Публикации: Научно-популярные статьи

Высокая анизотропия свойств ряда функциональных материалов требует создания двуосно- текстурированных слоев, а для некоторых применений еще и на гибких длинномерных подложках. Типичный пример - высокотемпературные сверхпроводники, разориентация кристаллитов которых на 5-10 градусов может привести к падению транспортного критического тока на порядки величин.

Перспективные ВТСП устройства - токовводы, ограничители токов - требуют высоких абсолютных значений тока. Естественный компромисс между высоким удельным и абсолютным значением тока достигается в толстых ВТСП пленках. Важно найти подходящий способ текстурирования. Наиболее популярный в настоящее время метод эпитаксии эффективен лишь для тонких (~1мкм) пленок при использовании дорогих монокристаллических подложек (Рис.1). Кроме того, методы осаждения тонких пленок сами по себе достаточно дороги и трудоемки.

Улучшает (но при этом и осложняет) ситуацию использование расплавных методов для формирования крупнокристалличности толстых пленок. С одной стороны, агрессивная среда (в случае ВТСП – купратный расплав), конечно же, не должна взаимодействовать с материалом подложки. Но, с другой стороны, именно наличие жидкой фазы обеспечивает рост и взаимную подстройку кристаллитов. Совместить несовместимое и продвинуться вперед в создании универсальной технологии удалось совместными усилиями ученых исследовательской фирмы ACCESS (ACCESS - это совместная фирма, сформированная сотрудниками Центра по исследованию процессов кристаллизации в космическом пространстве (Аахен, Германия) и химического факультета МГУ [1]. Для текстурирования толстых (~50-100мкм) пленок использовали гибридный подход – ориентирующее влияние подложки (формально аналогичное эпитаксии тонких пленок) и формирование крупных зерен из расплава (стандартно использующееся при синтезе объемных материалов). Оригинальность методики в том, что соответствующий симметричный рельеф, повторяющий симметрию (канавки или квадратная насечка) и типичный размер (0.1-1мм) кристаллизующейся фазы YBa₂Cu₃O_z формировали искусственно на поверхности ленточной подложки из достаточно дешевого промышленного поликристаллического нетекстурированного серебра. Создание такого поверхностного рельефа обеспечивает взаимную ориентацию в плоскости (ab) до 90% растущих из расплава кристаллитов ВТСП (рис. 1).

В основе метода лежит целый ряд физико-химических явлений [1,2]:

• специфические аспекты смачивания, поверхностного натяжения и мениска, гетерогенного зародышеобразования, перераспределения компонентов расплава;
• капиллярные эффекты;
• эффекты кристаллизационного давления;
• топографическое влияние стенок элементов рельефа.

По аналогии с известным для тонких пленок термином «графоэпитаксия» [2,3] разработанный прием получил название «графотекстурирование». Процесс достаточно универсален и позволяет текстурировать совершенно различные материалы на практически произвольных подложках. При детальной и тщательной проработке он может привести к полному текстурированию материала поликристаллического слоя в соответствии с симметрией расположения искусственных элементов рельефа.

О простоте метода свидетельствует то, что уже сейчас на Химическом факультете МГУ организована задача спецпрактикума для студентов 5 курса. Один из типичных и легко воспроизводимых примеров текстурированных образцов показан на Рис.3.

По всей видимости, эпоха «самосборки» функциональных материалов на разных уровнях (от молекулярного [4] до субмиллиметрового [5]) приближается большими шагами. Это явлениеназывают разными именами: «графоэпитаксия» [2], «графотекстурирование» [1], флюидная самосборка, микрореплики, однако, вероятно, недалек тот день, когда подобные наукоемкие «гибридные» технологии начнут приносить свои практические дивиденды. А пока «самосборка» представляет собой перспективную область исследований для специалистов самого различного профиля.

1. E.A. Goodilin, E.S. Reddy, J.G. Noudem, M. Tarka, G.J. Schmitz, Texture formation in meltsolidified YBa2Cu3Oz thick films by artificial surface reliefs, J. Cryst. Growth, 2002, v. 241, pp. 512– 534 (PDF файл доступен по электронной почте, goodilin@inorg.chem.msu.ru)
2. E.I.Givargizov, Artificial epitaxy (graphoepitaxy), // ch. 21 in: Handbook of Crystal Growth, part 3b, ed. D.T.J.Hurle, Thin films and epitaxy, // Elsevier, Amsterdam, 1994, pp.941-995.
3. Miyazawa S, Mukaida M, Formation of stacking-faults in atomic graphoepitaxial alpha-axis YBa2Cu3Ox, thin films on (100)SrLaGaO4 substrates, // J. J. APPL. Phys., 1996, v.35, n. 9B, pp. L1177-L1180
4. J.Aizenberg, A.J.Black, G.M.Whitesides, Control of crystal nucleation by patterned self-assembled monolayers, NATURE, V.398, 1999, pp.495-498
5. H.O.Jacobs, A.R.Tao, A.Schwartz, D.H.Gracias, G.M.Whitesides, Fabrication of a Cylindrical Display by Patterned Assembly, SCIENCE, V.296, pp.323-325