CN105695940A - 一种提高ybco厚膜临界电流的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在金属基带衬底上制备YBCO超导层厚膜的方法，包括：(1)将带有隔离层的金属基带作为样品衬底。(2)以YBCO为靶材，靶基距40-60mm。(3)抽真空至真空腔体内的真空度优于3×10-4Pa，且将金属基带衬底加热至750-770℃并保持；再向真空腔体内通入氧气，并控制纯氧气氛为20-30Pa并保持；(4)、用脉冲激光沉积方法(PLD)在带有隔离层的金属基带衬底上制备YBCO薄膜。以激光频率为10～20Hz，沉积YBCO薄膜。之后将金属基带衬底的温度在原有温度下提高5-10℃并保持，待温度稳定平衡后，同样条件下再继续沉积YBCO薄膜，由传统的不间断沉积方式改为间歇式沉积方式。(5)将沉积后的YBCO薄膜进行原位退火，即在带有隔离层的金属基带上制成YBCO超导层。使用激光法制备的YBCO薄膜不仅有良好的织构和表面形貌，更有高的电性能。

Description

一种提高YBCO厚膜临界电流的方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜的连续制备方法，属于超导材料技术领域，特别涉及YBa2Cu3O7-x(YBCO)涂层导体超导层的制备和脉冲激光沉积(PLD)技术领域。
背景技术
经过30年来的发展，目前高温超导材料正从基础研究阶段向应用研究阶段转变，高温超导材料的研究已在单晶、薄膜、块材、线材、涂层导体等多方面取得了重大突破，并将逐步应用于能源、工业、交通、医疗、航天、国防和科学实验等领域，起到独特和不可取代的作用。
高温超导体在强电方面的应用要求超导材料有高的电性能指标，其中最重要的是要求长尺度超导体在一定的磁场下具有高的电流密度，通常Jc值应大于104A/cm2，最好在105A/cm2量级以上，这就要求必须制备出能够承载大电流的超导带材。
第一代高温超导带材是Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO2223)，其工艺已基本成熟，能够大批量生产，但由于热激活磁通运动，Bi系超导材料的不可逆场较低，不可能在高温高场得到较大的临界电流密度(Jc)。YBCO超导材料具有高的不可逆场，在高温高场下也能保持良好的电性能，而且通过一定的工艺，能大大缩减Y系带材成本。因此，作为第二代高温超导带材的YBCO涂层导体引起了人们的广泛关注。
为克服YBCO超导材料的弱连接效应，达到可供实用化的高临界电流密度，YBCO涂层导体一般是三部分的层状结构：Ni或Ni合金基底，一层或多层隔离层，YBCO超导层。其中超导层是YBCO涂层导体最重要的部分，因为它的质量和承载电流的大小密切相关，并能以此检验隔离层的质量。所以能快速制备出致密、均匀、能承载大电流的YBCO长带是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高性能YBCO涂层导体的方法，采用本方法，能生长具有良好电性能的YBCO超导层。本方法为生长能实用化的YBCO涂层导体提供了良好的实现途径。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种在金属基带衬底上制备高性能YBCO厚膜的方法，该方法包括下述步骤：
(1)在制备YBCO超导层的真空腔体中，将带有隔离层的金属基带作为样品衬底。采用常规脉冲激光沉积设备，YBCO超导层的真空腔体为常规脉冲沉积激光设备的真空腔体。
(2)以YBCO为靶材，靶基距40-60mm。在真空腔体中，采用脉冲激光沉积的方法在衬底上沉积YBCO膜。
(3)抽真空至真空腔体内的真空度优于3×10-4Pa，且将金属基带衬底加热至750-770℃(由内置热电偶测量，此时腔体外的红外测温仪测量为715-735℃)并保持；再向真空腔体内通入氧气，并控制纯氧气氛为20-30Pa并保持；
(4)、用脉冲激光沉积方法(PLD)在带有隔离层的金属基带衬底上制备YBCO薄膜。以激光频率为10～20Hz，沉积YBCO薄膜。之后将金属基带衬底的温度在原有温度下提高5-10℃并保持，待温度稳定平衡后，同样条件下再继续沉积YBCO薄膜，由传统的不间断沉积方式改为间歇式沉积方式。
