Сверхпроводящие пленки. Высокотемпературная сверхпроводимость

Эффект сверхпроводимости, открытый еще в 1911 г., довольно давно применяется в науке и технике. Его использование позволило создать мощные магниты (применяемые, например, в установках для исследования управляемого термоядерного синтеза, при разработках безрельсовых транспортных средств с магнитной подвеской), силовые кабели, сверхбыстродействующие тонкопленочные переключающие элементы, датчики сверхмалых токов и магнитных полей (так называемые сквиды — сверхпроводящие квантовые интерферометры).

Два последних типа приборов, а также и ряд других им подобных, созданы на основе сверхпроводников, разделенных тонкими (до 1,5 нм) диэлектрическими, металлическими или полупроводниковыми прослойками или перемычками. На основе таких слоистых структур были созданы интегральные схемы (переключатели, генераторы, запоминающие элементы и др.). Ведутся разработки супер-ЭВМ на сверхпроводниковых интегральных схемах.

Преимущества сверхпроводников и приборов на их основе позволили бы им занять более значительное место в различных областях, если бы не одно обстоятельство. До 1986 г. все известные сверхпроводящие материалы проявляли это свойство только при очень низких температурах, недалеко отстающих от абсолютного нуля. Рекордсменом до недавнего времени являлось соединение Nb3Ge с температурой сверхпроводящего перехода 23,2 К (немного выше температуры жидкого водорода). Задача охлаждения до таких низких температур давно решена, но такие процессы остаются сложными и (что более важно) очень дорогостоящими. Чрезвычайно соблазнительным являлось получение материалов с температурой сверхпроводимости, не меньшей температуры жидкого азота (77 К — 196° С), который в определенном смысле представляет собой отход металлургической промышленности (образуется при производстве жидкого кислорода) и стоит очень дешево.

В 1986 году в соединении BaLaCuO удалось обнаружить сверхпроводимость при температуре 35 К. В 1987 г. на керамике YBaCuO достигнута температура 92 К. В настоящее время имеются публикации о достижении на подобных соединениях температуры сверхпроводимости около 150 К! Таким образом, за несколько лет произошел революционный скачок в исследованиях сверхпроводимости, открывающий большие перспективы. Открытый эффект пока не имеет теоретического объяснения (напомним, что теория сверхпроводимости для известных ранее материалов была создана только через 46 лет после открытия эффекта сверхпроводимости), но уже ведутся работы по его применению в различных областях.

Не касаясь таких отраслей, как силовая электроника, транспорт и т. п., остановимся на некоторых аспектах получения и использования тонкопленочных структур на основе высокотемпературных сверхпроводников. Именно эти структуры могут явиться основой для изготовления нового поколения сверхпроводниковых дискретных элементов и интегральных схем для использования в микроэлектронике и связанных с нею отраслях.

Получение топких пленок любых материалов всегда сопряжено с рядом трудностей. Их причины различны, но фундаментальным ограничением является влияние поверхностей и границ раздела пленок на их параметры и отклонение последних от характеристик блочного материала. Природа такого влияния различна. Это и возникновение поверхностных электронных состояний, заряд на которых может неконтролируемым образом изменяться при адсорбции примесей из атмосферы, и механические напряжения, особенно сильно проявляющиеся в тонкопленочных структурах, и возможность диффузии инородных атомов через поверхности и границы раздела, и, наконец, химические реакции на границах раздела фаз. При этом материал пленки может взаимодействовать как с материалом подложки, так и с имеющимися в ней примесями.