氧氣氛控制釔鋇銅氧超導厚膜面內取向生長的製備方法

2023-10-11 14:24:09 1

專利名稱：氧氣氛控制釔鋇銅氧超導厚膜面內取向生長的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種氧氣氛控制釔鋇銅氧超導厚膜面內取向生長的製備方法， 通過改變液相外延生長環境中的氧含量，得到具有特定面內取向的高品質釔鋇 銅氧超導厚膜。屬於高溫超導材料製備技術領域。
背景技術：
自從科學家發現REBa2Oi30z (簡稱REBCO、稀土鋇銅氧)這種具有巨大 應用前途的高溫超導材料(High Temperature Superconductor,簡稱HTS)以來， 人們將大量研究精力集中於塗層超導材料以及各種與超導相關的電子器件等方 向。在高溫超導線材和具有多層結構的超導器件等應用方面，以釔鋇銅氧YBCO 為例，除了需要對YBCO超導層面外取向進行精確的控制，製備具有完美面內 取向的YBCO超導層對於獲得優越的超導性能也十分關鍵。根據文獻報導[D. Dimos, P. Chaudhari, J. Mannhart， and F. K. LeGoues, Orientation dependence of grain-boundary critical currents in YBa2Cu3。7-x bicrystals, Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 219]，一部分晶粒面內取向的變化所帶來的小角度晶界對於超導薄膜的載流特性 影響非常大。實際上，沉積在MgO (001)襯底上的c軸取向YBCO晶粒普遍 的存在兩種主要的面內取向0°取向和45°取向。前者的YBCO (100)方向平 行於MgO (100)方向，而後者的YBCO (100)方向和MgO (100)方向呈 45°夾角。 一般來說，如果在YBCO薄膜中這兩種面內取向的晶粒同時存在，那 這種薄膜被定義為具有八重對稱性，這種性質可以通過X射線衍射儀(XRD) 二維極圖掃描等手段進行判斷。不少文獻中都提到，如果在MgO基板上沉積的 面內取向為純0°的YBCO晶粒中混雜進少量的45。YBCO晶粒，臨界電流密度 的數值將會大大下降。因此，關於具有不同面內取向的YBCO晶粒的熱穩定性 以及載流特性的研究，對於塗層超導體材料和超導器件方面的應用是不可或缺 的。到目前為止，已經有大量關於YBCO薄膜在液相外延過程(liquid-phase
epitaxy, LPE)中優先生長機制的研究[K. Nomura, S. HosW， X. Yao， K. Kakimoto， Y. Nakamura, T. Izumi， and Y. Shiohara, Preferential growth mechanism of REBa2Cii30y (RE = Y, Nd) crystal on MgO substrate by liquid phase epitaxy, J. Mater. Res. 16 (2001) 979]。通常，以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜進行液相外 延生長的時候，最終得到的是面內取向單純為0。的YBCO液相外延厚膜。也就 是說，在液相外延的過程中，所謂45°的YBCO晶粒由於其熱穩定性不如0°的 晶粒而優先熔化了，另一方面(T的YBCO晶粒優先生長而成膜。關於此類優先 生長的現象，人們已經提出了一些基於晶格匹配度和界面鍵結合能的晶粒粗化 模型對其做出合理的分析和解釋。但值得注意的是，前人在這方面的研究工作 都是在大氣環境中完成的，並且僅能得到具有純0。面內取向的YBCO超導厚膜， 而關於在其他類型的氧環境下優先生長現象的研究卻鮮有實驗數據。因此，通 過改變外界生長環境中的氧含量來控制YBCO超導厚膜的面內取向，不論在研 究優先生長的機制還是在實際應用的方面都具有重要的意義。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種氧氣氛控制釔鋇銅氧超導 厚膜面內取向生長的製備方法，方法簡易且成本低廉，能得到按照特定面內取 向生長的高質量準單晶釔鋇銅氧超導厚膜。
為了實現上述目的，本發明利用液相外延生長裝置，在純氧氣氛中製備 YBCO厚膜。按Ba/Cu原子比為0.5-0.7的比例配置Ba-Cu-O粉末，經研磨煅燒 後，放在Y203坩堝內加熱熔化，得到Y-Ba-Cu-O熔體。將密閉熔爐裡的氣氛環 境改變為100%的純氧氣氛，並且把坩鍋內熔體溫度，整到低於YBCO包晶熔化 溫度10-30 K，以具有八重對稱性的釔鋇銅氧薄膜為種膜，液相外延生長得到高 結晶品質的具有純45°面內取向的釔鋇銅氧超導厚膜。本發明通過氣氛環境中氧 含量的改變，使原本只能製備純0。面內取向YBCO厚膜的液相外延過程，在較 寬的溫度範圍內能得到具有純45°面內取向的YBCO厚膜。
