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高质量YBCO薄膜的沉积方法

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第4I卷第1期 2013年1月 广州化l『: V01.4l No.1 Guangzhou Chemical Industry January.2013 ___】L_I 口 同 质量YBCO薄膜的沉积方法 孑L梅梅,张立永,王醒东,夏芳敏,林中山 (富通集团有限公司,浙江 富阳311400) 摘 要:超导材料具有潜在商业价值和广泛的应用前景,尤其是高温超导材料到人受到们的广泛关注..YBCO (YBa。Cu O 一 )超导材料具有高电流密度,低交流损耗等特点,其独特的物理性质,已经引起了广泛的关注。本文主要介绍r制 备薄膜的方法,包括物理法、化学法及其他方法,并对其1_作原理及应用进行了介绍。 关键词:YBCO;薄膜;溅射;制备 中图分类号:TM26 文献标识码:A 文章编号:1001~9677(2013)01~0038—03 The Deposition Methods of High Quality YBCO Film KONG Mei—mei,ZHANG Li—yong,WANG Xing—dong,XIA Fnng—mitt,LIN Zhong—shah (Futong Group Co.,Ltd.,Zhejiang Fuyang 3 1 1440,China) Abstract:Superconducting materials and technology were one of the high—new techniques with potential connnerc ial value and promising applications,especially,high—temperature superconductor.YBCO(YBa2 Cu3 O7 s)was concerned extensively because of unique physical property,with high current density and low AC loss.The preparation methods of’ YBCO films were described,for example,the physical methods,chemical methods and other methods.The principles of preparation and application of YBCO films were described. Key words:YBCO;films;sputtering;preparation 从我国的国情及能源发展战略看,在能源、交通、通讯、 表1 YBCO薄膜的制备方法分类 Table 1 The classiicatfion of preparation methods for YBCO film 医疗等领域采用高温超导技术对于节能减排、提高人民生活质 量具有重要的意义,所以越来越多的科学家热衷于研究超导材 料。同前研究最多的是高温超导体材料。高温超导体材料在电 力领域如地下传输电缆、变压器、超导磁能存储单元、故障限 流器、高功率电动机等方面有广泛的应用前景。通过粉末套管 法(Oxide Power In Tube,OPIT)已可制备出千米级第一代铋 (Bi)系超导带材。但由于其价格高昂,且临界电流密度在高 磁场下衰减严重等本质性的弱点,带材应用受到了一定。 和一代Bi系超导材料相比,二代YBCO(YBa Cu O )超导带 材具有更高的本征钉扎能力,在液氮温区(77 K条件下)具有 更好的高场性能,因此越来越受到科学界的关注。目前,市场 上已经出现了商用YBCO带材 。 2 物理法 2.1 物理气相沉积(PVD) PVD法要求设备具有高真空度、材料源纯度高、衬底表面 平整清洁、其T艺过程见图1 1 高温超导薄膜的制备方法 作为涂层导体,二代YBCO超导带材是在柔性基带上涂以 YBCO薄膜而成。YBCO薄膜对双轴织构的微观组织有较强的 依赖性,即只有在双轴织构的基带或隔离层上,才能制备出高 质量的YBCO薄膜。 制备高温超导薄膜方法主要有物理方法和化学方法两大 类。物理法包括物理气相沉积,蒸发法,溅射法和脉冲激光沉 积法等,化学法主要有化学溶液法、溶胶凝胶法、电泳法、喷 雾热解法、混合法和金属有机物气相沉积法等。 YBCO薄膜的制备方法进一步分类如表1所示。 作者简介: L梅梅,女,]二程师,主要从事超导电缆应用开发. 、髓 ■啊嘲曩 ’ l凝结成薄膜 i 。t :尊 :・・。。。・・・o ‘ 0 I l{ Il 嫠品 鐾嚣委; ・・。。。 