Neue Forschungsergebnisse eines Teams von Wissenschaftlern des Cornell University Center for Bright Beams haben bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung neuer Techniken gemacht, um das Wachstum von Materialien zu steuern, die in Teilchenbeschleunigern der nächsten Generation verwendet werden.
Die Studie, veröffentlicht im Zeitschrift für Physikalische Chemie Czeigt das Potenzial für eine bessere Kontrolle über das Wachstum von supraleitenden Nb3Sn-Schichten, was die Kosten und die Größe der für die Supraleitungstechnologie erforderlichen kryogenen Infrastruktur erheblich reduzieren könnte.
Supraleitende Beschleunigeranlagen, wie sie für Freie-Elektronen-Röntgenlaserstrahlung verwendet werden, verlassen sich auf supraleitende Niob-Hochfrequenz(SRF)-Hohlräume, um hochenergetische Strahlen zu erzeugen. Allerdings schränken die damit verbundene kryogene Infrastruktur, der Energieverbrauch und die Betriebskosten von Niob-SRF-Hohlräumen den Zugang zu dieser Technologie ein.
Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher daran gearbeitet, supraleitende Materialien zu identifizieren, die bei Temperaturen über 2 Kelvin mit vergleichbaren Qualitätsfaktoren wie SRF-Hohlräume aus Niob (Nb) betrieben werden können. Eines der vielversprechendsten Materialien ist Triniob-Zinn (Nb3Sn), eine Legierung mit einer Betriebstemperatur von 18 Kelvin, wodurch der Bedarf an teurer kryogener Infrastruktur reduziert wird.
Trotz theoretischer und experimenteller Fortschritte bei der Leistung von Nb3Sn-beschichteten Hohlräumen besteht immer noch Bedarf an einem gründlichen Verständnis dafür, wie Nb3Sn-Legierungsfilme höherer Qualität gezüchtet werden können.
„Nb3Sn-Hohlräume werden die Beschleuniger der Zukunft sein“, sagt Ritchie Patterson, Helen-T.-Edwards-Professor für Physik am College of Arts and Sciences und Direktor des Center for Bright Beams. „Die Weiterentwicklung dieser Wissenschaft wird nur durch vielfältige Kooperationen ermöglicht – ein wichtiger Schwerpunkt im Herzen des CBB. Die Expertise und die enge Zusammenarbeit zwischen allen unseren Partnerinstitutionen treiben diese Forschung in die Zukunft.“
Diese neue CBB-Forschung, die von experimentellen Materialchemikern an der University of Chicago in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern an der University of Florida durchgeführt wurde, liefert die ersten Bilder von Sn auf oxidiertem Niob im atomaren Maßstab, die die frühen Stadien der Nb3Sn-Bildung darstellen. Diese Visualisierung der Sn-Adsorption und -Diffusion auf oxidiertem Niob ist ein wesentlicher Fortschritt bei der Erstellung einer mechanistischen Formel zur Optimierung der Herstellung von Beschleunigerhohlräumen der nächsten Generation.
„Die Qualität und Beschleunigungsleistung von Nb3Sn hängt von vielen komplizierten Variablen ab, die während des Wachstumsvorgangs eine Rolle spielen“, sagt Sarah Willson, CBB-Doktorandin an der University of Chicago und zusammen mit der Postdoktorandin Rachael Farber Co-Hauptautorin der Arbeit. „Unser Ziel ist es, die ersten Schritte eines komplizierten Wachstumsprozesses zu untersuchen und bestimmte Variablen in einem kontrollierten Umfeld zu isolieren.“ Ihre Wachstumsexperimente auf atomarer Ebene werden durch die Quantentheorie des Doktoranden Ajinkya Hire unterstützt.
Während Nb3Sn-Beschleunigerhohlräume vorbereitet werden, zielen die Wissenschaftler darauf ab, Verunreinigungen und Verunreinigungen aus dem Niobhohlraum zu reduzieren, um eine sauberere und gleichmäßigere Oberfläche zu erreichen. Der Hohlraum wird dann in Gegenwart von Sn-Dampf auf hohe Temperaturen erhitzt. Dies bewirkt, dass das Sn in die Nb-Schicht diffundiert und Nb3Sn bildet. Während sorgfältige Maßnahmen ergriffen werden, um einen makellosen Nb3Sn-Film zu züchten, zeigt ein genauer Blick über den Hohlraum eine stark ungeordnete, raue, polykristalline Oberfläche – nicht die konsistente Einkristalloberfläche, die ideal für ein streng kontrolliertes Experiment ist.
