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化学溶液沉积法快速制备钇钡铜氧涂层导体及机理研究

朱晓垒  
【摘要】:以钇钡铜氧(YBa_2Cu_3O_(7-δ))为代表的涂层导体的发展推动了高温超导体实用化进程。然而,在制备YBa_2Cu_3O_(7-δ)(YBCO)涂层导体过程中,YBCO具有较强的各向异性和晶界弱连接性,致使YBCO超导薄膜输运能力下降。因此,YBCO需沉积在具有(L00)方向织构的柔性金属基带上,借助金属衬底将织构传递到YBCO超导薄膜中。如今,比较成熟的金属基带(主要是镍合金)制备路线有两种:轧制辅助双轴织构基底技术(RABiTS)和离子束辅助沉积技术(IBAD)。然而,在制备过程中,衬底中金属离子容易扩散到YBCO超导薄膜中,破坏薄膜的超导电性。因此,在金属衬底和超导薄膜之间还需添加缓冲层来解决这个问题。缓冲层既要充当扩散壁垒阻挡衬底中的金属有害离子向超导层扩散,又要充当超导层的外延模板优化和匹配超导层晶格,从而生长出高性能的YBCO超导层。近年来,虽然YBCO涂层导体已经开始应用,低成本仍然是实现涂层导体产业化的前提和保证。简化涂层导体每一层制备工艺,特别是缓冲层结构及工艺是降低涂层导体成本的有效途径,是实现规模化的关键;另外,涂层导体的制备周期一般较长,提高带材制备效率,缩短制备时间也是降低成本的重要途径。在众多的制备方法中,化学溶液沉积(CSD)法以其容易控制成分和不需要真空系统,容易实现大规模连续化生产等优点备受重视,成为未来发展方向。然而,在YBCO热处理合成过程中,较高的热处理温度常把金属基带氧化且在表面形成(111)取向的NiO薄膜,严重影响YBCO超导层的织构和性能。因此,很有必要在镍合金表面率先氧化一层c轴织构且表面致密的种子层以保证后续缓冲层和超导层的有效外延。该种方法简易高效,被认为是一条适合工业化生产的捷径。然而,以往的基带氧化通常在空气中进行,过高的氧化温度降低了基带的机械强度,不利于长带的连续制备。本论文采用普氩气氛下中温氧化和空气中退火再结晶优化制备了 NiO(LOO)薄膜,降低了镍金属氧化温度。以往CSD法制备涂层导体各层薄膜时挥发和分解过程同时进行,致使反应复杂,只能以缓慢的升温速度才能保证外延薄膜的平整,整个热处理过程需要10h以上。本论文将挥发和分解过程分开进行,采用溶剂沸点以下干燥和前驱物固态分解的形式快速制备了缓冲层和YBCO超导层。首先,借助乳酸溶剂和硝酸盐前驱物配制新的SmBiO_3 (SBO)和Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(2-Δ)(CSO)缓冲层前驱溶液。通过调整缓冲层前驱体热处理工艺分别快速制备了平整致密、高度织构的SBO和CSO缓冲层薄膜。整个制备周期缩短至2h以内。另外,缓冲层薄膜的质量直接影响着后续YBCO超导层的制备和性能。在薄膜成相外延过程中,外延温度、外延时间、氧分压和衬底晶格失配等因素对薄膜外延的影响很大,只有在平整且高度c轴取向的缓冲层薄膜上才能外延生长出高性能的YBCO超导薄膜。因此,本论文针对SBO薄膜成相外延中主要影响因素进行了详细分析,一些结果对高温超导带材工业化进程具有促进作用,同时有助于理清薄膜外延生长过程中一些基础问题,为其它薄膜材料外延生长提供指导。最后,采用类似的方法快速沉积了 YBCO(OOL)超导层。首先探索了 YBCO超导薄膜在LaAlO_3(LAO)单晶衬底上的快速生长工艺。然后,将YBCO超导薄膜外延工艺分别移置到SBO/YSZ、SBO/NiO/Ni-W和CSO/YSZ衬底上,制备了 YBCO涂层导体短样,并分析了涂层导体的超导性能,YBCO超导层热处理制备周期被缩短到4h以内。本论文为全化学法快速制备YBCO涂层导体提供一条高效节能途径。


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