Author: Francesco Todescato ; Type of thesis: Magistralis Degree Thesis
Abstract: I superconduttori trovano applicazione principalmente in due settori: DC persolenoidi superconduttori ad alto campo e radiofrequenzaper le cavità risonantiacceleratrici.
Per un superconduttore in RF dalla teoria BCS si ricava che la resistenza superficiale è data dalla somma della resistenza BCS, inversamente proporzionale in scala logaritmica alla temperatura di lavoro, più un termine residuo che risulta proporzionale alla resistività nello stato normale. Per aver la minor dissipazione possibile nelle cavità si vuole diminuire la resistenza che incontrerà il segnale RF e quindi si vogliono diminuire entrambi i contributi della resistenza totale.
Al fine di minimizzare la resistenza residua si devono scegliere dei materiali aventi minima resistività in stato normale e quindi minor quantità di difetti possibile: il materiale deve essere il più “metallico” possibile. Bisogna inoltre avere una resistenza BCS nulla o quasi e quindi cercare dei superconduttori ad “alte” temperature critiche. Un metallo molto utilizzato che risponde ad entrambe le caratteristiche richieste è il niobio: esso infatti presenta una resistività in stato normale pari a 12,5⋅108 Ωm e transisce in stato superconduttivo alla temperatura di 9,2 K, che risulta alta rispetto agli altri metalli di transizione.
Le più alte temperature di transizione superconduttiva non sono state però trovate in metalli puri ma in leghe o composti chimici basati sui metalli di transizione. Vi sono molti composti intermetallici in cui si sono trovate temperature critiche superiori ai 10 K ma i più promettenti sono i composti con struttura A-15. Gli scopritori della superconduttività ad alta temperatura di questa classe di materiali furono Hardy e Hulm studiando il V3Si, seguiti poco dopo dagli studi di Matthias sul Nb3Sn.
La formula chimica di questi composti è A3B dove gli atomi B formano un reticolo bbc e gli atomi A formano catene lungo le facce del cubo.
La caratteristica tipica di queste strutture è che gli atomi A costruiscono famiglie di catene lineari che si intersecano e le distanze fra gli atomi appartenenti ad una catena è la minor distanza fra atomi presenti nella struttura A-15. Gli atomi A sono sempre costituiti da elementi di transizione mentre i B possono essere anche elementi non di transizione. Vi è però una netta differenza legata alla natura dell’atomo B: se questo non risulta essere un elemento di transizione la struttura A-15 risulta nettamente più ordinata che nel caso in cui si abbia un metallo di transizione. Dei molti diversi materiali A-15 esistenti, il Nb3Sn è quello più studiato per le sue caratteristiche di alta temperatura critica (Tc = 18 K) e bassa resistività in stato normale. Esistono anche degli A-15 aventi temperature critiche superiori ma solitamente non sono stabili o presentano resistività residue superiori. Attualmente il Nb3Sn viene prodotto o tramite diffusione termica di multilayer di niobio e stagno o, nel caso di films sottili, tramite sputtering. Dato che gli acceleratori di particelle sono composti da migliaia di cavità risonanti si capisce come sia fondamentale riuscire a depositare films sottili di materiali superconduttori in maniera semplice e poco costosa rispetto agli attuali metodi. La tecnica CVD, e in particolare MOCVD, è la più indicata per effettuare il ricoprimento di grandi superfici di forma complessa in maniera economica. Lo scopo della presente tesi è duplice:
a) la ricerca e la sintesi di precursori metallorganici che permettano il deposito di films sottili di niobio metallico e di composti a base dello stesso;
b) una volta ottenuti tali precursori si inizieranno delle crescite pilota di niobio metallico e di Nb3Sn in modo da ricavare le migliori condizioni possibili per il deposito dei films.