激光化学气相沉积法第二代高温超导薄膜及其缓冲层材料的制备及研究

来源 :武汉工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuwenhuaji11987
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超导材料自1911年发现至今,已被开发出上百种超导体,材料种类包含了单质、氧化物、合金、有机物等,其超导转变温度也不断提升。第二代高温超导体YBa2Cu3O7-x(YBCO)因其良好的磁场下电学性能和高临界转变温度等优势颇被看好,应用领域及发展前景广阔。YBCO带材的核心层YBCO超导薄膜的主要制备方法有:金属有机沉积法、共蒸发法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法和金属有机化学气相沉积法(MOCVD)等。在这些方法中,MOCVD法具有沉积效率高、薄膜纯度高且覆盖平均、与基板结合度好、沉积区域大等优势非常适合YBCO带材的大规模生产。本论文在MOCVD的基础上使用了激光增强技术,即激光化学气相沉积法(LCVD)制备了YBCO超导薄膜及其缓冲层CeO2薄膜。LCVD利用激光的光效应及热效应,不仅能够降低基板的加热温度,还可以促进前驱体分子分解,加快反应进程,从而提高沉积速率,同时LCVD还具有区域选择生长及膜厚精确可控等优点。本论文首先使用固相前驱体供给源激光化学气相沉积设备,在多晶Al2O3基板上制备了成分单一,高质量的YBCO薄膜。之后将固相源激光化学气相沉积设备升级为喷液雾化-多元共析激光化学气相沉积设备,并在Hastelloy C276基板上制备了双层YBCO/CeO2薄膜。本论文主要探究了实验条件对YBCO薄膜的成分、CeO2和YBCO薄膜各项性能及生长情况的影响。使用固相源在多晶Al2O3基板上制备的YBCO薄膜,制备的YBCO薄膜样品成分中含有以下物相:YBCO、Cu YO2、Cu2O、Cu4O3、Y2O3、Cu O、Cu Ba O2、Ba Y2O4、Ba2Cu3Ox。在激光功率为130 W,沉积温度为1123 K,腔体压强为1 k Pa,前驱体Y(DPM)3、Ba(DPM)2、Cu(DPM)2的蒸发温度TY=453 K、TBa=603 K、TCu=453 K的条件下制得的c-轴取向YBCO薄膜纯度较高,薄膜生长情况较好,缺陷较少。同时,载流气的速率会影响前驱液的扩散程度,最终影响YBCO薄膜成分。使用喷液雾化-多元共析激光化学气相沉积设备(Spray Atomizing and Coprecipitating Laser CVD,SAC-LCVD)在具有多缓冲层La Mn O3/Mg O/Gd2Zr2O7的Hastelloy C276金属基板上制备的YBCO/CeO2薄膜,对于CeO2缓冲层薄膜,腔体压强范围Ptot=0.2-1.4 k Pa。在Ptot=0.2-1.0 k Pa时,CeO2薄膜呈现(100)择优取向;在Ptot=1.2-1.4 k Pa下制备的CeO2薄膜,CeO2薄膜(100)取向为择优取向,且(111)、(220)和(311)取向共存。在Ptot=0.8 k Pa时,TC取最大值为5.9,ω-扫描在CeO2(200)晶面的半宽高值FWHM取最小值为3.4o。在Ptot=0.8 k Pa时,CeO2薄膜由平均尺寸约150nm的小晶体颗粒均匀排列组成,并覆盖有金字塔状的顶部,厚度为560 nm,Rdep为16.8μm h-1;双层薄膜中YBCO薄膜在激光功率PL=120 W(Tdep=841 K)时,YBCO薄膜呈(110)择优取向,薄膜由厚度约为510 nm的具有(110)取向颗粒的上层部分和厚度约为120 nm的c-轴取向晶粒的底部部分组成。
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