ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 3, с. 50-53
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.294'4:539.216.2
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК ПЛЮМБИДА ТАНТАЛА Та3РЬ
© 2004 г. А. Ж. Тулеушев, В. Н. Володин, Ю. Ж. Тулеушев, Е. А. Жаканбаев
Институт ядерной физики НЯЦ РК, 480082 Алматы, Казахстан, Ибрагимова, 1 Поступила в редакцию 28.04.2003 г.
Впервые непосредственным магнетронным распылением и соосаждением тантала и свинца на подложки из молибдена и вольфрама получены покрытия, представляющие собой раствор свинца в кубическом а-Та (до 2.5 ат. % РЬ), раствор свинца в тетрагональном в-Та (до 30 ат. % РЬ). В интервале концентраций от 30 до 60 ат. % свинец выделяется в отдельную фазу, сосуществующую с его твердым раствором в в-Та. При концентрации свинца более 60 ат. % покрытия состоят из смеси свинца и аморфной фазы Та-РЬ переменного состава. Определены параметры решетки каждой из фаз. Нагревом покрытий с концентрацией свинца 18-35 ат. % при 1700°С впервые синтезирован интерметаллид Та3РЬ со структурой А15 и определены межплоскостные расстояния для идентификации соединения. Криогенными испытаниями установлено отсутствие сверхпроводимости пленки Та3РЬ до 4.2 К.
Единственная известная авторам попытка синтезировать соединение Та3РЬ описана в работе [1], в которой обнаружена диффузия свинца в тантал на глубину около 17 мкм в результате изотермической выдержки запаянной танталовой ампулы со свинцом при 1300°С в течение 3 ч. Исследованием физических свойств диффузионного слоя установлено, кроме точек перехода свинца и тантала, наличие критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние при 17 К неизвестной фазы, предположительно отнесенной авторами к фазе со структурой Сг381 Позднее составителями справочного издания [2] эта неизвестная фаза была названа Та3РЬ при отсутствии данных об идентификации ее структуры и соответствия указанному составу.
В связи с этим выполнено исследование, имеющее целью синтез соединения Та3РЬ, определение его структуры, свойств и получение данных для идентификации соединения, результаты которого изложены в настоящей статье. При этом авторы опирались на полезный опыт, полученный ранее при синтезе в пленке близкого по свойствам составляющих компонентов соединения КЬ3РЬ со структурой А15 [3].
1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Методика формирования твердых растворов свинца в тантале магнетронным распылением металлов и их совместным соосаждением на перемещающуюся относительно потоков плазмы подложку аналогична изложенной в [3] с тем отличием, что на свободную поверхность сформированных пленок твердого раствора не наносилось защитное покрытие. В экспериментах использованы тан-
тал, содержащий 99.9 мас. % основного элемента, и свинец - 99.99 мас. %. Соотношение осажденных компонентов контролировали весовым методом по количеству распыленного и осажденного металла во время формирования покрытия и, параллельно, методом резерфордовского обратного рассеяния протонов на тандемном ускорителе. Для получения покрытий использованы подложки из вольфрама и молибдена. Выбор указанных металлов обусловлен их инертностью при температурах синтеза по отношению к компонентам покрытия. Синтез соединения Та3РЬ в полученных покрытиях осуществляли при давлении 10-1-10-2 Па нагревом при 1700°С. Рентгеноструктурные исследования выполнены на дифрактометре с кобальтовым излучением Хка = 0.179021 нм с графитовым монохроматором. Значение параметра решетки вычислено как среднее при использовании всех дифракционных линий от данной фазы.
1. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
С помощью указанной методики приготовлены образцы системы тантал-свинец в интервале концентраций от 0.2 до 99.9 ат. % РЬ. При изучении структуры полученных покрытий установлено, что при концентрациях до 2.5 ат. % (рис. 1) свинец растворяется в кубическом а-тантале. Растворение свинца сопровождается линейным увеличением параметра решетки Та от 0.3314 до 0.3321 нм в диапазоне концентраций свинца от 0.2 до 2.5 ат. % РЬ.
Превышение содержания свинца сверх указанного приводит к формированию твердого раствора на основе тетрагонального в-Та, параметры которого изменяются нелинейным образом в зависимости от содержания свинца (рис. 2). Величи-
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК ПЛЮМБИДА ТАНТАЛА Та3РЬ
51
а, нм
Рис. 1. Зависимость параметра решетки а-тантала от
концентрации свинца.
на параметров а и с решетки Р-твердого раствора увеличивается от 1.0194 и 0.5313 нм до 1.0343 и 0.5390 нм при изменении концентрации до 22 ат. % свинца, а далее уменьшается до 0.9883 и 0.5376 нм при увеличении концентрации свинца до 30 ат. %. Последнее обусловлено, по-нашему мнению, началом выделения свинца в аморфную фазу, не фиксируемую на дифрактограммах. Область существования твердого раствора свинца на основе Р-тантала простирается до 60 ат. % РЬ, однако, начиная с концентрации 30 ат. %, часть свинца выделяется в отдельную фазу, сосуществующую с твердым раствором свинца в Р-тантале. Увеличение концентрации свинца выше 60 ат. % приводит к получению покрытия, представляющего смесь свинца и аморфной фазы Та-РЬ переменного состава.