(5)在真空腔体中，将沉积后的YBCO薄膜进行原位退火，即在带有隔离层的金属基带上制成YBCO超导层。
在所述的步骤(4)中，脉冲激光沉积方法中的所用的激光频率为10-20Hz，能量密度为1.8～2.5J/cm2。
在所述的步骤(4)中，人为中断沉积，出现间歇时段，并在此时调节温度，间歇时段的时间为3-8分钟；每次沉积的厚度：在0.6微米以下，不必间歇；在大于0.6微米以后，约0.3-0.5微米间歇一次。
隔离层的厚度总体在几百纳米，与金属衬底80微米相比，这个厚度与间歇时间和次数无关。
间歇的次数与沉积膜的总厚度有关。所以申请人提出间歇式沉积方式，是因为要沉积YBCO膜较常规的YBCO膜(几百纳米)算是厚膜(需大于1微米)，YBCO在膜厚大于1微米时超导性能会变差，为解决这个问题，采用间歇式，一方面让膜的应力有所释放，另一方面在厚膜上获得良好织构，以期获得好的超导性能。(间歇的目的是为了调整温度，通常也是观察温度降低多少)。
在所述的步骤(1)中，所使用的带有隔离层的金属基带中的隔离层为CeO2/YSZ/Y2O3，即在金属基带上依次有CeO2层、YSZ层、Y2O3层的三层隔离层；或者隔离层为CeO2/YSZ/CeO2，即在金属基带上依次有CeO2层、YSZ层、CeO2层的三层隔离层。
在所述的步骤(1)中，所使用的带有隔离层的金属基带的宽为10mm，厚为0.08mm，长度为5～15mm。
在所述的步骤(1)中，金属基带是通过粘贴方式固定在不锈钢引带上的。
在所述的步骤(2)中，所使用的靶材是Φ50mm，厚为5mm的圆形的靶材。
在所述的步骤(4)中，脉冲激光沉积方法中的所用的激光能量密度为1.8～2.5J/cm2。
在所述的步骤(5)中，原位退火是在0.09MPa的纯氧气氛中进行，该样品在480～520℃内保持20～30min。
本发明的优点是：
本发明提供了一种制备高性能YBCO超导层的可行技术。在常规YBCO膜的沉积过程中，为防止界面层的出现，沉积过程为连续不间断的沉积方式。但这种常规的镀膜方式无法保证厚膜的织构性能。本发明的特点在于提出间歇式沉积方法，即在沉积一段时间后，暂停沉积，间歇中适当提高衬底加热温度，再继续沉积。这种方法可适当解决YBCO层随厚度的增加立方织构变差的问题，有效地提高了超导电性能。使用激光法制备的YBCO薄膜不仅有良好的织构和表面形貌，更有利于提高电性能，为YBCO涂层导体的工业化提供了极具前景的实现途径。
附图说明
图1为本发明具体实施例1所制备的YBCO膜的x射线扫描图。
图2为本发明具体实施例1所制备的YBCO膜的x射线ω扫描图。
图3为本发明具体实施例2所制备的YBCO膜的临界转变温度Tc测量图。
图4为本发明具体实施例2所制备的YBCO膜被刻蚀为桥宽2mm样品的临界电流I-V曲线。
图5为本发明具体实施例2所制备的YBCO膜台阶仪测试YBCO膜厚度曲线。
具体实施方式
本发明具体实施方式采用常规设备即制备YBCO超导层的设备，提供一种间歇式制备YBCO超导层的方法。以下以具体实施方式进行说明。
具体实施例1：
用激光法制备YBCO超导层，靶材是Φ50×5mm的YBCO靶，靶基距约40mm。靶材在沉积过程中保持自转。
将带有CeO2/YSZ/Y2O3隔离层的NiW金属衬底粘贴于不锈钢引带下方，衬底尺寸为5×10mm，将样品置于靶材上方。
关闭真空设备腔体，抽真空至2.5×10-4Pa，将将衬底温度加热到750℃，通过内置热电偶读取温度(红外测温仪测量715℃)，待温度稳定后，向腔体内通入氧气，控制氧压为20Pa。
打开激光，选择频率10Hz，能量密度1.8J/cm2，在衬底上沉积YBCO薄膜。之后将金属基带的温度在原有温度下提高10℃并保持，此时热电偶读取温度为760℃(红外测温仪测量仍为715℃)，待温度稳定平衡后，再以激光频率为10Hz，能量密度1.8J/cm2继续沉积YBCO薄膜，如此反复直至所需厚度。
关闭激光。
将通入的氧气气压调为0.09MPa，样品降温至480℃，保温30min。
停止加热，取出所制得的YBCO薄膜。
本具体实施例1的YBCO膜的x射线扫描图见图1；扫描半高宽7.14°。本具体实施例1的YBCO膜的x射线ω扫描图见图2；ω扫描半高宽3.8°。表现出良好的立方织构。
具体实施例2：
用激光法制备YBCO超导层，靶材是Φ50×5mm的YBCO靶，靶基距约60mm。靶材在沉积过程中保持自转。