本發明採用100%的純氧生長氣氛來實現對材料結構的控制，實現具有純 45。面內取向的YBCO厚膜的生長。不僅可以在YBCO厚膜的液相外延中提高生 長速率，而且能夠有效控制厚膜的面內織構取向。
本發明的方法具體步驟如下
1) 用BaC03+CuO的粉末進行配料，控制Ba/Cu原子比為0.5-0.7;
2) 對BaC03+CuO粉末進行研磨，然後在850-950'C保溫40-48小時進行 煅燒，燒結成均勻的Ba-Cu-O粉末；
3) 將Ba-Cu-0粉末加到放置在熔爐中的Y203坩堝內，將熔爐加熱至YBCO 的包晶熔化溫度以上30-40 K，並保溫35-45小時使Ba-Cu-0粉末均勻熔化，得 到Y-Ba-Cu-0熔體；
4) 將熔爐裡的氣氛環境改變為100%的純氧氣氛，並且保持熔爐的密閉以 及氣流的穩定性；
5) 將Y-Ba-Cu-0熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下10-30 K，作為外 延生長溫度；
6) 以具有八重對稱性的釔鋇銅氧薄膜為種膜，採取液相外延法生長YBCO 厚膜,生長時間l一3分鐘，得到厚度為10—20微米具有純45。面內取向的YBCO 超導厚膜。
本發明中利用了 ￥203坩堝的部分Y元素溶解在Ba-Cu-0熔體中，從而提 供生長YBCO厚膜過程中所需的Y元素。生長過程中由提拉裝置控制生長襯底 的上下移動和旋轉，具體是由提拉杆連接著具有八重對稱性的YBCO種膜，可 旋轉和提拉。本發明方法工藝簡單，實現純氧氣氛的程序易操作，氧氣氛控制 方法能在鋇銅原子比為0.S-0.7的熔劑環境中，在YBCO的包晶熔化溫度以下10 一30K的溫度範圍內，得到具有純45。面內取向的YBCO超導厚膜，並且具有良 好的外延取向以及結晶品質。在原本處於大氣環境中的液相外延方法的基礎上， 具有八重對稱性的種膜只能生長得到具有純0。面內取向的YBCO超導厚膜。本 發明通過增加氣氛環境中的氧含量，改變了 0°YBCO晶粒和45。YBCO晶粒分別 與MgO襯底之間的界面能，從而使得45。YBCO晶粒具有更好的熱穩定性，得 到具有純45。面內取向的YBCO厚膜。另外，本發明所採用的純氧氣氛中的液相 外延過程具有低成本(氣體成本和低純度要求)和高沉積速率(Mm/min量級) 的競爭優勢。
本發明所述的純氧氣氛控制方袪不僅僅適合於控制釔鋇銅氧超導厚膜的面 內取向，也同樣適合於控制其它稀土鋇銅氧REBa2Cu30z (簡稱REBCO)超導 厚膜的面內取向。
具體實施例方式
以下結合具體的實施例對本發明的技術方案作進一步描述。 實施例l
以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜，液相外延生長具有純45°面內取 向的YBCO超導厚膜(生長溫度低於包晶熔化溫度10 K) 1 〉用BaC03+CuO的粉末進行配料，控制Ba/Cu原子比為0.5;
2) 對BaC03+CuO粉末進行研磨，然後在850 'C保溫48小時進行煅燒，燒 結成均勻的Ba-Cu-0粉末；
3) 將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y203坩堝內，將熔爐加熱至YBCO 的包晶熔化溫度以上40 K，並保溫35小時使Ba-Cu-O粉末均勻熔化，得到 Y-Ba-Cu-0熔體；
4) 將熔爐裡的氣氛環境改變為100%的純氧氣氛，並且保持熔爐的密閉以及 氣流的穩定性；
5) 將Y-Ba-Cu-0熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下10 K，作為外延生 長溫度；
6) 以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜，採取液相外延法生長YBCO厚 膜，生長時間l分鐘，得到厚度為10微米具有純45。面內取向的YBCO超導厚 膜。
實施例2
以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜，液相外延生長具有純45°面內取 向的YBCO超導厚膜(生長溫度低於包晶熔化溫度20K)
1) 用BaC03+CuO的粉末進行配料，控制Ba/Cu原子比為0.6;
2) 對BaC03+CuO粉末進行研磨，然後在900 'C保溫44小時進行煅燒，燒 結成均勻的Ba-Cu-0粉末；
3) 將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的￥203坩堝內，將熔爐加熱至YBCO 的包晶熔化溫度以上35 K，並保溫40小時使Ba-Cu-0粉末均勻熔化，得到 Y-Ba-Cu-O熔體；
4) 將熔爐裡的氣氛環境改變為100%的純氧氣氛，並且保持熔爐的密閉以及 氣流的穩定性； .
