基于IBAD路線制備YBCO超導(dǎo)帶材緩沖層的研究.pdf

1、YBa2Cu3O7-x（YBCO）高溫超導(dǎo)帶材具有優(yōu)異的電學(xué)性能，在輸電線纜、強磁體、電動機、限流器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。為了獲得高性能的YBCO超導(dǎo)帶材，必須制備出高質(zhì)量的緩沖層來為YBCO提供生長襯底。目前，緩沖層的制備過程中仍存在一些關(guān)鍵問題需要解決：如高質(zhì)量的雙軸織構(gòu)、高的制備成本和緩沖層的均勻性等。因此，本論文致力于在金屬基底上制備低成本、高質(zhì)量、良好均勻性的緩沖層，主要內(nèi)容如下：
　　1、自主設(shè)計了低成本的溶液沉積平

2、坦化（SDP）系統(tǒng),利用該系統(tǒng)在哈氏合金（Hastelloy C276）基底表面制備Y2O3非晶薄膜,研究了熱處理溫度和涂覆層數(shù)對非晶薄膜的表面形貌和結(jié)晶性的影響,成功制備出5μm′5μm范圍內(nèi)表面均方根粗糙度（RMS）僅為0.2 nm的非晶薄膜,為IBAD-Mg O的生長提供了良好的襯底,然而Y2O3薄膜在熱處理過程中可能出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象,并且在后續(xù)La Mn O3（LMO）模板層制備過程中,Y2O3會出現(xiàn)重結(jié)晶的現(xiàn)象。因此,本實驗室在Y

3、2O3薄膜中摻雜Al2O3來提高非晶薄膜的結(jié)晶溫度,相比于Y2O3（500℃）,Y2O3-Al2O3（YAl O）的熱穩(wěn)定性更高,最優(yōu)化熱處理溫度范圍更寬（480540℃）,在后續(xù)LMO層制備過程中沒有出現(xiàn)重結(jié)晶現(xiàn)象。
　　2、利用離子束輔助沉積（IBAD）技術(shù)在非晶薄膜表面制備Mg O織構(gòu)層,在短樣上成功制備出面外半高寬（（35）w）2.4°左右,面內(nèi)半高寬（（35）（37））3.7°左右的Epi-Mg O/IBAD-Mg O薄

4、膜。利用高能電子衍射儀（RHEED）實時監(jiān)測IBAD-Mg O的雙軸織構(gòu)演化過程,發(fā)現(xiàn)雙軸織構(gòu)在形核階段突然形成（薄膜厚度大約為2.2 nm）。R.T.Brewer等人提出的小島級聯(lián)理論能夠解釋IBAD-Mg O雙軸織構(gòu)形成的過程,基于該理論,利用一種兩步法來加速IBAD-Mg O的雙軸織構(gòu)形成過程,使IBAD-Mg O在厚度僅為0.5 nm時便能獲得雙軸織構(gòu)。利用自外延技術(shù)在IBAD-Mg O襯底同質(zhì)外延了一層Mg O薄膜（Epi-M

5、g O）,薄膜的表面形貌及雙軸織構(gòu)均得到了改善。成功制備出50 m長Epi-Mg O/IBAD-Mg O薄膜,薄膜的織構(gòu)均勻性良好,面外半高寬和面內(nèi)半高寬分別為3°左右和6°左右。理論上,雙面YBCO能夠使臨界電流翻倍,從而產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益。因此,本論文設(shè)計了雙面IBAD-Mg O緩沖層結(jié)構(gòu),為雙面YBCO薄膜提供良好的生長襯底。克服了雙面IBAD-Mg O緩沖層的制備技術(shù)難題,制備了50 m長雙面Epi-Mg O/IBAD-Mg O

6、薄膜,一面Mg O薄膜的（35）w和（35）（37）分別為2.83.2°和5.36.7°,另一面Mg O的（35）w和（35）（37）分別為2.63.3°左右和4.26°。
　　3、采用低成本的中頻反應(yīng)磁控濺射法（MF）制備雙面LMO模板層,并對該系統(tǒng)的加熱裝置進(jìn)行改造,新的加熱裝置原理是將直流電通入緩沖層帶材兩側(cè),利用基帶自身電阻產(chǎn)生的熱量來給薄膜外延生長提供能量。新的加熱方式可以提升溫度的均勻性,并實現(xiàn)帶材的快速升降溫。經(jīng)驗證

7、,MF-LMO的最大制備效率高達(dá)67 m/h。在最優(yōu)化工藝下制備了20 m長雙面LMO模板層,薄膜的雙軸織構(gòu)均勻性和一致性良好,一面的（35）w和（35）（37）分別為2°左右和45°,另一面的（35）w和（35）（37）分別為2°左右和56°。最終獲得的YBCO帶材兩面的臨界電流分別為180 A/cm-width和110 A/cm-width,兩面總臨界電流為290 A/cm-width,驗證了雙面緩沖層結(jié)構(gòu)的技術(shù)可行性。
　　

8、4、通過將LMO模板層直接沉積在IBAD-Mg O薄膜表面的方法來簡化緩沖層制備工藝,降低制備成本。XRD的q-2q掃描結(jié)果顯示LMO薄膜沉積在IBAD-Mg O表面需要較高的生長溫度（820℃）來克服LMO與IBAD-Mg O之間大的晶格應(yīng)變能。最優(yōu)化條件下制備LMO/IBAD-Mg O薄膜的面外半高寬和面內(nèi)半高寬分別為3.5°和7.2°,最終緩沖層制備工序可降至3道,而國際通用的緩沖層制備工序則為6道,因此,該結(jié)構(gòu)簡化了緩沖層的工藝

9、步驟,降低了制備成本。
　　5、開發(fā)了新的IBAD織構(gòu)化材料（Na F,Na Cl）,與IBAD-Mg O相比,Na F與Na Cl具有以下優(yōu)點:1、在涂覆層數(shù)為4層的Y2O3襯底上（5μm′5μm,RMS=8nm）,Epi-Na F/IBAD-Na F（（35）w=2°,（35）（37）=7.5°）與Epi-Na Cl/IBAD-Na Cl（（35）w=2.1°,（35）（37）=8°）能夠獲得高質(zhì)量的雙軸織構(gòu),而IBAD-Mg