一種Gd摻雜YBCO超導薄膜及其製備方法

2023-05-29 15:49:51 1

專利名稱：一種Gd摻雜YBCO超導薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明涉及YBCO高溫超導薄膜材料及其製備方法，屬於YBCO塗層超導薄膜製備 技術領域。
背景技術：
YBCO塗層超導材料是一種有著廣泛應用前景和巨大潛在商業價值的高溫超導材 料之一。隨著研究的不斷深入，YBCO超導材料的實用化日趨臨近。然而要真正達到實用化， 不僅要求其在低溫無磁場下具有高的載流能力(1。)，而且在高溫高場也儘可能地維持高的 超導性能。但是隨著磁場的增加，YBCO薄膜的J。呈指數降低，因此如何提高薄膜在磁場下 性能，成為當前研究的關鍵。研究發現，在YBCO薄膜中引入適量的缺陷作為釘扎中心，是減 少磁通蠕動改善YBCO超導薄膜場性能最有效的方法。目前，世界上很多研究小組都已經成 功地製備了鈣鈦礦結構材料和稀土氧化物納米顆粒摻雜的YBCO薄膜，較大地提高了磁場 下YBCO薄膜的超導性能。除此之外，採用其它稀土元素來部分取代YBCO中的Y元素也可 以有效地提高YBCO薄膜在高磁場下的超導性能。但是，目前主要採用PLD、MOCVD、磁控濺 射等方法製備摻雜的YBCO超導薄膜材料，而上述方法均屬於真空鍍膜法，不僅設備複雜， 成本高，且無法靈活改變摻雜物的配比。

發明內容
本發明的目的是提供一種工藝簡單、成本低廉、高外加磁場下的性能好的Gd摻雜 YBCO超導薄膜及其製備方法。 本發明所提供的Gd摻雜YBCO超導薄膜的組成為YhxG^BCO，其中，0. 1 < X < 0. 5。
本發明所提供的Gd摻雜YBCO超導薄膜的製備方法，包括以下步驟
1) Gd摻雜YBCO前驅液的製備 將醋酸釔、醋酸鋇和醋酸銅按物質的量比為i : 2 : 3溶解在去離子水中後，按照
醋酸釔和三氟乙酸的物質的量比為1 : (6. 5 8)加入三氟乙酸，50 6(TC加熱3 4小 時後，繼續在50 6(TC旋轉蒸發濃縮，得藍色透明膠狀物質，用無水甲醇稀釋，控制總陽離 子濃度為1. 0 2. Omol/L，得到YBCO前驅液； 將醋酸釓、醋酸鋇和醋酸銅按物質的量比為i : 2 : 3溶解在去離子水中後，按照
醋酸釓和三氟乙酸的物質的量比為1 : (6. 5 8)加入三氟乙酸，50 6(TC加熱3 4小 時後，繼續在50 6(TC旋轉蒸發濃縮，得藍色透明膠狀物質，用無水甲醇稀釋，控制總陽離 子濃度為1. 0 2. Omol/L，得到GdBCO前驅液; 將YBCO前驅液和GdBCO前驅液按體積比為(l_x) : x， 0 < x < 0. 5混合均勻，得 到Gd摻雜YBCO前驅液； 2)前驅液的塗敷將Gd摻雜YBCO前驅液用旋塗或者浸塗的方式塗敷到基板上， 得到前驅膜； 3)低溫燒結將前驅膜在幹氧氣氛中於IO(TC幹半小時後，在溼氧氣氛中預燒得
3到非晶前驅膜，預燒工藝參數為在195 25(TC的升溫速度為5 l(TC /小時，250 300。C的升溫速度為30 50°C /小時，300 400。C的升溫速度為300°C /小時；溼氧氣氛 是將幹氧氣以0. 2 0. 6升/分鐘的氣流量通入30 5(TC的蒸餾水中獲得的；
