一种基于溶液法同质外延MgO薄膜的制备方法

摘要

本发明属于薄膜制备技术领域，涉及在镀有IBAD‑MgO的金属基带上制备同质外延MgO薄膜的方法，具体为一种基于溶液法同质外延MgO薄膜的制备方法。本发明用低成本的溶液沉积法完全替代了传统高成本工艺复杂PVD方法，且制备的同质外延MgO薄膜表面形貌相比传统方法更优。

说明书

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，涉及在镀有IBAD-MgO的金属基带上制备同质外延氧化镁(MgO)薄膜的方法，具体为一种基于溶液法同质外延MgO薄膜的制备方法。

背景技术

高温超导带材被广泛运用于电力传输、能源存储、传感器等诸多领域。双轴织构MgO缓冲层是高温超导带材的重要组成部分之一；制备平整度高、均一性好、取向一致性好的MgO缓冲层是制备高性能YBCO(钇钡铜氧)高温超导带材的前提，高质量、低成本、高效率的双轴织构MgO缓冲层制备技术对于高温超导带材的产业化具有重要意义。溶液沉积法因为具有高产量、低成本、工艺简单等优点，在高温超导带材领域中得到越来越多的关注。

目前高温超导带材的MgO缓冲层制备主流制备路线为：先利用离子束辅助沉积法(IBAD)在基带上沉积一层厚度为8～12nm的双轴织构MgO薄膜，然后通过物理气相沉积(PVD)的方法同质外延一层更厚的MgO薄膜，实现薄膜中晶粒取向的优化。但是通过PVD同质外延的工艺流程复杂，需要在高真空环境中进行，因此设备质量要求高，成本高，薄膜结构和形貌不够理想(均方根粗糙度大于3nm)。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为了降低生产成本，提产品高性价比，优化薄膜表面形貌，本发明提供了一种基于溶液法同质外延MgO薄膜的制备方法。通过在金属基带上通电流的方式，使得金属基带本体能够均匀发热，实现MgO薄膜自下而上外延生长。采用溶液沉积法，使得薄膜表面平整致密，生产成本大幅降低。

技术方案如下：

步骤1、配置MgO前驱液：在0.1mol/L的氯化镁溶液中加入各占其质量百分比2.5％～3％的二乙醇胺和二乙烯三胺，并混合均匀，得到MgO前驱液。

步骤2、将已沉积8-12nm的IBAD-MgO的哈氏合金基带装入卷绕盘1中，其一端从卷绕盘1中拉出依次引入转轮1、转轮2、加热装置、转轮3后接入卷绕盘2中；步骤1所得MgO前驱液置于溶液池；转轮2位于溶液池内以调转基带在溶液中的移动方向。

步骤3、在加热装置对哈氏合金基带升温至500～600℃的条件下，卷绕轮2以100～150mm/min的速度牵引哈氏合金基带由卷绕轮1到转轮1，然后经过溶液池蘸取溶液并经转轮2调转方向后，垂直进入加热装置，最后被收集至卷绕轮2；即可制得同质外延MgO薄膜。

进一步的，所述步骤1中MgO前驱液制备后，再向其中加入占氯化镁溶液质量百分比0.5％～1％的冰醋酸再进行后续步骤，以防止Mg⁺水解，使得溶液体系稳定至少30天。

进一步的，所述加热装置为两组电极，电流从正极流入，通过分流电阻均分成n(n≥3)股电流从不同位置流入金属带材，同样均分成n股电流从负极流出。电极向基带输送电流，使得带材在焦耳效应的作用下温度升高并产生温度梯度，最终达到薄膜结晶条件，采用此种加热装置，可以使得薄膜由内向外结晶，生长出的薄膜拥有更好的织构。

本发明用低成本的溶液沉积法完全替代了传统高成本工艺复杂PVD方法，且制备的同质外延MgO薄膜表面形貌相比传统方法更优。

附图说明

图1是实施例的溶液沉积装置示意图；

图2是实施例的加热装置示意图；

图3是实施例制备的MgO薄膜高能衍射电子枪(RHEED)衍射图案；

图4是实施例制备的MgO薄膜的原子力显微镜(AFM)测试图；

图5是MgO薄膜X射线光电子能谱(XPS)测试图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例：配置0.1mol/L的氯化镁酒精溶液作为MgO的前驱液，在镀有IBAD-MgO的10m金属基带上用化学溶液沉积法同质外延一层MgO薄膜。包括以下步骤：

步骤1、称量0.02mol的六水合氯化镁晶体4.6g，放入鼓风干燥箱烘烤恒温90℃烘烤4小时；

步骤2、将步骤1所得固体倒入200ml烧杯中，加无水乙醇定容至150ml，放入超声清洗器中，超声溶解30min，得到澄清透明的溶液；

步骤3、将步骤2所得溶液于烧杯中置于磁力搅拌器上，放入搅拌子，并开启加热模式加热至40℃，磁力搅拌2小时；

步骤4、向步骤3所得溶液加入1ml冰醋酸，并加入二乙醇胺和二乙烯三胺各5ml，加无水乙醇定容至200ml；

步骤5、向步骤4所得溶液放入搅拌子，磁力搅拌2小时使其混合均匀，得到稳定的MgO前驱液；该MgO前驱液在室温下密闭保存，此体系能稳定至少30天。

步骤6、准备、处理基带：将宽12mm、长10m已沉积10nm的IBAD-MgO哈氏合金基带，两端各焊接一条3m长的牵引基带，装入卷绕盘1中；

步骤7、将步骤5所得MgO前驱液置于溶液池中，将牵引带一端从卷绕盘1中拉出依次引入转轮1、溶液池中转轮2、加热电极、转轮3后装入提供牵引动力的卷绕盘2中；

步骤8、选用加热装置为两组电极，电流从正极流入，通过分流电阻均分成4股电流从不同位置流入金属带材，同样均分成4股电流从负极流出。电极向基带输送电流，使得带材在焦耳效应的作用下温度升高并产生温度梯度，最终达到薄膜结晶条件，采用此种自加热的加热装置，可以使得薄膜由内向外结晶，生长出的薄膜拥有更好的织构。

在加热电极向基带输送16A电流的条件下，卷绕轮2以120mm/min的牵引速度，牵引基带由卷绕轮1到转轮1，经过溶液池中转轮2，蘸取溶液后垂直进入加热电极，最后经转轮3被收集至卷绕轮2；即可制得同质外延MgO薄膜。

与哈氏合金基带接触的电极选摩擦力小、耐高温、导电性好的银钨合金棒，固定银钨合金棒的为弹性钢片，以确保基带与电极良好的接触。

上述步骤8制备好的同质外延MgO薄膜的XRD(X射线衍射)和AFM(原子力显微镜)的测试结果如下：

图3是实施例中MgO薄膜的(高能电子衍射)RHEED图案，表明MgO薄膜有良好的(100)面外取向和(110)面内取向。

图4是实施例中MgO薄膜原子力显微镜(AFM)的测试图，MgO颗粒分布均匀，表面平整致密无裂痕，其5μm×5μm范围类的均方根粗糙度(RMS)为0.594nm，可见其表面形貌平整度远好于通过常规方法制备的外延MgO薄膜。

图5是实施例中X射线光电子能谱(XPS)测试图，前驱液中的MgCl₂已经充分受热分解为MgO，前驱液中的Cl元素以及添加剂(二乙醇胺、二乙烯三胺)中的C、N元素基本无残留。