緩沖層外延生長及其與超導層的相互影響機制研究.pdf

1、涂層導體是基于雙軸織構(gòu)金屬襯底上沉積緩沖層和超導層的類單晶氧化物涂層，在77K下具有高臨界電流密度，因此是液氮溫區(qū)強磁場應用的關(guān)鍵材料。涂層導體是由金屬襯底/（單層、復合多層）緩沖層/超導層/保護層組成的多層膜結(jié)構(gòu)復合材料。目前，緩沖層和超導層的制備技術(shù)主要分為兩大類，其中，以真空技術(shù)為基礎的脈沖激光沉積和磁控濺射是目前制備高性能涂層導體的主要技術(shù)途徑;而以非真空技術(shù)為基礎的化學溶液沉積是工業(yè)化低成本涂層導體的重要發(fā)展方向。由于化學溶液

2、沉積技術(shù)具有成本低、薄膜組份易于控制以及易于實現(xiàn)連續(xù)制備等特點，所以采用化學溶液沉積技術(shù)制備緩沖層和超導層，是實現(xiàn)涂層導體大規(guī)模制備的關(guān)鍵技術(shù)途徑。為了獲得高性能的涂層導體 帶材，就有必要對化學溶液沉積過程中緩沖層的外延生長、織構(gòu)傳遞以及阻隔擴散機制、緩沖層與超導層相互作用機制進行系統(tǒng)的研究，而且對緩沖層外延生長及其與超導層相互作用機制的研究也有利于緩沖層和超導層結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化，并推動涂層導體的產(chǎn)業(yè)化進程。
　　本論文采用傳統(tǒng)A

3、r-H2還原性氣氛和混有低濃度CO2的混合氣作為保護氣體制備了不同形貌的氧化鈰緩沖層，利用低氟前驅(qū)液采用快速制備法沉積了YBCO超導層。采用金相顯微鏡(OM)、原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了緩沖層和超導層的宏觀和微觀形貌，并分析了它們的粗糙度;采用X射線衍射(XRD)技術(shù)對緩沖層和超導層的相組成、結(jié)晶度以及織構(gòu)度進行了分析;采用X射線光電子能譜(XPS)對CeO2-δ緩沖層的表面以及內(nèi)部化學成分進行分析，系統(tǒng)地研

4、究了緩沖層的外延生長、織構(gòu)傳遞和阻隔擴散機制、還進一步研究了緩沖層與超導層的相互作用機制，詳細研究內(nèi)容包括:
　　(1)本文利用低濃度CO2在合適的溫區(qū)內(nèi)與金屬有機沉積法所沉積緩沖層中殘留碳反應來達到明顯的除碳效果，同時抑制薄膜表面裂紋的形成，制備的緩沖層厚膜，且其面內(nèi)和面外掃描半高寬值分別為9.3°和6.3°。同時，應用表面化學成分分析的方法，對裂紋形成的原因進行了詳細討論。分析認為裂紋是由于受到表面張應力而產(chǎn)生的，沿裂紋分布著

5、無定型碳和少量碳酸鹽的大顆粒。張應力的產(chǎn)生源于膜中氧空位的形成，隨著部分Ce元素化合價的降低，氧空位濃度增加，薄膜內(nèi)部張應力不斷累積，最終在表面形成裂紋。
　　(2)制備了Ce0.8M0.2O2-δ(M=Ti、Zr和Hf)與未摻雜的CeO2-δ緩沖層薄膜，研究了摻雜元素的離子半徑對緩沖層外延生長和阻隔擴散行為的影響;還制備了Ce0.9M0.1O2-δ(M=Ba、La和Zr)與未摻雜CeO2-δ緩沖層薄膜，研究了摻雜元素化合價對緩沖

6、層阻隔擴散行為的影響，發(fā)現(xiàn)摻雜元素離子半徑可以通過改變晶格常數(shù)來調(diào)節(jié)緩沖層與襯底之間的壓應力，而薄膜內(nèi)部的壓應力有利于緩沖層發(fā)生(00l)取向生長;同時發(fā)現(xiàn)摻雜元素的離子半徑對緩沖層薄膜的面外織構(gòu)較其面內(nèi)織構(gòu)影響更大。摻雜離子半徑對緩沖層的表面粗糙度也有較大影響，摻雜元素離子半徑與Ce離子半徑越接近，緩沖層的表面粗糙度越小。摻雜元素的離子半徑和化合價會影響氧空位形成能、摻雜能、氧離子遷移能以及摻雜元素-氧缺陷的締合能，其中離子半徑對氧離

7、子遷移能的影響最大，而化合價卻對氧空位濃度和摻雜能的影響較大。
　　(3)采用金屬有機沉積(MOD)技術(shù)分別在LaAlO3(LAO)、YSZ(Y穩(wěn)定的ZrO2)和Ni-W襯底上沉積了CeO2-δ薄膜，研究了緩沖層與襯底晶格失配對緩沖層結(jié)構(gòu)、織構(gòu)以及表面形貌的影響。隨著晶格失配度增加，薄膜內(nèi)部的壓應變應力增加，晶界濃度增加，晶粒生長速率較小;晶格適配度小有利于薄膜的高織構(gòu)度。
　　(4)通過在不同氣氛下制備表面形貌不同的緩沖層

8、薄膜，研究緩沖層形貌對超導層的影響。結(jié)果表明，緩沖層原子級平坦的區(qū)域面積越大，有利于超導相的形成。在緩沖層表面粗糙的圓形晶粒區(qū)域，形核密度減小，YBCO層中a軸晶則較多，導致YBCO層超導性能降低。還研究了緩沖層的膜厚對超導層性能的影響，結(jié)果表明，較厚的緩沖層不僅有利于阻隔氧擴散、簡化緩沖層結(jié)構(gòu)，而且其面外和面內(nèi)織構(gòu)度都較高，也容易將金屬襯底的織構(gòu)傳遞到超導層。
　　(5)通過MOD技術(shù)連續(xù)制備緩沖層和超導層，研究超導層厚度對緩沖