4)高溫燒結將非晶前驅膜於800 85(TC燒結2 4小時，其中，前2/3的時 間段內通入氧含量為100-1000卯m的溼Ar/02混合氣，後1/3的時間短內通入氧含量為 100-1000卯m的幹Ar/02混合氣，並在通入氧含量為100-1000卯m的幹Ar/02混合氣的條件 下隨爐降溫至450 50(TC後，在純氧氣氛中保溫2 4小時，得到Gd摻雜YBCO超導薄膜； 溼Ar/02混合氣是將幹Ar/02混合氣以0. 5_1. 0升/分鐘的混合氣流量通入30_50°C的水 浴中實現的。 其中，步驟2)中所述的基板為鋁酸鑭(LAO)基板或鈦酸鍶(STO)單晶基板。 步驟2)中採用旋塗方式將Gd摻雜的YBCO前驅液塗覆到基板上時，旋轉塗敷的轉數為 3500-5000轉/分鐘，旋塗時間為60 120秒。步驟2)中採用浸塗方式將Gd摻雜YBCO前 驅液塗覆到基板上時，將基板垂直提拉出前驅液中的速度為10-80毫米/分鐘。
與現有技術相比較，本發明具有以下有益效果 本發明所提供的方法簡單易行，可以任意控制摻雜物配比，且原料廉價易得，不需 要真空設備，成本低，適合塗層超導長帶材的工業化生產。本發明所製備的Gd摻雜YBCO薄 膜與純的YBCO薄膜相比，其外加磁場下的Jc值有了較大的提高。


圖1、實施例1中的製備的Y。.8Gd。.2BCO超導薄膜的XRD圖。 圖2、實施例1中製備的Y。.8Gd。.2BCO超導薄膜的J。隨外加磁場的變化關係圖。 圖3、實施例2中製備的Y。.8Gd。.2BCO超導薄膜的SEM圖。 圖4、實施例3中的製備的Y。.5Gd。. 5BCO超導薄膜的XRD圖。 圖5、實施例3中製備的Y。.8Gd。.2BCO薄膜超導的J。隨外加磁場的變化關係圖。 圖6 、實施例4中製備的Y。. 8Gd。. 2BCO薄膜超導的SEM圖。 圖7、純的YBCO薄膜及實施例1和3中製備的Y卜xGdxBCO超導薄膜的J。隨外加磁 場的變化關係圖。 以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
具體實施方法
實施例1 1) Gd摻雜YBCO前驅液的製備 將醋酸釔、醋酸鋇和醋酸銅按物質的量比為1 : 2 : 3溶解在去離子水中後，按照 醋酸釔和三氟乙酸的物質的量比為l : 7加入三氟乙酸，5(TC加熱3小時後，繼續在5(TC旋 轉蒸發濃縮，得藍色透明膠狀物質，用無水甲醇稀釋，控制總陽離子濃度為1. 5mol/L，得到 YBCO前驅液； 將醋酸釓、醋酸鋇和醋酸銅按物質的量比為1 : 2 : 3溶解在去離子水中後，按照 醋酸釔和三氟乙酸的物質的量比為l : 7加入三氟乙酸，5(TC加熱3小時後，繼續在5(TC旋 轉蒸發濃縮，得藍色透明膠狀物質，用無水甲醇稀釋，控制總陽離子濃度為1. 5mol/L，得到 GdBCO前驅液；
取8ml YBCO前驅液和2ml GdBCO前驅液攪拌混合0. 5小時，得到Gd摻雜YBCO前 驅液； 2)前驅液的塗敷將Gd摻雜YBCO前驅液用旋塗(旋轉塗敷的轉數為4000rpm，旋 轉時間為60秒)的方式塗敷到LAO單晶基板上，得到前驅膜； 3)低溫燒結將前驅膜在幹氧氣氛中於IO(TC乾燥半小時後，在溼氧氣氛中預燒 得到非晶前驅膜，預燒工藝參數為在195 25(TC的升溫速度為5°C /小時，250 300°C 的升溫速度為30°C /小時，300 40(TC的升溫速度為300°C /小時；溼氧氣氛是將幹氧氣 以0. 2升/分鐘的氣流量通入3(TC的蒸餾水中獲得的； 4)高溫燒結將非晶前驅膜於82(TC燒結3小時，其中，前2小時內通入氧含量為 500ppm的溼Ar/02混合氣，後1小時內通入氧含量為500ppm的幹Ar/02混合氣，並在通入 氧含量為500ppm的幹Ar/02混合氣的條件下隨爐降溫至50(TC後，在純氧氣氛中保溫3小 時，得到Y。.8Gd。.2BCO超導薄膜；溼Ar/02混合氣是將幹Ar/02混合氣以1. 0升/分鐘的混合 氣流量通入5(TC的水浴中實現的。 從圖1可看出所得薄膜具有很好的c軸取向，表明Gd完全進入了 YBCO的晶格，部 分取代了 Y的位置，生成了單一的YuGdwBCO相。從圖2可看出當磁場為零時，\86(1。.280) 薄膜在65K和77K溫度下的J。值分別達到了 1. 9X 106A/cm2和4X 106A/cm2。