糍囊……, 图l PVD T作原理 第41卷第1期 如图1所示,PVD法主要成膜机理为: 孔梅梅等:高质量YBCO薄膜的沉积方法 39 2。4蒸发法 2.4.1热蒸发法 将用高熔点金属(W,Mo,Ta,Nb)制成的加热丝或舟通上 (1)所生长的材料以物理方式由固体转化为气体; (2)生长材料的蒸汽经过一个低压区域到达衬底; (3)蒸汽在衬底表面上凝结,形成薄膜。 AJ等 通过PVD法制备了YBCO的前驱体,获得了制备高 临界电流和高前驱体转化率的最佳条件,转化率达到约n 2 nm/s。 与MOD法制备的前驱体进行对比后发现,两者得到BaF2晶体不 同,其原因为PLD与MOD两者遵循不同的化学途径。 直流电,利用欧姆热加热材料,将用绝缘材料制成的坩埚通上射 频交流电,利用电磁感应加热材料。热蒸发系统示意图见图3。 热蒸法沉积是目前唯一商业化的沉积方法:使用该方法, 能再直径达9 in(0.0254 m)的基片上沉积YBCO薄膜 。 2.2脉冲激光沉积 脉冲激光沉积(PLD)的制备原理:激光束经会聚透镜聚 焦。通过石英窗口入射到YBCO靶材,并与靶材强烈相互作 用,产生高温高密度的等离子体羽辉,等离子体羽辉定向等 温、绝热膨胀,然后到达衬底表面,形成YBCO薄膜。用PLD 方法在金属基带上连续的外延生长出性能良好的YBCO图层导 体,发现衬底温度、薄膜厚度和退火时间对YBCO的外延生长 和微观结构有重要影响。沉积温度较低、薄膜过厚都将导致a 轴晶粒的生长,薄膜表面质量随着厚度的增加而变差,而 YBCO薄膜的c轴晶格常数随退火时间的增长而减小,这都将 对YBCO的电性能产生重要影响。脉冲激光沉积具有很大的商 用潜力,德国莱比锡大学、美国杜邦公司使用该方法已能成功 制备4 in的双面YBCO薄膜。目前采用该方法制备的YBCO短 样性能已达到400~500 A/cm宽度。张华 等用PLD法得到了 高质量的YBCO涂层导体,其超导转变温度为88.2 K,临界电 流密度达1.3 MA/cm (77 K,SF)。PLD主要用于铁电材料、铁 磁材料和高温超导材料的沉积。 Lin_7 等采用聚焦脉冲激光轰击浸于流动无水乙醇中的金 靶,连续制备得到纳米金和乙醇混合溶胶,经接收、干燥获得 纳米金掺杂的YBCO材料.结果发现,纳米金没有明显改变 YBCO的吸放热现象,且掺杂纳米金后YBCO的结晶度和超导 转变温度Tc均有所提高。 2.3溅射法 溅射是离子在电磁场作用在轰击物质表面,在碰撞过程中 入射离子能量和动量转移至靶材原子,从而将靶材表面原子激 发出来的过程。溅射法主要优点有:沉积速率高、制备的薄膜 均一性好、重现性高,与基底结合牢固;缺点是设备昂贵,不 适合薄膜的大批量制备。 Zhao 利用溅射法制备YBCO,通过对溅射压强对薄膜形 貌结构影响的研究发现在800℃基底温度,10~20 Pa溅射气 压,氧氩比为1:6时得到的平整致密超导薄膜。德国卡尔鲁 斯研究中心、北京有色金属研究总院、.电子科技大学使用该方 法能制备3 in双面YBCO超导薄膜 。Zhang等 利用直流溅 射制备YBCO薄膜,在双轴织构NiW上沉积CeO /YSZ/Y 0 , 获得了具有高度织构的缓冲层,通过原子力显微镜观察到膜表 面平滑且连续。 图2溅射镀膜原理 Fig.2 The Principle diagram of sputter coating 坩埚 图3热蒸发沉积原理 Fig.3 The deposition principle of thermal evaporation 热蒸发法局限性主要有:坩埚或其它加热体以及支撑部件 很容易受污染,电阻加热法的加热功率受到。因此,该法 不适用于高纯或难容物质的蒸发。 2.4.2电子束蒸发技术 将待加热物质置于水冷的坩埚中,电子束在电磁场的作用 下,轰击待加热物质(小部分),而其余的大部分物质,则成 为被蒸发物质的保护材料。其原理见图4。 电子束蒸发法优点有:薄膜受坩埚污染概率小,可同时制 备多种材料,缺点是电子束热效率低。 补底 图4电子束蒸发原理 Fig.4 The schematic diagram electron beam evaporation Wang等” 采用力学所自主研制的多元电子束物理气相沉 积系统两步法生长YBCO薄膜,考察退火温度对YBCO薄膜的 性能和结构的影响。经分析,电子束蒸发制备出了表面较为平 整、没有裂纹的YBCO超导薄膜。退火温度在760~840℃之间 时,退火温度为800℃制备的YBCO薄膜中无a轴生长晶粒, 基本上为纯c轴生长晶粒,超导电性最好,其Jc为4.2× 10 A/cITI (0 T,77 K)。 3化学溶液法(CSM) 化学溶液法因为其对制备条件要求低、价格低廉容易控制 组分、适合大规模生产而成为提高涂层导体性价比实现大规模 工业应用的重要手段。