用低氟MOD法在LAO單晶上制備YBCO超導(dǎo)薄膜的研究.pdf

1、釔鋇銅氧(YBCO)高溫超導(dǎo)材料自發(fā)現(xiàn)以來,由于其相對于Bi系超導(dǎo)體在性能方面的優(yōu)勢,成為了該領(lǐng)域的研究熱點。制備YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的方法很多,采用TFA-MOD法制備YBCO薄膜以其無需高真空條件、設(shè)備要求簡單,而備受科研人員關(guān)注。然而,此工藝由于制備周期長,單次涂膜過薄,尾氣具有污染性,因此為了達到實際應(yīng)用的要求,仍需進一步改進。本論文針對傳統(tǒng)TFA-MOD工藝存在的問題,提出了高性能YBCO超導(dǎo)薄膜的快速廉價制備方法,并對所使用

2、金屬前驅(qū)鹽的分解過程進行了熱力學(xué)分析,獲得了分解過程遵循的反應(yīng)機理。
　　 在快速制備YBCO超導(dǎo)薄膜方面,經(jīng)過對甲基丙烯酸鹽和丙烯酸鹽各方面參數(shù)進行比較后,使用分子量較小,反應(yīng)較易進行的丙烯酸對傳統(tǒng)的三氟乙酸鹽進行了替代。這種無氟金屬有機鹽的引入,不但大幅降低了之前使用三氟乙酸鹽所引起的有毒有害氣體HF的排放,減少了其對環(huán)境的污染,并且使低溫預(yù)處理時間由原來的10個小時縮短到2個小時,大幅提高了薄膜的生產(chǎn)效率。
　　

3、另一方面,經(jīng)過對乙醇胺,二乙醇胺,以及三乙醇胺各方面性能(增稠性能,穩(wěn)定性,分子量等)進行對比后,最終選擇以二乙醇胺作為添加劑引入到前驅(qū)溶液當(dāng)中,增加了溶液的穩(wěn)定性,中和了溶液的酸性,并增大了溶液的粘稠度。在對低溫預(yù)處理工藝進行進一步改進后,將前驅(qū)鹽的分解區(qū)為在268℃干氧氣氛下二乙醇胺的分解和268℃后濕氧氣氛下金屬有機鹽的分解兩部分進行,由此消除了二乙醇胺的添加對前驅(qū)薄膜所造成的不利影響。在保證溶液對基底具有足夠浸潤性的前提下,其添

4、加量最高可達0.75g/5ml。
　　 雖然在傳統(tǒng)TFA-MOD工藝的基礎(chǔ)上同時進行了以上兩項變化,但在LZO單晶上生成的薄膜,其微觀結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)性能并沒有受到明顯影響。經(jīng)XRD結(jié)果顯示,薄膜內(nèi)部由(001)至(007)所有c軸取向晶粒所對應(yīng)的衍射峰均較為尖銳,由于低氟前驅(qū)溶液的采用,薄膜內(nèi)部僅有少量BaCO3的產(chǎn)生;經(jīng)SEM結(jié)果顯示,薄膜表面平整致密,僅在表面有a軸晶粒分布。但以上現(xiàn)象并未對YBCO薄膜的超導(dǎo)性能產(chǎn)生不利影響,其

5、臨界電流密度(Jc)最高達到了3.5MA/cm2,工程電流最高可達到87.5A/cm-width。為檢驗低氟前驅(qū)溶液的實用型,進一步分別在實驗室自制的CeO2/LZO和LZO/NiW基底上進行了雙層YBCO超導(dǎo)層的沉積。其中,經(jīng)XRD表征,在CeO2/LZO基底上沉積的YBCO超導(dǎo)層c軸取向性均較為明顯,臨界電流密度為0.2MA/cm2。而在LZO/NiW基板上所制備的YBCO薄膜雖均未能獲得超導(dǎo)電流,但晶粒的c軸取向性仍較為明顯。

6、r>　　 與此同時,由于相比于激光脈沖輔助沉積(PLD)和化學(xué)氣相沉積(CVD),金屬有機鹽沉積(MOD)制備薄膜的精確度較差,工藝不易控制。因此,本論文首次提出了對用于制備低氟YBCO前驅(qū)體的丙烯酸銅,三氟乙酸釔及三氟乙酸鋇進行非等溫?zé)釀恿W(xué)分析。通過以微分法中的Achar法和積分法中的Coats-Redfern法相結(jié)合的途徑,并利用各種常用反應(yīng)機理所對應(yīng)的模型函數(shù),求出了上述前驅(qū)鹽分解過程的模型參數(shù)。其中,丙烯酸銅分為兩步分解,第

7、一步遵循三級Avrami-Erofeev成核與生長機理:G(α)=[-Ln(1-α)]1/3,第二步遵循Valensi(Barrer)機理:G(α)=a+(1-a)ln(1-a)。而三氟乙酸釔分解過程則遵循1.5級Avrami-Erofeev成核與生長機理:G(α)=[-Ln(1-α)]1/1.5。三氟乙酸鋇熱分解過程遵循一級和1.5級生長機理:G(α)=(1-a)-1/2。由反應(yīng)活化能可知,所選用的丙烯酸銅的分解反應(yīng)均較易進行,而三氟