實施例2 1) Gd摻雜YBCO前驅液的製備 除了將總陽離子濃度為1. Omol/L，其他操作均同實施例1步驟1)，得到YBCO前驅 液； 除了將總陽離子濃度為1. Omol/L，其他操作均同實施例1步驟1)，得到GdBCO前 驅液； 取8ml YBCO前驅液和2ml GdBCO前驅液攪拌混合0. 5小時，得到Gd摻雜YBCO前 驅液； 2)前驅液的塗敷將Gd摻雜YBCO前驅液用浸塗(提拉速度為20毫米/分鐘)的 方式塗敷到LAO單晶基板上，得到前驅膜； 3)低溫燒結將前驅膜在幹氧氣氛中於IO(TC乾燥半小時後，在溼氧氣氛中預燒 得到非晶前驅膜，預燒工藝參數為在195 25(TC的升溫速度為5°C /小時，250 300°C 的升溫速度為50°C /小時，300 40(TC的升溫速度為300°C /小時；溼氧氣氛是將幹氧氣 以0. 5升/分鐘的氣流量通入4(TC的蒸餾水中獲得的；4)高溫燒結除了溼Ar/02混合氣是將幹Ar/02混合氣以0. 5升/分鐘的混合氣 流量通入5(TC的水浴中以外，其他操作均同實施例1步驟4)，得到Y。.8Gd。.2BCO超導薄膜。
從圖3可看出Y。.8Gd。.2BCO薄膜具有緻密的表面。
實施例3 1) Gd摻雜YBCO前驅液的製備 同實施例1步驟1)，得到YBCO前驅液； 同實施例1步驟1)，得到GdBCO前驅液； 取5ml YBCO前驅液和5ml GdBCO前驅液攪拌混合0. 5小時，得到Gd摻雜YBCO前 驅液；
2)前驅液的塗敷將Gd摻雜YBCO前驅液用旋塗(旋轉塗敷的轉數為4500rpm，旋 轉時間為60秒)的方式塗敷到LAO單晶基板上，得到前驅膜； 3)低溫燒結除了溼氧氣氛是將幹氧氣以O. 5升/分鐘的氣流量通入3(TC的蒸餾 水中以外，其他操作均同實施例1步驟3); 4)高溫燒結將非晶前驅膜於85(TC燒結以外，其他操作均同實施例1步驟4)，得 到Y。.5Gd。.sBC0超導薄膜。 從圖5可看出當磁場為零時，Y。.5Gd。.sBC0薄膜在65K和77K溫度下的J。值分別達 到了 3. 2X 106A/cm2和5. 8 X 106A/cm2。
實施例4 除了將總陽離子濃度為1. 2mol/L，其他操作均同實施例1步驟1)，得到YBCO前驅 液； 除了將總陽離子濃度為1. 2mol/L，其他操作均同實施例1步驟1)，得到GdBCO前 驅液； 取5ml YBCO前驅液和5ml GdBCO前驅液攪拌混合0. 5小時，得到Gd摻雜YBCO前 驅液； 2)前驅液的塗敷將Gd摻雜YBCO前驅液用浸塗(提拉速度為16毫米/分鐘)的 方式塗敷到LAO單晶基板上，得到前驅膜； 3)低溫燒結將前驅膜在幹氧氣氛中於IO(TC乾燥半小時後，在溼氧氣氛中預燒 得到非晶前驅膜，預燒工藝參數為在195 25(TC的升溫速度為7°C /小時，250 300°C 的升溫速度為40°C /小時，300 40(TC的升溫速度為300°C /小時；溼氧氣氛是將幹氧氣 以0. 3升/分鐘的氣流量通入3(TC的蒸餾水中獲得的； 4)高溫燒結將非晶前驅膜於85(TC燒結3小時，其中，前2小時內通入氧含量為 1000卯m的溼Ar/02混合氣，後1小時內通入氧含量為1000卯m的幹Ar/02混合氣，並在通 入氧含量為1000卯m的幹Ar/02混合氣的條件下隨爐降溫至50(TC後，在純氧氣氛中保溫3 小時，得到Y。.5Gd。.5BC0超導薄膜；溼Ar/02混合氣是將幹Ar/02混合氣以0. 5升/分鐘的混 合氣流量通入5(TC的水浴中實現的。 圖7比較了 YBC0、Y。.8Gd。.2BC0、Y。.5Gd。.5BC0薄膜的Je值在65開溫度下隨外加磁場 的變化關係。可見，隨著Gd的摻雜有效地提高了 YBCO薄膜在外加磁場下的J。值，且隨著 Gd的摻雜量的提高，YBCO薄膜的J。得到了提高更大。