近年来,基于湿化学的沉积方法吸引了 所有研究小组的注意,并出了多种化学溶液沉积涂层导体缓冲 层和超导层的技术,主要T艺为:(1)将金属盐前驱物溶解于 适当的溶剂;(2)将具有一定黏度的前驱液涂覆到基带,根据 膜厚要求,可经多次涂覆;(3)热处理,除去材料中的有机挥 发物,并使薄膜成具有一定的晶相。 化学溶液法主要分为 类:溶胶凝胶法、金属有机沉积 法、混合法。 形成约75 m厚的YBCO超导陶瓷涂覆层 。杨圈帧 采川f 电泳方法MgO基底上制备高温超导YBCO厚膜。在后退火过程 叶l,采用籽晶诱导熔融生长法,成功制备转变温度约85 K,转 变宽度约3 K的YBCO超导厚膜。通过扫描电子显微镜的剖 网,可以看到生长非常清晰紧凑的,厚度约30 Ixm的YBCO膜 3.1溶胶凝胶法(Sol—Ge1) 采用醇盐作为原料,在涂层溶液合成过程中醇盐主要发生 水解和缩聚,形成稳定的溶胶。溶胶经过陈化而慢慢聚合,形 成凝胶。据报道s0l—ge1法在SrTiO 单晶片上制备的YBCO薄 膜其超导转变温度为92 K,临界电流密度(77 K,0 T)达到 0.55 MA/cm 。sol—gel法制备的YBCO薄膜的临界电流密度 层。所制备YBCO厚膜样品用磁滞回线法估算其最高临界电流 密度为0.978×l0 A/cm ,证明此电泳法制备YBCO膜具有最 高临界电流密度。 5 结论 YBCO超导带材的商业化成为当前高温超导材料一个热点,未 (77 K,0 T)更是达到了MA/cm 的量级。Yang 等采用柠檬 酸溶胶一凝胶法制备了YBCO溶胶,在SiO,/Si(110)衬底上乍 长了非晶YBCO薄膜。研究了薄膜的退化T艺,结合薄膜表面 分析、物相分析和微结构研究,讨论了讨论了溶胶pH值对薄 膜中各元素的配比和彤貌的影响。获得了较理想的非晶YBCO 薄膜的制备 艺参数。Lei等 通过低氟溶胶一凝胶法在 qb76.2 nlnl LaAIO (LAO)单品衬底上制备YBCO薄膜,通过检 测分析样品的微观结构、膜厚及超导性能,表明,制备的 YBCO薄膜厚度均匀,且超导电性能均匀。 3.2金属有机沉积(MoD) 该方法通常以羧酸盐和B一二酮盐作为涂层溶液的起始原料。 采}{j MOD法制备涂层液的起始原料对水并不敏感,不会导致水 解、缩合和醇盐交换等反应。利片j金属的有机化合物作为反应物, 其优点是这类有机化合物在较低温度下即以气态存在,避免了液 态金属蒸发的复杂过程。这种方法的沉积速率较高。与溶胶一凝 胶法类似,MOD法非常适合于薄膜材料的批量化制备。 但是MOD也有其局限性:由于MOD法采用有机物作为起 始原料,所得涂层中含有大量的有机物,在热处理过程中,这 些有机物大量分解,从而导致最终薄膜材料中含有大量的空洞 和裂纹,成模性太差..Zhao等 13j利用MOD法在不同湿度条件 下在LaA10 单晶基底上制备了一系列YBCO超导薄膜。研究表 明在成相热处理过程中气氛湿度对YBCO薄膜的结构和超导性 能的有明 影响,十燥气氛成相的YBCO薄膜织构较好,表面 较平整、致密,超导性能也较高,其临界超导转变温度为 90.2 K,77 K自场下的临界电流密度(Jc)达到2 MA/cm 。 3.3混合法【Hybrid) 原料巾包含多种盐如醇盐和羧酸盐,冈此称为混合法。混 合法的优点主要在于涂层液配制较为简单、还避免了回流等T 艺;缺点是,由于原料多为有机物,在配液过程中,会产生很 多副反应,对最终成膜性能产生很大影响。 4 其他方法 电泳沉积(EPD):悬浮于溶液中的带点粒子在电场的作 用下发生定向移动的现象称之为电泳。悬浮液中荷电的固体陶 瓷微粒在电场作用下发生定向移动并在电极表面沉积的现象称 之为电泳沉积。由于电泳技术的优点,在制备各种功能陶瓷/ 金属复合材料方面可发挥巨大作用。通过电泳沉积法制备的 YBCO薄膜与基底结合力强,在高温处理过程中不易引起相变; 电泳沉积可在形状复杂的金属材料表面制备均匀的YBCO薄 膜;另外,电泳沉积所需设备简单,操作方便、沉积工艺易控 制。 电泳沉积技术是制备YBCO超导陶瓷涂层有效的方法。利 用电泳沉积技术可在几千米的镍基合金丝(直径75 m)上, 来YBCO高温超导带材的工作将主要集中在:基板织构化及 离 层的制备和高临界电流超导层的制备。随着YBCO涂层技术的不 断发展,高温超导材料将真正实现在液氮温区得到广泛应川 参考文献 f 1】G.Liu,W.Wong—Ng,z.Yang,et a1.Phase equilibria of the Ba— Sm—Y—Cu—O systenl for coated conductor applications[J].Journal of Solid State Chemistry,2010,183(12):2855—2861. 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