5) 將Y-Ba-Cu-O熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下20 K,作為外延生 長溫度；
6) 以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜，釆取液相外延法生長YBCO厚 膜，生長時間2分鐘，得到厚度為15微米具有純45。面內取向的YBCO超導厚 膜。
實施例3
以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜，液相外延生長具有純45°面內取 向的YBCO超導厚膜(生長溫度低於包晶熔化溫度30K)
1) 用BaC03+CuO的粉末進行配料，控制Ba/Cu原子比為0.7;
2) 對BaC03+CuO粉末進行研磨，然後在950 t)保溫40小時進行煅燒，燒 結成均勻的Ba-Cu-O粉末；
3) 將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y203柑堝內，將熔爐加熱至YBCO 的包晶熔化溫度以上30 K,並保溫45小時使Ba-Cu-0粉末均勻熔化，得到 Y-Ba-Cu-0熔體；
4) 將熔爐裡的氣氛環境改變為100%的純氧氣氛，並且保持熔爐的密閉以及 氣流的穩定性；
5) 將Y-Ba-Cu-0熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下30 K，作為外延生 長溫度；
6) 以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜，採取液相外延法生長YBCO厚 膜，生長時間3分鐘，得到厚度為20微米具有純45。面內取向的YBCO超導厚 膜。
權利要求
1、一種氧氣氛控制釔鋇銅氧超導厚膜面內取向生長的製備方法，其特徵在於包括如下步驟1)用BaCO3+CuO的粉末進行配料，控制Ba/Cu原子比為0.5-0.7；2)對BaCO3+CuO粉末進行研磨，然後在850-950℃保溫4048小時進行煅燒，燒結成均勻的Ba-Cu-O粉末；3)將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y2O3坩堝內，將熔爐加熱至YBCO的包晶熔化溫度以上3040K，並保溫35-45小時使Ba-Cu-O粉末均勻熔化，得到Y-Ba-Cu-O熔體；4)將熔爐裡的氣氛環境改變為100％的純氧氣氛，並且保持熔爐的密閉以及氣流的穩定性；5)將Y-Ba-Cu-O熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下10-30K，作為外延生長溫度；6)以具有八重對稱性的YBCO薄膜為種膜，採取液相外延法生長YBCO厚膜，生長時間1-3分鐘，得到厚度為10-20微米具有純45°面內取向的釔鋇銅氧超導厚膜。
全文摘要
本發明涉及一種氧氣氛控制釔鋇銅氧超導厚膜面內取向生長的製備方法，利用液相外延生長裝置，在純氧氣氛中製備YBCO厚膜。按Ba/Cu原子比為0.5-0.7的比例配置Ba-Cu-O粉末，經研磨煅燒後放在Y2O3坩堝內加熱熔化，得到Y-Ba-Cu-O熔體。將密閉熔爐裡的氣氛環境改變為純氧氣氛，並將熔體溫度調整到低於YBCO包晶熔化溫度10-30K，以具有八重對稱性的釔鋇銅氧薄膜為種膜，液相外延生長得到高結晶品質的具有純45°面內取向的釔鋇銅氧超導厚膜。本發明通過氣氛環境中氧含量的改變，使原本只能製備純0°面內取向YBCO厚膜的液相外延過程，在較寬的溫度範圍內能得到具有純45°面內取向的YBCO厚膜。
文檔編號C30B19/00GK101109107SQ20071004148
公開日2008年1月23日 申請日期2007年5月31日 優先權日2007年5月31日
發明者忻 姚, 蔡衍卿 申請人:上海交通大學