将带有CeO2/YSZ/Y2O3隔离层的NiW金属衬底粘贴于不锈钢引带下方，衬底尺寸为15×10mm，将样品置于靶材上方。
关闭真空设备腔体，抽真空至2.5×10-4Pa，将将衬底温度加热到760℃，通过内置热电偶读取温度(红外测温仪测量725℃)，待温度稳定后，向腔体内通入氧气，控制氧压为30Pa。
打开激光，选择频率5Hz，能量密度2.0J/cm2，在衬底上沉积YBCO薄膜。之后将金属基带的温度在原有温度下提高10℃并保持，此时热电偶读取温度为770℃(红外测温仪测量仍为725℃)，待温度稳定平衡后，再以激光频率为5Hz，能量密度2.0J/cm2继续沉积YBCO薄膜，如此反复直至所需厚度。
关闭激光。
将通入的氧气气压调为0.09MPa，样品降温至520℃，保温20min。
停止加热，取出所制得的YBCO薄膜。
本具体实施例2的YBCO膜的临界转变温度Tc测量见图3，其中，Tc＝90.1K。△Tc＝0.5K。用四引线法测得的刻蚀YBCO临界电流Ic，其结果见图4。本具体实施例2的YBCO膜被刻蚀为2毫米宽的桥，临界电流Ic为84A，那么对于1cm宽的带材，临界电流约为420A。本具体实施例2的台阶仪测试YBCO膜厚度曲线见图5，该样品YBCO膜厚约2μm。

Claims (7)

1.一种在金属基带衬底上间歇式制备YBCO超导层厚膜的方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：
(1)在制备YBCO超导层的真空腔体中，将带有隔离层的金属基带作为样品衬底；采用常规脉冲激光沉积设备，YBCO超导层的真空腔体为常规脉冲激光沉积设备的真空腔体；
(2)以YBCO为靶材，靶基距40-60mm，在真空腔体中，采用脉冲激光沉积的方法在衬底上沉积YBCO膜；
(3)抽真空至真空腔体内的真空度优于3×10-4pa，且将金属基带衬底加热至750-770℃并保持；再向真空腔体内通入氧气，并控制纯氧气氛为20-30Pa并保持；
(4)、用脉冲激光沉积方法即PLD方法在带有隔离层的金属基带衬底上制备YBCO薄膜；以激光频率为10～20Hz，沉积YBCO薄膜之后，将金属基带衬底的温度在原有温度下提高5-10℃并保持，待温度稳定平衡后，同样条件下再继续沉积YBCO薄膜，由传统的不间断沉积方式改为间歇式沉积方式；
(5)在真空腔体中，将沉积后的YBCO薄膜进行原位退火，即在带有隔离层的金属基带上制成YBCO超导层。
2.根据权利要求1所述的在金属基带上间歇式制备YBCO超导层厚膜的方法，其特征在于：在所述的步骤(4)中，脉冲激光沉积方法中的所用的激光频率为10-20Hz，能量密度为1.8～2.5J/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的在金属基带上间歇式制备YBCO超导层厚膜的方法，其特征在于：在所述的步骤(4)中，人为中断沉积，出现间歇时段，并在此时调节温度，间歇时段的时间为3-8分钟；每次沉积的厚度：在0.6微米以下，不必间歇；在大于0.6微米以后，约0.3-0.5微米间歇一次。
4.根据权利要求1所述的在金属基带衬底上间歇式制备YBCO超导层厚膜的方法，其特征在于：在所述的步骤(5)中，原位退火是在0.09MPa的纯氧气氛中进行，退火方式为固定退火，该样品在480～520℃内保持20～30min。
5.根据权利要求1或2所述的在金属基带上间歇式制备YBCO超导层厚膜的方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中，所使用的带有隔离层的金属基带中的隔离层为CeO2/YSZ/Y2O3，即在金属基带上依次有CeO2层、YSZ层、Y2O3层的三层隔离层；或者隔离层为CeO2/YSZ/CeO2，即在金属基带上依次有CeO2层、YSZ层、CeO2层的三层隔离层。
6.根据权利要求5所述的在金属基带上间歇式制备YBCO超导层厚膜的方法，其特征在于：在所述的步骤(1)中，所使用的带有隔离层的金属基带的宽为10mm，厚为0.08mm，长度为5～15mm。
7.根据权利要求1或2所述的在金属基带上间歇式制备YBCO超导层的方法，其特征在于：在所述的步骤(2)中，以YBCO为靶材，所使用的靶材是Φ50mm、厚为5mm的圆形的靶材。
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