YBCO高溫超導(dǎo)帶材的制備和實用化研究.pdf

1、第二代YBa<,2>Cu<,3>O<,7-6>(YBCO)涂層導(dǎo)體具有交流損耗低、性價比高以及在磁場下載流能力強等優(yōu)點，在工業(yè)上具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的重點。然而對于這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多元氧化物薄膜而言，其晶格結(jié)構(gòu)和特性比較復(fù)雜，尤其是直接在柔性金屬NiW基帶上制備YBCO涂層導(dǎo)體存在嚴(yán)重的晶格失配和互擴(kuò)散困難，因此無論是理論研究還是高質(zhì)量薄膜的制備都受到一定的制約，同時高承載電流能力以及低成本是制約第二代高溫超導(dǎo)帶材實

2、用化的兩大瓶頸難題，一些重要的物理現(xiàn)象和機(jī)理仍不清楚，在一定程度上阻礙了帶材實用化的快速發(fā)展。 本論文基于直流反應(yīng)磁控濺射方法在雙軸織構(gòu)的鎳鎢合金(Ni-5at％W)基帶上生長過渡層薄膜，并在其上進(jìn)行YBCO涂層導(dǎo)體的研制，即從實驗入手對材料的生長工藝、結(jié)構(gòu)、性能以及薄膜殘余應(yīng)力控制做了系列探索性工作，并在此基礎(chǔ)上對這些問題的內(nèi)在物理機(jī)制進(jìn)行了較為深入的研究和探討，為超導(dǎo)帶材的實用化奠定基礎(chǔ)。主要內(nèi)容如下： 1．多層結(jié)構(gòu)

3、過渡層及YBCO涂層導(dǎo)體研究。論文中過渡層采用模板層(CeO<,2>)/阻擋層(Y穩(wěn)ZrO<,2>，YSZ)/種子層(CeO<,2>)多層結(jié)構(gòu)。 (1)首先研究了材料工藝參數(shù)(等離子體轟擊、水分壓、工作氣壓、基片溫度和濺射功率等)對CeO<,2>種子層薄膜結(jié)構(gòu)和表面形貌的影響，優(yōu)化生長工藝。薄膜為完全c軸單一取向，面內(nèi)外半高寬分別為4.5°和2.5°，晶粒直徑小于100nm，表面均方根粗糙度約為6nm。同時，采用基帶連續(xù)卷繞對靶

4、濺射的方式在1m長NiW基帶上制備得到的CeO<,2>種子層兩面一致性和單面均勻性高。 (2)在優(yōu)化CeO<,2>種子層的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計正交實驗研究YSZ阻擋層的生長，結(jié)合極差分析和方差分析得到生長YSZ薄膜的最優(yōu)工藝參數(shù)；并針對YSZ阻擋層薄膜與CeO<,2>種子層薄膜之間的相互關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明YSZ薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、c軸取向性以及面內(nèi)外織構(gòu)與種子層薄膜關(guān)系密切。 (3)在最優(yōu)條件下的YSZ阻擋層上進(jìn)行CeO<

5、,2>模板層生長的研究，并通過XRDθ-2θ,ω掃描和極圖以及二次離子質(zhì)譜進(jìn)行表征，薄膜具有很好的面內(nèi)外織構(gòu)，同時多層結(jié)構(gòu)過渡層的表面平整致密無裂紋，而且各過渡層之間界面尖銳、清晰。 (4)采用直流濺射方法在CeO<,2>/YSZ/CeO<,2>過渡層上制備YBCO涂層導(dǎo)體，通過系統(tǒng)研究基片溫度、氧氬比和總壓對YBCO薄膜微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響，優(yōu)化生長工藝，并得到結(jié)構(gòu)良好的YBCO薄膜，薄膜為完全c軸取向，面內(nèi)外半高寬分別為5.

6、9°和4.5°，其Tc約為87.3K，Jc為1.3 MA/cm<'2>，雙面Ic為103A/cm；另外CeO<,2>模板層粗糙的表面都會促使BaCeO<,3>的形成，從而影響YBCO薄膜的外延生長。 2．超導(dǎo)帶材實用化的研究高溫超導(dǎo)帶材的實用化要求具有高的承載電流能力和低的成本。 (1)薄膜電流承載能力研究針對帶材電流承載能力的要求，YBCO涂層導(dǎo)體需要在增加薄膜厚度的同時，還要具有較高的Jc，而一般情況下，厚度的增加會

7、導(dǎo)致Jc急劇降低。論文中選用LaAlO<,3>(LAO)上生長的YBCO薄膜作為對象，進(jìn)行前期研究工作。不同厚度的YBCO薄膜均為嚴(yán)格c軸取向，厚度超過2μm仍然沒有α軸晶粒存在，薄膜厚度的增加導(dǎo)致表面出現(xiàn)大量的孔洞，甚至產(chǎn)生裂紋。結(jié)合晶面族和晶格常數(shù)的方法對薄膜中殘余應(yīng)力進(jìn)行了精確的測試與計算，分析并揭示了薄膜厚度對電學(xué)性能影響的規(guī)律，建立殘余應(yīng)力理論模型并準(zhǔn)確的解釋實驗結(jié)果。 在大量的實驗結(jié)果與模型的基礎(chǔ)上，提出多層薄膜的研

8、究思路，首次引入CaCuO<,2>作為中間層材料，通過優(yōu)化其厚度和層數(shù)，大幅度提高薄膜承載電流的能力，為制備具有超高電流承載能力的第二代高溫超導(dǎo)帶材提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。 (2)涂層導(dǎo)體的低成本研究多層過渡層工藝的復(fù)雜性增加了帶材的制備成本從而影響了第二代帶材的大規(guī)模使用。首次提出原位退火織構(gòu)化技術(shù)(IPAT)技術(shù)，這種方法具有完全避免基帶氧化，快速，可控性好，薄膜表面平整、無裂紋的優(yōu)點。利用IPAT技術(shù)在NiW基帶上成功制備C