Анализ иерархии взаимодействий в сложных системах очень часто помогает получать упорядоченные системы путем использования приема самосборки, который применим и к созданию упорядоченных ансамблей наночастиц, и микрочастиц, и нано-структурированных, и важных функциональных материалов. В последнем случае достаточно интересным примером служит прием графотекстурирования, который получил свое название по аналогии с классической “графоэпитаксией”. 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.
Рис.1. Способы текстурирования функциональных материалов
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 YBa2Cu3Oz 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. 2).
Рис. 2. Текстурированная поликристаллическая пленка YBa2Cu3Oz
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. Один из типичных и легко воспроизводимых примеров текстурированных образцов показан на Рис.3.
Рис.3. Образец серебряной ленты с искусственным рельефом, двуосно-текстурирующим игольчатые кристаллы ВТСП фазы Bi2212 (оптическая фотография слева: 1 – часть ленты с рельефом из параллельных царапин, кристаллы ориентированы, 2 – рельеф отсутствует, кристаллы приобретают форму сферолитов, электронная микроскопия, справа: рост в «канавках» кристаллов щелочноземельных купратов на ранних стадиях синтеза)
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.
- 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
- 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.
- 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
- J.Aizenberg, A.J.Black, G.M.Whitesides, Control of crystal nucleation by patterned self-assembled monolayers, NATURE, V.398, 1999, pp.495-498
- 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
Источник: http://www.nanometer.ru/
Автор: Гудилин Евгений Алексеевич
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