權利要求
一種Gd摻雜YBCO超導薄膜，其特徵在於，所述的超導薄膜的組成為Y1-xGdxBCO，其中，0.1＜X＜0.5。
2. —種Gd摻雜YBCO超導薄膜的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟1) Gd摻雜YBCO前驅液的製備將醋酸釔、醋酸鋇和醋酸銅按物質的量比為1 : 2 : 3溶解在去離子水中後，按照醋 酸釔和三氟乙酸的物質的量比為1 : (6. 5 8)加入三氟乙酸，50 6(TC加熱3 4小時 後，繼續在50 6(TC旋轉蒸發濃縮，得藍色透明膠狀物質，用無水甲醇稀釋，控制總陽離子 濃度為1. 0 2. Omol/L，得到YBCO前驅液;將醋酸釓、醋酸鋇和醋酸銅按物質的量比為i : 2 : 3溶解在去離子水中後，按照醋酸釓和三氟乙酸的物質的量比為1 : (6. 5 8)加入三氟乙酸，50 6(TC加熱3 4小時 後，繼續在50 6(TC旋轉蒸發濃縮，得藍色透明膠狀物質，用無水甲醇稀釋，控制總陽離子 濃度為1. 0 2. Omol/L，得到GdBCO前驅液;將物質的量濃度相同的YBCO前驅液和GdBCO前驅液按體積比為(l-x) : x，O < x < 0. 5混合均勻，得到Gd摻雜YBCO前驅液；2) 前驅液的塗敷將Gd摻雜YBCO前驅液用旋塗或者浸塗的方式塗敷到基板上，得到 前驅膜；3) 低溫燒結將前驅膜在幹氧氣氛中於IO(TC乾燥半小時後，在溼氧氣氛中預燒得到 非晶前驅膜，預燒工藝參數為在195 25(TC的升溫速度為5 l(TC /小時，250 300°C 的升溫速度為30 50°C /小時，300 400°C的升溫速度為300°C /小時；溼氧氣氛是將幹 氧氣以0. 2 0. 6升/分鐘的氣流量通入30 5(TC的蒸餾水中獲得的；4) 高溫燒結將非晶前驅膜於800 85(TC燒結2 4小時，其中，前2/3的時間段內通 入氧含量為100-1000卯m的溼ArAV混合氣，後1/3的時間短內通入氧含量為100-1000卯m 的幹Ar/02混合氣，並在通入氧含量為100-1000ppm的幹Ar/02混合氣的條件下隨爐降溫至 450 50(TC後，在純氧氣氛中保溫2 4小時，得到Gd摻雜YBCO超導薄膜；溼Ar/02混合 氣是將幹Ar/02混合氣以0. 5-1. 0升/分鐘的混合氣流量通入30-5(TC的水浴中實現的。
全文摘要
本發明屬於YBCO塗層超導薄膜製備技術領域。本發明所提供的Gd摻雜YBCO超導薄膜的組成為Y1-xGdxBCO，其中，0.1＜X＜0.5。本發明通過如下步驟製備Gd摻雜YBCO超導薄膜1)Gd摻雜YBCO前驅液的製備；2)前驅液的塗敷；3)低溫燒結；4)高溫燒結。本發明所提供的方法簡單易行，可以任意控制摻雜物配比，且原料廉價易得，不需要真空設備，成本低，適合大規模工業化生產。
文檔編號C23C20/08GK101694788SQ20091023631
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月16日 優先權日2009年10月16日
發明者劉敏, 葉帥, 吳紫平, 湯瀟, 索紅莉 申請人:北京工業大學;