YBaCuO a) Muestra IZ12, b) Muestra IZ23, y c) Muestra IZ24. 120 Spu t t e r t i m e (m in ) (b) Fig. 2.—Perfiles de composición de dos láminas de YBaCuO de distintos espesores depositadas sobre ZrO2/Si{J00\. a) Muestra IZ24, b) Muestra IZ23. NOVIEMBRE-DICIEMBRE, 1991 431 X. QUERALT, M. VÁRELA, J. L. MORENZA O Z5 "D O c CD IZ23 123[103]/[013] IZ12 i T O o m ^^ o o <N o CM o CD O •PO CNÍ N 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 •T-r-r 30 20  40 ,„,50 60 70 2Ö O Fig. 4.—Espectros de difracción de rayos X de las láminas de YBaCuo. que no parece adecuado para evitar la difusión de Ba hacia el inte-rior de la barrera. Es de señalar la alta señal de F que se observa en el perfil de la muestra IZ24. Las microfotografías obtenidas en el microscopio electrónico de barrido indican una morfología superficial granular, con granos re-gulares para las muestras IZ23 e IZ24, y con granos elongados o de formas irregulares para la muestra IZ12 (figura 3). Es de desta-car también la presencia de microgrietas atribuibles a los diferen-tes coeficientes de dilatación térmica de la lámina y el substrato. Los espectros de difracción de rayos X (figura 4) indican la for-mación de la fase superconductora de YBaCuO, junto con otros compuestos de Ba, Cu, Zr, F y O2. La formación de compuestos distintos a YBa2Cu307_x depende del espesor de la capa y de su composición. La ausencia de resistencia nula en la muestra IZ12 puede ser debida a la formación de estos compuestos en las fronte-ras de grano, mientras que en el caso de las muestras IZ23 e IZ24 las fases distintas, principalmente BaZrOg, se podrían formar en la lámina barrera y afectarían en menor cuantía a la conducción. La formación de BaZr03 en la lámina barrera se pone de mani-fiesto en la alta presencia de Ba que se ha observado en los perfiles de composición. Por otra parte los picos asignados a CUF2 en la muestra IZ24 estarían relacionados con la alta presencia de F indi-cada para esta lámina. Las láminas no presentan una orientación cristalográfica preferencial notable, sin embargo se observa una ma-yor orientación [006], correspondiente al eje c perpendicular al subs-trato, en las láminas IZ23 e IZ24, mientras que la lámina IZ12 pre-senta una mayor orientación [103], correspondiente al eje c paralelo al substrato. La presencia de granos alargados en las microfoto-grafías de la muestra IZ12 está relacionada con la orientación del eje c paralelo al substrato, mientras que la estructura granular de las otras muestras se relaciona con el eje c perpendicular. Estos tipos de orientación preferente podrían explicar el mayor o menor jarácter semiconductor de las muestras en el estado normal. 4. CONCLUSION Se han obtenido láminas delgadas superconductoras con diferente composición y espesor sobre substratos de silicio. Ese espesor de la lámina no parece afectar de manera significativa a las propieda-des, mientras que la composición influye en las propiedades es-tructurales a través de la formación de compuestos distintos del YBa2Cu307_x y de las distintas orientaciones cristalográficas de éste. Estas propiedades a su vez determinan las características de conducción. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la colaboración de los Servicios de Es-pectrometría de Masas de Iones Secundarios, Microscopía Elec-trónica y Espectroscopia de la Universidad de Barcelona. Este trabajo forma parte de un programa de investigación finan-ciado por la CICYT (proyecto MAT 89-0253) y Red Eléctrica de España, S. AJUNESA (programa MIDAS). BIBLIOGRAFÍA 1. HESS, N . , TESSLER, L . R . , DAX, U . y DEUTSCHER, G.: Preparation and patterning of YBaCuO thin films obtained by sequential deposition of CuOx/Y203/BaF2. Appl. Phys. Lett., 53 (1987), 8, 698-699. 2. TsAUR, B.-Y., DiLORio, M. S. y STRAUSS, A. J.: Preparation of su-perconducting YBa2Cu30x thin films by oxygen annealing of multila-yer meta films. Appl Phys. Lett., 51 (1987), 11, 858-860. 3. Qiu, C. X. y SHIH, I.: Y-Ba-Cu-O thin films prepared by a multilayer vacuum method. Appl. Phys. Lett., 52 (1988), 7, 587-589. 4. MiGLUOLO, M. , STAMPER, A. K., GRÈVE, D . W . y SCHLESINGER, T. E.: Single target sputtering of superconducting YBa2Cu307_5 thin films on Si(lOO). Appl. Phys. Lett., 54 (1989), 9, 859-861. 5. M A , Q . Y . , YANG, E . S . y CHANG, C H . - A . : Rapid thermal annealing of YBaCuO thin films deposited on SÍO2 substrates. J. Appl. Phys., 66 (1989), 4, 1.866-1.868. 6. WITANACHCHI, S . , PATEL, S . , Z H U , Y . Z . , KWOK, H . S . y SHAW, D . T.: Flexible stainless steel foil as a substrate for superconducting Y-Ba-Cu-O films. J. Mater. Res., 5 (1990), 4, 717-720. 7. Russo, R. E. , READE, R , P . , M C M I L L A N , J. M. y OLSEN, B . L . : Me-tal buffer layers and Y-Ba-Cu-O thin films on Pt and stainless steel using pulsed laser deposition. J. Appl. Phys., 68 (1990), 3 , 1.354-1.356. 8. QuERALT, X., VÁRELA, M., GARCÍA-CUENCA, M. V. y MORENZA, J . L.: YBa2Cu307_x superconducting thin films by sequential evapora-tion on alumina substrates. J. of Less-Commom Metals, 164&165 (1990), 430-437. 9. QuERALT, X. , VÁRELA, M., GARCÍA-CUENCA, M. V. y MORENZA, J . L.: Superconducfing Y-Ba-Cu-O thin films on Si and AI2O3 substra-tes. Proc. Int. Conf on Adv. Mat. ICAM-91, Symposium À-1 (May 1991) Strasbourg. 432 BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR. VOL. 30 - NUM. 6 

Obtención de láminas delgadas de Y-Ba-Cu-O sobre Si (100)

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