双轴织构Ni-W基带上反应溅射沉积氧化物种子层薄膜

摘要

因在工业上具有广阔的应用前景，高温超导带材研究受到相当的重视。与第一代铋系超导带材(BSCCO)相比，第二代YBCO涂层导体具有较低的交流损耗和较高的性价比。在二代涂层导体中，第一层过渡层(也称为种子层)起着顺延织构和阻挡基带与超导层之间互扩散的重要作用，因此，种子层是涂层导体制备的关键。 本论文开展了氧化钇(Y2O3)及氧化铈(CeO2)种子层薄膜的沉积制备研究。在双轴织构的镍钨合金(Ni-5at.％W)基带上，采用直流磁控反应溅射法生长Y2O3及CeO2薄膜。为了获得高度双轴织构、表面平整、结构致密的种子层，本论文开展了以下研究工作： 1.采用两步法生长Y2O3种子层，研究了沉积温度、溅射功率、水蒸汽分压、沉积时间等工艺参数对薄膜c轴织构程度的影响。初步优化了Y2O3薄膜的生长工艺条件，当沉积温度约为720℃附近、水蒸汽分压约为0.2Pa附近、溅射功率在15W～45W、沉积时间约为60min时，制备出了织构程度良好的Y2O3薄膜； 2.在Y2O3薄膜的生长研究中，Y2O3种子层的优化工艺参数窗口太窄，且薄膜结构不利于后续过渡层或YBCO薄膜的沉积，为此，本论文改用CeO2作种子层材料。采用等温退火法(或称“一步法”)沉积CeO2，即：先在氧化性气氛下直接反应生长CeO2薄膜，再在与沉积温度相同的温度下对薄膜进行退火处理，系统研究了沉积温度、退火时间、水蒸汽分压对薄膜c轴织构程度的影响。总结出沉积CeO2薄膜的优化工艺条件，当沉积温度为720-850℃、水蒸汽分压介于1×10-4-5.5×10-4pa之间、退火时间≥40min时，获得了织构程度良好的CeO2种子层薄膜； 3.由于一步法制备CeO2种子层中水分压范围狭窄，工艺条件难以控制，并且退火延长了薄膜的制备时间，因此，本论文又采用了两步生长法沉积CeO2种子层，即：先在Ni-W基带上沉积一层约15nm的金属Ce薄膜，再通入氧化气氛(水蒸汽)，继续进行薄膜沉积。两步法中运用正交实验的方法分析了沉积温度，水分压，溅射功率，沉积时间和总压对薄膜c轴取向的影响程度，发现沉积温度对薄膜织构的影响最为显著，溅射功率次之。同时获得了高度双轴织构的CeO2薄膜，其c轴取向度达到98％，薄膜面外半高峰宽(△ω)与面内半高峰宽(△Ф)分别为4.0°和8.2°，5×5μm2扫描范围的表面粗糙度(rms)为7.455nm； 4.最后，本论文在CeO2的Ni-W基带上沉积了YBCO，获得了良好双轴织构的YBCO薄膜，由X射线衍射Ф扫描和极图分析得到：YBCO/CeO2/Ni-W多层结构的外延关系为：“[100]YBCO//[100]CeO2//[110]Ni-W”。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章概述

第二章实验方法与原理

第三章 氧化钇种子层研究

第四章 氧化铈种子层研究

第五章 YBCO/CeO2/Ni-W试制

结论

致谢

参考文献

作者读硕期间取得的成果