Willson erklärt, dass sie zur Durchführung dieses Experiments in gewisser Weise den realen Prozess der Hohlraumherstellung nachbilden, aber die erforderlichen Temperaturanforderungen weiter übertreffen – das Erhitzen der Materialien auf 1630 Grad Celsius und die Schaffung eines atomar flachen Niobs Oxidoberfläche, um die Wechselwirkungen von Sn, Nb und O auf atomarer Ebene zu demonstrieren.
Beobachtungen von Metalloxiden werden routinemäßig unter Verwendung von Rastertunnelmikroskopie, STM, durchgeführt, die Informationen auf atomarer Ebene enthüllt. Der spezifische Aufbau zur Untersuchung des Nb3Sn-Wachstums mit STM ist jedoch nicht ohne weiteres verfügbar. Also haben Willson und Farber eine erstellt.
Sie entwarfen und bauten eine kundenspezifische Metallabscheidungskammer, um das Sn auf der Nioboberfläche abzuscheiden. Diese Technik bildet die reale Umgebung nach, in der Beschleunigerhohlräume entwickelt werden – mit der Fähigkeit, Oberflächenkontaminationen zu verhindern – und ermöglicht es den Forschern, die Abscheidung mit STM zu untersuchen.
„Wir haben ein hochmodernes STM-Setup genommen, das nicht wirklich gebaut wurde, um metallisches Wachstum und Legierungsbildung bei hohen Temperaturen zu untersuchen, aber durch die Mittel von CBB haben wir die intermetallische Wachstumskammer hinzugefügt, die es uns ermöglicht, diese Experimente durchzuführen in-situ“, sagt Willson und erklärt, dass die Verwendung des Abschnitts des intermetallischen Wachstums die einzelnen Sn-Atome zeigt, die sich in den Niob-Untergrund integrieren.
„Wir sehen, dass selbst in unserer stark kontrollierten Umgebung die Nb-Oberfläche als Haupthindernis dient, um die für die Nb3Sn-Bildung erforderliche Sn-Diffusion zu verhindern“, sagt Willson. „Die Verbesserung des Nb3Sn-Wachstums ist viel mehr als nur die Entwicklung einer gleichmäßigen Beschichtung aus Zinn auf Niob.“
Diese Studie wurde vom korrespondierenden Autor Steven Sibener, Carl William Eisendrath Distinguished Service Professor an der University of Chicago, in Zusammenarbeit mit dem CBB-Fakultätsmitglied Richard Hennig, Alumni-Professor für Materialwissenschaft und -technik an der University of Florida, geleitet.
Sibener, ein physikalischer Chemiker, sagt, dass die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Bereichen der Beschleuniger- und Nichtbeschleunigerwissenschaften seiner Erfahrung nach einzigartig ist, was dazu beiträgt, die Grundlagen für die Weiterentwicklung von Teilchenbeschleunigern zu legen, und freut sich auf die vielversprechenden Entwicklungen von Nb3Sn.
„Die Zusammenarbeit, die CBB entfacht, die Möglichkeit für Oberflächenchemiker, Materialingenieure, Beschleunigerphysiker und Theoretiker, auf diese Weise zu interagieren, hat diese Forschung sicherlich gestärkt und gestärkt“, sagt Willson. „Persönlich habe ich ein tieferes Verständnis dafür gewonnen, wie man die Herausforderungen, die mit dem unterschiedlichen Jargon, den Prioritäten und Forschungsperspektiven in den wissenschaftlichen Bereichen verbunden sind, richtig meistert. Viele Chemiker interessieren sich für diese Art von Herausforderungen beim metallischen Grenzflächenwachstum, denen sich Ingenieure und Physiker gegenübersehen. Diese Zusammenarbeit ermöglichte eine umfassende interdisziplinäre Kommunikation, die die Durchführung einer solchen Studie komfortabler und effizienter gemacht hat.“
Mehr Informationen:
Sarah A. Willson et al., Submonolayer- und Monolayer-Sn-Adsorptions- und Diffusionsverhalten auf oxidiertem Nb(100), Das Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c08458