Стадийная термообработка покрытий на вольфрамовой и молибденовой подложках с концентрацией свинца 18 ат. % показала, что, начиная с 800°С, образуется фаза с простой кубической решеткой и параметром, равным 0.5450 нм, в присутствии других, неидентифицированных, фаз (рис. 3). Повышение температуры до 1550°С сопровождается появлением фазы, отнести которую к какой-либо сингонии не удалось. При 1650°С установлено появление кубической гранецентрированной (ГЦК) фазы с параметром 0.5724 нм и, в меньшем количестве, объемно-центрированной кубической (ОЦК) фазы с параметром 0.5483 нм и структурным типом А15. Причем на подложке из вольфрама доминирующей является фаза с ГЦК-структу-рой, а на подложке из молибдена ОЦК- и ГцК-структуры представлены в равных количествах.
При повышении температуры до 1700°С в полученных на обеих подложках покрытиях происходит подавление ГЦК-фазы с одновременным
а, нм
с, нм
Рис. 2. Зависимость параметров решетки Р-тантала от концентрации свинца.
уменьшением параметра ОЦК-фазы до 0.5474 нм. Выше 1700°С фаза со структурой А15 становится полностью доминирующей на обеих подложках.
Экспериментально установлено отсутствие зависимости параметров решетки синтезированного при 1700°С соединения Та3РЬ от концентрации свинца в исходных твердых растворах на основе Р-тантала в интервале 18-35 ат. % РЬ (табл. 1).
Примечательно, что увеличение температуры до 1850°С привело к плавлению полученного на вольфрамовой подложке покрытия с концентрацией свинца 21 ат. %, содержащего фазу Та3РЬ со структурой А15, формированию капель на поверхности подложки и их последующей кристаллизации в хорошо сформированные усеченные пирамиды (рис. 4) с параметрами решетки фазы, соответствующими таковым до плавления. В свя-
Таблица 1. Зависимость параметров решетки Та3РЬ со структурой А15 от концентрации свинца
Концентрация свинца, ат. % Параметр решетки фазы А15, нм
18 0.5464 ± 0.0007
21 0.5463 ± 0.0008
21* 0.5464 ± 0.0011
26 0.5465 ± 0.0008
35 0.5461 ± 0.0009
аю = 0.5464 ± 0.0009 ср
* Образец после плавления.
52
ТУЛЕУШЕВ и др.
Интенсивность
о „
©V
Л^А—/
* V
* *
□
*
и
ov
□
и'
и
и
45 40 35 30 25 20 Угол 0,град
15 10
Рис. 3. Дифрактограммы образца Та-РЬ с содержанием свинца 18 ат. % на подложке из молибдена при разных температурах термообработки:
а - 1550°С; б - 1650°С; в - 1700°С; * - фаза Та3РЬ (структура А15); □ - ГЦК-фаза; V - молибден (подложка); О - твердый раствор Та в Мо.
11 £3» щ
ш
й
К V
В-
V * ¿Р
Рис. 4. Микрокристаллы фазы ТазРЬ на поверхности вольфрамовой фольги после нагрева до 1850°С.
зи с тем, что наибольшая степень превращения первичного твердого раствора в фазу Та3РЬ была получена для данного образца, он использован для определения параметров кристаллической решетки искомой фазы. Определенные нами межплоскостные расстояния для идентификации Та3РЬ приведены в табл. 2.
Определить относительные интенсивности линий с межплоскостными расстояниями 0.1586 и
0.1292 нм не представляется возможным вследствие совпадения их с рефлексами от вольфрамовой подложки.
Криогенные испытания синтезированных покрытий Та3РЬ с концентрациями 18-35 ат. % РЬ, проведенные четырехзондовым методом измерения электрического сопротивления, показали отсутствие сверхпроводимости до температуры 4.2 К.
*
а
СИНТЕЗ И СВОЙСТВА ПЛЕНОК ПЛЮМБИДА ТАНТАЛА Ta3Pb
53
Таблица 2. Межплоскостные расстояния фазы Ta3Pb
Угол 0° Межплоскостное расстояние d-hkb нм Индексы плоскостей, (hkl) Относительная интенсивность I/I0
13.40 0.3862 (110) 100
19.22 0.2719 (200) 99
23.53 0.2242 (211) 6
27.55 0.1935 (220) 24
31.25 0.1725 (310) 2
34.45 0.1586 (222)
41.15 0.1360 (400) 8
43.85 0.1292 (411)
47.10 0.1222 (420) 0.4
Таким образом, впервые синтезировано соединение Ta3Pb со структурой А15 и получены данные для его идентификации. Констатировано отсутствие сверхпроводящих свойств указанного соединения до 4.2 К.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савицкий Е.М., Девингталъ Ю.В, Грибуля В.Б. Попытка прогноза перехода в сверхпроводящее состояние некоторых металлических соединений с помощью ЭВМ / Сверхпроводящие сплавы и соединения. М. 1972. С. 7-20.
2. Физические величины. Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З., М., 1991. С. 450.
3. Тулеушев А.Ж., Тулеушев ЮЖ., Володин ВН. Синтез пленок плюмбида ниобия Nb3Pb при пониженной температуре // ФММ. 2002. Т. 94. № 4. С. 77-79.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.