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高温超导材料液相外延生长过程中的取向控制以及热稳定性能的研究

蔡衍卿  
【摘要】: 液相外延生长技术能够制备具有高结晶性、化学组分和物理性均匀一致的高温超导厚膜材料,由于其快速沉积和低成本的优势在高温超导体线材和器件开发等方面都具有诱人的应用前景。多年以来,我们研究的目标集中于实现REBa2Cu3Oz (REBCO,RE为稀土元素)膜材料的液相外延生长中严格的取向控制,即在这种强烈各向异性的体系中得到具有纯净取向的样品,以满足器件制造或者超导物性研究的需求,同时为超导领域中最具有实用意义的线材研究提供有科学价值的创意。本论文的主要科学意义在于,研究清楚了液相外延厚膜取向转变的生长机制,解决了在取向生长竞争的研究中长期以来一些复杂困惑的难题,且在此基础上实现了厚膜的单一取向控制生长,对于REBCO外延膜制备中的取向转变物理机制的理解以及微观结构的控制给出了普适性的指导意见。经过几年的努力,目前主要在YBa2Cu3Oz (YBCO)液相外延膜的a/c轴取向转变机制、严格控制YBCO厚膜的面外取向以及面内取向生长等方面取得了一些重要成果。 1.液相外延生长YBCO厚膜中的a/c轴取向转变机制 在气相沉积过程当中,YBCO薄膜的取向被许多因素所制约,如基板材料、沉积温度和氧分压等。想要得到具有单一c轴或a轴取向的YBCO薄膜具有一定难度,尤其是高品质的a轴取向膜,这种特殊的超导膜使得制备与本征约瑟夫森结的物理特性相关的器件成为可能。尽管人们发现通过液相外延法,在(110)取向的NdGaO3单晶基片上、某些特定的温度和熔剂组分下能得到a轴取向的YBCO厚膜,但是对于过饱和度和a/c轴取向转变之间的联系尚未有一个清晰的机制。为了研究和YBCO面外取向选择有关的生长动力学,我们通过调整生长条件对YBCO液相外延厚膜的面外取向进行严格的控制,澄清了关于YBCO液相外延膜a/c轴取向转变的实验争论。我们的实验结果表明,在(110)取向的NdGaO3基片上a轴取向YBCO晶粒总是优先形核,基于“形核与生长”理论建立了YBCO厚膜a/c轴取向转变的合理微观生长机制,结合各种热力学和动力学条件,深刻地解释了只有在富铜熔剂和低过饱和度下才适合a轴取向YBCO生长的原因。 2.氧气氛对于液相外延YBCO厚膜面外取向的关键影响 文献中显示在空气中适合a轴取向YBCO膜的液相外延的生长窗口狭窄并且不稳定。有意思的是,我们确定了a/c轴生长竞争中氧含量所起的重要作用:认为在a轴的生长模式中,各类粒子只需要很短的迁移距离就能达到合适的生长位置。因而想要得到a轴YBCO的稳定生长,应该充分利用富氧的环境来抑制生长单元的表面迁移能力。在上述热力学和动力学理论的指导下,我们通过引入纯氧气氛的生长条件,大大拓宽了纯a轴取向厚膜的生长窗口。首先,在文献中无法生长a轴取向厚膜的Ba:Cu=3:5熔剂中得到了高品质的纯a轴取向YBCO厚膜;其次,纯氧气氛使得原本敏感而狭窄的a轴生长窗口增至超过20K,提供了能稳定制备高品质a轴厚膜的新的热力学生长条件。该工作无论对于实现高品质单一a轴取向的超导器件的应用还是弄清楚氧含量在a轴生长中起到的促进作用都具有重要的意义。 3.氧气氛对液相外延YBCO厚膜面内取向的控制 在和高温超导线材相关的研究中,YBCO晶粒面内取向的单一性对于得到优良的载流特性来说不可或缺,因此研究具有不同面内取向晶粒的稳定性具有重要意义。我们采用具有八重对称性的YBCO种膜(同时包含0o和45o两种YBCO晶粒),施以纯氧气氛的生长环境进行液相外延实验。令人吃惊的是,所得到的YBCO厚膜体现出纯45o的面内取向,与文献中在空气环境中得到纯0o厚膜的结果截然相反,意味着我们发现了一种全新的面内取向优先生长现象。在这部分工作中,第一我们制备出了特殊的具有单一45o面内取向的YBCO液相外延膜;第二,结合固溶体NdBCOss体系中的优先生长现象,通过从界面上终结原子层到晶粒氧含量区别的分析,我们全面地阐述了纯氧气氛对于45o面内取向的YBCO晶粒生长的选择机制。我们还进一步结合高分辨率透射电镜(HRTEM)等手段研究了YBCO厚膜界面处的原子结构,探讨相异的面内取向是否对应于不同的最终原子层,乃至对超导厚膜的临界电流性能也产生影响。 通过本论文的工作,希望能对液相外延中REBCO厚膜各种生长取向的竞争给出定性的指导方向,并且期望在将来的工作中能在理解生长机制的基础上,通过对微观结构的控制从而改进物理性能,以适应超导线材以及器件的需求。


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