YBCO超導(dǎo)帶材緩沖層的生長(zhǎng)控制研究.pdf

1、以YBa2Cu3O7-δ(YBCO)為代表的第二代高溫超導(dǎo)帶材具有優(yōu)異的電學(xué)性能,在電力傳輸、電能存儲(chǔ)、強(qiáng)磁場(chǎng)等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。為獲得高性能的YBCO超導(dǎo)帶材,必須制備出高質(zhì)量的緩沖層來(lái)傳遞雙軸織構(gòu)以及阻擋基帶和超導(dǎo)材料間的互擴(kuò)散。目前在制備過程中仍然存在大量的瓶頸問題需要解決:如晶粒間夾角的控制、新型緩沖層結(jié)構(gòu)的選取和制備、成本的降低等。本論文基于軋制輔助雙軸織構(gòu)(RABiTS)路線,從薄膜的生長(zhǎng)工藝入手,對(duì)薄膜織構(gòu)、表面

2、形貌的調(diào)控機(jī)制以及緩沖層對(duì)超導(dǎo)薄膜載流能力影響的機(jī)理開展了系統(tǒng)的研究工作。主要內(nèi)容如下:
　　1、采用直流磁控反應(yīng)濺射法在雙軸織構(gòu)的Ni-5at.％W(NiW)基帶上制備雙面CeO2/YSZ/Y2O3薄膜,通過調(diào)整水分壓、濺射氣壓和沉積溫度等工藝條件,進(jìn)行了三層緩沖層結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)控制研究。在最優(yōu)工藝條件下制備的Y2O3薄膜面外織構(gòu)為1.5o,面內(nèi)織構(gòu)為4.8o,表面均方根粗糙度Rrms為2nm。并通過對(duì)Y2O3薄膜應(yīng)力變化與薄膜生長(zhǎng)

3、機(jī)理的分析,建立兩種生長(zhǎng)模型闡述Y2O3薄膜面外織構(gòu)大幅度改善的原因。采用濺射原子擴(kuò)散、成核的理論模型對(duì)CeO2薄膜表面形貌及晶粒變化進(jìn)行了理論分析,并結(jié)合工藝實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了平整致密模板層的制備,表面均方根粗糙度Rrms小于3nm。為制備高質(zhì)量的YBCO帶材提高了保證。
　　2、利用超導(dǎo)電流在YBCO中傳輸模型計(jì)算了晶界夾角對(duì)YBCO薄膜載流能力的影響,并通過對(duì)比在具有不同織構(gòu)緩沖層樣品制備YBCO薄膜的臨界電流密度,從實(shí)驗(yàn)上對(duì)計(jì)算結(jié)

4、果進(jìn)行驗(yàn)證。
　　進(jìn)行了對(duì)緩沖層表面形貌對(duì)YBCO載流能力影響的規(guī)律進(jìn)行研究,選取不同表面形貌的CeO2/YSZ/Y2O3緩沖層,在其上采用相同的工藝制備YBCO薄膜,利用高分辨X射線衍射譜計(jì)算不同樣品的螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)密度,理論分析了不同表面粗糙度對(duì)YBCO位錯(cuò)密度的影響,對(duì)比不同樣品YBCO薄膜的臨界電流密度,解釋了緩沖層表面粗糙度對(duì)YBCO薄膜臨界電流密度影響的原因。最后在最優(yōu)雙面多層緩沖層上制備的YBCO薄膜雙面臨界電流

5、密度Jc一致,雙面臨界電流Ic值為500A/cm-width。
　　3、為了解決直流濺射中靶材中毒導(dǎo)致沉積速率下降的難題以實(shí)現(xiàn)緩沖層的快速高質(zhì)量制備,采用交流中頻磁控反應(yīng)濺射制備Y2O3種子層,研究中頻電壓、濺射氣壓對(duì)Y2O3薄膜取向和表面形貌的影響規(guī)律。Y2O3種子層制備效率提高到直流濺射的3倍,從5m/h的制備效率提升到15m/h,甚至最高可達(dá)到50m/h,這對(duì)于YBCO超導(dǎo)帶材的工業(yè)化具有非常重要的意義。在中頻濺射制備的Y2

6、O3薄膜上成功制備了良好的面內(nèi)外織構(gòu)的YSZ阻擋層和CeO2模板層,進(jìn)一步證明了中頻磁控反應(yīng)濺射技術(shù)能夠快速制備高質(zhì)量緩沖層的優(yōu)點(diǎn)。
　　4、簡(jiǎn)化緩沖層制備工藝以降低工藝成本,并提高帶材的工程實(shí)用性,提出了全導(dǎo)電TiN/SrRuO3(SRO)緩沖層新結(jié)構(gòu),并采用脈沖激光沉積技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究不同制備工藝下TiN種子層的生長(zhǎng)規(guī)律,XRD測(cè)試結(jié)果表明TiN和SRO具有良好的面內(nèi)外織構(gòu),SRO表面粗糙度Rrms小于5nm。I-V曲線測(cè)