This work has consisted in the production of Nb3Sn multilayer samples on niobium and sapphires substrates, and the subsequent interdiffusion by annealing. The multilayer deposition was made with two planar magnetrons with targets, respectively in Niobium and Thin, and a rotary plate, equidistant from the target, that contains the samples. The possibility to control the magnetrons current intensity permits to deposit thin films from the stoichiometry desired. Successively, the samples are annealed at 950°C and characterized. The study on the samples is essential in order to inquire the productive method to use for the niobium cavities. Up to now, previous works have produced Nb3Sn multilayer samples only on sapphire, not on niobium. Indeed, the deposition on Nb represents a lacking plug within the huge puzzle of the comprehension of the mechanism of the superconductive power of Nb3Sn. The deposition of Nb3Sn directly on niobium substrate has not been experienced, yet. In this way, it is possible to study the microstructural and superconductive properties of the film to have indications and then extend the deposition technique inside the cavities.

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2. UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PADOVA
FACOLTA’ DI SCIENZE MM. FF. NN.
CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN SCIENZA DEI MATERIALI
DEPOSIZIONE DI FILM
SUPERCONDUTTIVI
DI Nb3Sn PER MULTILAYER
SPUTTERING E POST- ANNEALING
Relatore Candidato
Prof.Vincenzo Palmieri Andrea Staiano
Correlatore
Dott. Antonio A. Rossi
19 Giugno 2009

3. Cavità acceleratrici in RF
La cavità è un dispositivo costruito
con materiale conduttivo in grado di
immagazzinare energia sottoforma
di OEM stazionarie ed oscillanti ad
una frequenza w0
l’energia immagazzinata è sfruttata
per accelerare i fasci di particelle
I fattori caratterizzanti una cavità risonante sono:
Vacc U G
Eacc  Q0  2 0 
d Pd RS

4. Cavità acceleratrici in RF
Sfruttando le proprietà superconduttive di alcuni materiali, quale il niobio,
è possibile raggiungere campi acceleranti più elevati, esendo la resistenza
superficiale inferiore rispetto ad un normal-conduttore

5. Materiali SC per cavità risonanti
Tc (Nb) = 9,25K
TC Top
I  I 0e
Top = 1,8K
Lavorare a T > 4,2K evitando il raffreddamento con He superfluido
Composti A15

6. I composti A15
Composti A3B
Gruppo spaziale: Pm3n – Oh3
B: cubico a corpo centrato (ccc)
A: disposti lungo
<100>, <010> e <001>
A: metalli transizione IV, V e VI
colonna
(Ti,Zr,V,Nb,Cr..)
B: metalli III e IV colonna o
metalli nobili
(Al,Ga,Ge,Sn,Si, o Au,Pt,..)
rA rA
1 Sperimentalmente: 0,84 
rB
 1,12
rB

7. Nb3Sn
Sn: cubico a corpo centrato
Nb: catene lungo
<100> <010> <001>
TC = 18K
Fasi esistenti
Nb(1-b)Snb 0,18  b  0,25
Nb6Sn5
NbSn2

8. PARTE SPERIMENTALE
Deposizione di multilayer (ML) di Nb e Sn da
magnetron planari e successivo annealing
Obbiettivi
Configurazione del sistema di deposizione
Procedura sperimentale
Analisi e caratterizzazione dei film ottenuti:
Profilometro
SEM
TC
XRD

9. Obbiettivi
La tecnica ML era stata sperimentata SOLO
su substrati di zaffiro;
È nostro interesse studiare ed approfondire
la tecnica di deposizione su substrati di Nb
Mettere a punto una tecnica produttiva
efficiente per cavità risonanti SC

10. Configurazione del sistema di
deposizione

11. Configurazione del sistema di
deposizione
Magnetron
Movimentazione
piatto
portacampioni
raffreddamento

12. Procedura sperimentale
ZAFFIRI NIOBIO

13. Procedura sperimentale
Pulizia
Montaggio dei substrati
Deposizione del film ML
Annealing

14. Procedura sperimentale
Montaggio dei substrati Su ogni faccia del piatto:
1 substrato in Nb
3 substrati in zaffiro
2 substrati in zaffiro
mascherati

15. Procedura sperimentale
Deposizione del film ML
Vuoto di base: 10-9 mbar
Vuoto di proccesso: p(Ar) = 8 10-3 mbar
1. Strato cuscinetto in Nb per 2’30” INb = 1,23 A ; ISn = 0 A
2. ML di Sn e Nb per 20’ INb = variabile; ISn = 0,15 A
3. Overlayer di Nb per 4’ INb = 1,23 A ; ISn = 0 A
Sessione I Sessione II
INb [A] 1,50 0,15
ISn [A] 1,80 0,15
INb /ISn 10 12

16. Procedura sperimentale
Annealing
Da ogni deposizione vengono trattati
termicamente 3 campioni (1 Nb e 2 zaffiri)
1 Nb + ML Nb e Sn con INb/ISn = 10
2 zaffiri + ML Nb e Sn con INb/ISn = 10
1 Nb + ML Nb e Sn con INb/ISn = 12
2 zaffiri + ML Nb e Sn con INb/ISn = 12
Trattamento termico a 950°C per 30’

17. Analisi e caratterizzazione
Profilometro t SessioneI  1650 25nm
t SessioneII  1735 5nm
SEM

18. Analisi e caratterizzazione
Misura della TC
Equazione di Matthiessen
 (T )  th (T )  res R(300K )
RRR 
R(20K )

19. Analisi e caratterizzazione
Misura della TC
T( 90%)  T(10%)
TC 
2
T( 90%)  T(10%)
TC 
2
R (300K )
RRR 
R ( 20K )
TC TC RRR
INb = 1,5 A 15,6 0,8 1,73
(Sessione I)
15,5 1,0 1,68
INb = 1,8 A 15,0 1,3 1,03
(Sessione II)
14,6 1,7 1,13

20. Analisi e caratterizzazione
XRD - zaffiro

21. Analisi e caratterizzazione
XRD - Nb

22. Conclusioni
Spessore depositato: 1500 – 1700 nm
TC(BEST) = 15,6 K e TC = 0,8 K; RRR< 2
TC (Nb3Sn) = 18 K
La presenza di fasi spurie (Nb, NbSn2, Nb2C)
pregiudicano le proprietà SC dei campioni
INb = 1,8 A (Sessione II)  eccesso di Nb
compromette la qualità del film

23. Conclusioni
I risultati ottenuti hanno confermato le potenzialità
della tecnica ML
Deposizione su Nb presenta le stesse
caratteristiche dei film su zaffiro
È necessario continuare la ricerca sulla
tecnica ML per ottimizzarla
alle cavità risonanti

24. Sviluppi futuri

26. Appendice A: I composti A15
1953: Hardy & Hulm,
V3Si con TC = 17,1K
1954: Nb3Sn, Nb3Al,
Nb3Ga e Nb3Ge

27. Appendice A
Dalla teoria BCS:
 1 
TC  1,14 D exp 
 D E    * 

 F 
Per i metalli di transizione:
EF  ne a
23
ne a Numero di elettroni di
valenza per atomo

28. Appendice A
L’alta TC dei materiali A15 è dovuta alle
catene di atomi A lungo le tre direzioni
principali, generando una densità elettronica
monodimensionale nella banda d
Rottura della continuità:
Impurezze: arrotondamento picchi DOS
Sost. B con A: creazione di una banda d
competitiva che sottrae e-

29. Appendice B

30. Appendice C

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