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Crescimento de Filmes Finos
Supercondutores de Alta Temperatura
Crítica por Desbastamento Iônico
Thiago J. de A. Mori, Lúcio S. Dorneles
Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos
Departamento de Física
Centro de Ciências Naturais e Exatas
Universidade Federal de Santa Maria
97105-900 Santa Maria – RS – Brasil
www.ufsm.br/lmmm
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Objetivos
Introduzir os conceitos fundamentais que caracterizam o fenômeno da supercondutividade;
Definir os parâmetros de deposição adequados para a formação da fase supercondutora em filmes finos de Y-Ba-Cu-O, no novo sistema de deposição de filmes finos de óxidos do LMMM / UFSM.
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Supercondutividade
Kammerling Onnes (em 1911)
Condutividade Perfeita Diamagnetismo Perfeito - Efeito Meissner
Meissner e Ochsenfeld (em 1933)
Além de os supercondutores excluírem o campo magnético de seu interior, um campo em uma amostra inicialmente normal também é expelido quando ele é resfriado abaixo de Tc
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Supercondutores dos Tipos I e II
Curvas de Magnetização características de supercondutores (a) do tipo I e (b) do tipo II
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Deposição por Desbastamento Iônico (Sputtering)
RESPUTTERING (íons O- e átomos de O)
Diferença na estequiometria entre filme e alvo
Resputtering
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Deposição por Desbastamento Iônico (Sputtering)
Maneiras de contornar o problema:
• Trabalhar com pressões tão altas quanto for possível;
• Projetar o sistema para que a voltagem e a potência no canhão sejam as menores possíveis;
• Posicionar o substrato fora do eixo do canhão;
• Magnetron Sputtering com configuração não balanceada.
Eom et al. [2] mostraram que foi com uma geometria fora do eixo e altas pressões foi possível produzir filmes com estequiometrias excelentes, e ainda resolveu-se o problema da inomogeneidade ao longo do filme.
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Deposição por Desbastamento Iônico (Sputtering)
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Estrutura Cristalina
Ortorrômbica
OU
Tetragonal
Fase Supercondutora ‘123’
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Estrutura Cristalina
Ortorrômbica
OU
Tetragonal
Tratamento Térmico (in situ ou ex situ)
CT oS 800~
Condições para o crescimento da fase ‘123’:
• A deposição deve ocorrer a uma temperatura próxima da transição da fase tetragonal para supercondutora;
• A cristalização do filme durante a deposição precisa ser completa;
• A oxidação durante a deposição e resfriamento precisa ser suficiente para resultar na estequiometria correta.
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Estrutura Cristalina
Substratos:
• As estruturas cristalinas e os coeficientes de expansão térmica do filme e do substrato devem ser compatíveis;
• O substrato não pode ser reativo quimicamente com o HTS;
• A superfície do substrato deve ser polida e estável.
Substratos Não-Compatíveis precisam ser cobertos por uma camada buffer.
Bons candidatos para substrato de filmes finos de Y-Ba-Cu-O:
LaAlO3 , SrTiO3 , MgO
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Espessura
Em filmes finos (< 0,5 µm) a temperatura crítica e a densidade de corrente crítica são menores que em filmes mais grossos.
Resistividade em filmes de Er-Ba-Cu-O
Mesmo filmes com apenas 50% da fase supercondutora apresentam a queda brusca em ρ(T)
A supercondutividade na fase ‘123’ é fortemente anisotrópica e a resistividade é duas ordens de grandeza maior ao longo do plano do que no eixo c.
JC paralela ao plano do filme é da ordem de 102A/cm2, perpendicular ao plano é da ordem de 104A/cm2
Como a espessura é da ordem da célula unitária, a rugosidade do substrato sempre influencia nas características do filme depositado.
Na camada superior normalmente se observa a formação de ilhas ou então crescimento espiral.
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Proposta de Trabalho
Construir um porta-substratos adequado:
Que proporcione o crescimento de filmes finos na geometria fora do eixo;
Sistema de aquecimento e controle de temperatura.
Determinar os parâmetros necessários para o crescimento de filmes finos de óxidos com os equipamentos disponíveis no LMMM, com o objetivo de obter um filme fino.
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Referências Bibliográficas
Trabalho financiado com recursos
[1] M. Leskelä, J. K. Truman et al., J. Vac. Sci. Technol. A 7, 3147 (1989).[2] C. B. Eom, J. Z. Sun, B. M. Lairson et al., Physica C 171, 354 (1990).[3] J. M. Triscone and O. Fischer, Rep. Prog. Phys. 60, 1673 (1997).[4] N. Savvides and A. Katsaros, Appl. Phys. Lett. 62, 528 (1992).[5] C. B. Eom, J. Z. Sun, K. Yamamoto et al., Appl. Phys. Lett. 55, 595 (1989).[6] A. Tsukamoto, E. Tsurukiri, Y. Soutome et al., Physica C 392, 1245 (2003).[7] P. G. Quigley, R. A. Rao and C. B. Eom J. Vac. Sci. Technol. A 15, 2854 (1997).[8] C. P. Foley, S. W. Filipczuk, N. Savvides et al., IEEE Trans. Magnet. 27, 3036 (1991).[9] C. Blue and P. Boolchand, Appl. Phys. Lett. 58, 2036 (1991).[10] R. A. Rao, Q. Gan and C. B. Eom, Appl. Phys. Lett. 69, 3911 (1996).[11] MAROUCHKINE, A. Room-Temperature Superconductivity. 1a. ed. Cambridge InternationalScience Publishing, 2004.[12] TINKHAM, M. Introduction to Superconductivity. 2a. ed. Dover Books on Physics,2004.