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高温超导YBCO薄膜中纳米氧化物结构的制备与研究

刘宇  
【摘要】: 超导材料的应用大都需要有较大的Jc。高温超导体(HTS)在低温外加磁场条件下拥有较高的临界电流密度Jc值。然而,Jc在高磁场条件下随温度升高而急剧降低,这主要是因为HTS内在的晶态各向异性和热起伏影响所致。缺乏有效的磁通钉扎中心也是另一个非常重要的原因。 YBCO高温超导体超导性能的提高主要是通过在基体中形成高密度,分布合理,尺寸与相干长度相当的晶体缺陷作为有效的磁通钉扎中心来实现的。为提高钉扎缺陷的密度,人为的引入纳米氧化物结构是行之有效的方法。 本文主要研究在LaAlO3 (LAO)衬底基片上外延生长YBCO薄膜,并以三种不同的方式在薄膜中掺入非超导相纳米氧化物RxOy (BaZrO3, Y2O3)结构作为人工磁通钉钆中心(APCs),探讨不同掺杂方式引入不同钉钆中心对YBCO薄膜的外延特性及超导性能的影响。 本实验采用固相反应法制备了YBCO及掺杂氧化物原材料,利用固相烧结工艺制备含氧化物体积比为1.5vol%的YBCO-RxOy复合靶材,纯YBCO靶材,纯氧化物靶材,并对制备出的粉体及靶材进行了测试分析,获得高质量的超导及氧化物靶材。 本文采用脉冲激光沉积技术(PLD)在LaAlO3 (LAO)基片的(100)面上外延生长不同掺杂方式掺入非超导性纳米氧化物的YBCO薄膜。第一种方式为通过脉冲激光直接轰击掺入了体积比为1.5vol%的BaZrO3(BZO)的YBCO-BZO复合靶材沉积YBCO-BZO薄膜,并通过实验得到最佳制备工艺参数;第二种方式为通过控制脉冲沉积次数等工艺参数首先在LAO衬底上预沉积纳米氧化钇对衬底进行预处理修饰,然后再沉积纯YBCO或YBCO-BZO复合膜;第三种方式为在LAO衬底上交替生长YBCO-RxOy复合膜,形成YBCO-BZO与YBCO-Y2O3各五层的多层膜结构。以上各结构膜厚均控制在300nm左右。 用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)对所制备的YBCO薄膜的物相结构、外延特性及表面形貌进行观察测试,分析表征其在液氮温区高磁场条件下临界电流密度Jc值,得到最佳工艺参数下的超导性能优异的超导薄膜。


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