基于IBAD路线制备YBCO超导带材缓冲层的研究

摘要

YBa2Cu3O7-x（YBCO）高温超导带材具有优异的电学性能，在输电线缆、强磁体、电动机、限流器等领域有广阔的应用前景。为了获得高性能的YBCO超导带材，必须制备出高质量的缓冲层来为YBCO提供生长衬底。目前，缓冲层的制备过程中仍存在一些关键问题需要解决：如高质量的双轴织构、高的制备成本和缓冲层的均匀性等。因此，本论文致力于在金属基底上制备低成本、高质量、良好均匀性的缓冲层，主要内容如下：
　　1、自主设计了低成本的溶液沉积平坦化（SDP）系统,利用该系统在哈氏合金（Hastelloy C276）基底表面制备Y2O3非晶薄膜,研究了热处理温度和涂覆层数对非晶薄膜的表面形貌和结晶性的影响,成功制备出5μm′5μm范围内表面均方根粗糙度（RMS）仅为0.2 nm的非晶薄膜,为IBAD-Mg O的生长提供了良好的衬底,然而Y2O3薄膜在热处理过程中可能出现结晶现象,并且在后续La Mn O3（LMO）模板层制备过程中,Y2O3会出现重结晶的现象。因此,本实验室在Y2O3薄膜中掺杂Al2O3来提高非晶薄膜的结晶温度,相比于Y2O3（500℃）,Y2O3-Al2O3（YAl O）的热稳定性更高,最优化热处理温度范围更宽（480540℃）,在后续LMO层制备过程中没有出现重结晶现象。
　　2、利用离子束辅助沉积（IBAD）技术在非晶薄膜表面制备Mg O织构层,在短样上成功制备出面外半高宽（（35）w）2.4°左右,面内半高宽（（35）（37））3.7°左右的Epi-Mg O/IBAD-Mg O薄膜。利用高能电子衍射仪（RHEED）实时监测IBAD-Mg O的双轴织构演化过程,发现双轴织构在形核阶段突然形成（薄膜厚度大约为2.2 nm）。R.T.Brewer等人提出的小岛级联理论能够解释IBAD-Mg O双轴织构形成的过程,基于该理论,利用一种两步法来加速IBAD-Mg O的双轴织构形成过程,使IBAD-Mg O在厚度仅为0.5 nm时便能获得双轴织构。利用自外延技术在IBAD-Mg O衬底同质外延了一层Mg O薄膜（Epi-Mg O）,薄膜的表面形貌及双轴织构均得到了改善。成功制备出50 m长Epi-Mg O/IBAD-Mg O薄膜,薄膜的织构均匀性良好,面外半高宽和面内半高宽分别为3°左右和6°左右。理论上,双面YBCO能够使临界电流翻倍,从而产生更高的经济效益。因此,本论文设计了双面IBAD-Mg O缓冲层结构,为双面YBCO薄膜提供良好的生长衬底。克服了双面IBAD-Mg O缓冲层的制备技术难题,制备了50 m长双面Epi-Mg O/IBAD-Mg O薄膜,一面Mg O薄膜的（35）w和（35）（37）分别为2.83.2°和5.36.7°,另一面Mg O的（35）w和（35）（37）分别为2.63.3°左右和4.26°。
　　3、采用低成本的中频反应磁控溅射法（MF）制备双面LMO模板层,并对该系统的加热装置进行改造,新的加热装置原理是将直流电通入缓冲层带材两侧,利用基带自身电阻产生的热量来给薄膜外延生长提供能量。新的加热方式可以提升温度的均匀性,并实现带材的快速升降温。经验证,MF-LMO的最大制备效率高达67 m/h。在最优化工艺下制备了20 m长双面LMO模板层,薄膜的双轴织构均匀性和一致性良好,一面的（35）w和（35）（37）分别为2°左右和45°,另一面的（35）w和（35）（37）分别为2°左右和56°。最终获得的YBCO带材两面的临界电流分别为180 A/cm-width和110 A/cm-width,两面总临界电流为290 A/cm-width,验证了双面缓冲层结构的技术可行性。
　　4、通过将LMO模板层直接沉积在IBAD-Mg O薄膜表面的方法来简化缓冲层制备工艺,降低制备成本。XRD的q-2q扫描结果显示LMO薄膜沉积在IBAD-Mg O表面需要较高的生长温度（820℃）来克服LMO与IBAD-Mg O之间大的晶格应变能。最优化条件下制备LMO/IBAD-Mg O薄膜的面外半高宽和面内半高宽分别为3.5°和7.2°,最终缓冲层制备工序可降至3道,而国际通用的缓冲层制备工序则为6道,因此,该结构简化了缓冲层的工艺步骤,降低了制备成本。
　　5、开发了新的IBAD织构化材料（Na F,Na Cl）,与IBAD-Mg O相比,Na F与Na Cl具有以下优点:1、在涂覆层数为4层的Y2O3衬底上（5μm′5μm,RMS=8nm）,Epi-Na F/IBAD-Na F（（35）w=2°,（35）（37）=7.5°）与Epi-Na Cl/IBAD-Na Cl（（35）w=2.1°,（35）（37）=8°）能够获得高质量的双轴织构,而IBAD-Mg O必须在RMS值小于2 nm的Y2O3衬底（涂覆层数大于16层）上才能够获得双轴织构;2、当离子源的离子束流为25 m A时,Na F和Na Cl获得双轴织构的沉积速率工艺窗口分别为0.082 nm/s和0.063.5 nm/s,而Mg O的沉积速率工艺窗口仅为0.060.12 nm/s。以上两个优点说明IBAD-Na F和IBAD-Na Cl具备制造难度低,工艺窗口宽的优点,适合双轴织构衬底的低成本快速制备。

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第一章 绪 论

1.1 超导材料的简介

1.2 YBCO超导带材的简介

1.3 YBCO带材的制备路线及研究现状

1.4 IBAD织构化技术的发展和应用前景

1.5 论文选题依据以及研究内容

第二章 实验方法与原理

2.1 实验方法

2.2薄膜的表征方法

第三章 SDP法制备非晶薄膜的生长研究

3.1金属基带的选择与SDP系统介绍

3.2 SDP法制备非晶Y2O3非晶薄膜的研究

3.3 SDP-Y2O3薄膜的掺杂改性研究

3.4 本章小结

第四章 IBAD-MgO外延生长及生长机制研究

4.1 IBAD-MgO薄膜的织构化研究

4.2 IBAD-MgO生长过程的研究

4.3本章小结

第五章 MgO薄膜的自外延生长研究

5.1 Epi-MgO对IBAD-MgO薄膜的影响研究

5.2 Epi-MgO薄膜的生长研究

5.3 正交试验法研究Epi-MgO的制备参数

5.4 本章小结

第六章 LMO模板层的生长可控性研究

6.1 中频反应溅射法制备LMO模板层的研究

6.2 MgO衬底的织构和表面形貌对MF-LMO的影响

6.3 MgO与LMO外延关系的影响

6.4 本章小结

第七章 超导带材缓冲层的实用化研究

7.1 非晶薄膜的实用性研究

7.2 Epi-MgO/IBAD-MgO薄膜的长带制备研究

7.3 MF-LMO薄膜的实用性研究

7.4 IBAD-MgO缓冲层结构的简化研究

7.5 基于IBAD-MgO缓冲层的双面YBCO带材的研究

7.6 IBAD织构化技术的材料选择规律

7.7 本章小结

第八章 全文总结与创新点

8.1 全文总结

8.2 全文创新点

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果