CN105734541B - 一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法 - Google Patents

一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法，属于超导材料的制备技术领域。本发明的技术方案要点为：一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法，该方法采用在高纯铝阳极氧化技术制备的氧化铝晶体基底上用有机盐沉积法和溶胶凝胶法外延生长YBCO超导层的过渡层薄膜。本发明所得过渡层薄膜厚度均一且光洁度高，解决了溅射镀膜法制备过渡层/Al2O3过渡层薄膜质量不高的问题；采用在高纯铝阳极氧化技术制备的氧化铝晶体基底上制备过渡层，解决了用大面积的蓝宝石作为衬底成本较高和薄膜尺寸受制备仪器空间限制的问题。

Description

一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法
技术领域
本发明属于超导材料的制备技术领域，具体涉及一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法。
背景技术
目前的集成电子器件基本都是以薄膜材料为基础，由于高温超导薄膜具有优异的电学性能，因此受到广泛的研究和重视，其中YBa2Cu3O7－δ（YBCO）超导薄膜已经应用于滤波器。为了保证YBCO薄膜的性能，超导薄膜必须是制备在晶格匹配的衬底上，在衬底表面上原子的周期性排列必须与高温超导体中原子的周期性排列近似对应，以使外延生长成为可能，称为晶格匹配过程。另外由于高温超导薄膜的制备需要在500-1000℃的高温氧气环境下，而且要求薄膜是外延生长的，这就对基片提出了以下要求：在高温过程中，要求基片与薄膜之间没有扩散，即使有很少的扩散也不能影响薄膜的超导性能；为避免在成膜过程或实际应用中由于温度的升降循环导致薄膜产生微裂纹，要求基片的热膨胀系数与超导材料的接近；基片材料能够生长出尺寸足够大的单晶，有足够的机械强度及化学稳定性。
然而，现在微电子器件常用蓝宝石（R-Al2O3）基片，它的介电常数小且介质损耗小，它的微波性能好以及强度大等优势被广泛选用。但实践证明，蓝宝石淀积的薄膜基片和YBCO膜之间还会发生严重的扩散，并且与YBCO的晶格匹配关系不好，必要通过处理来解决这些问题。使用过渡层改善其与YBCO薄膜的兼容性是一个有效的手段，目前用于过渡层的材料主要有：以MgO、CeO2、YSZ、Tb2O3、Y2O3、Gd2O3和Eu2O3等为代表的简单氧化物，还有以SrTiO3、LaAlO3、LaMnO3和SrRuO3等为代表的钙钛矿结构（ABO3）的氧化物，以及以La2Zr2O7(LZO)、Gd2Zr2O7和Gd2Nb2O7等为代表的烧绿石结构（A2B2O7）的氧化物等。这些过渡层具有较好的化学稳定性，与YBCO有较好的晶格匹配关系。这一思路主要使用PLD、热蒸发和溅射法制备YBCO/过渡层/Al2O3结构的过渡层和超导薄膜层，然而这些方法生长的过渡层有较多的空穴和错位缺陷、质量不高且制备出的YBCO外延薄膜质量严重下降。针对单晶蓝宝石基片加工中存在的问题和大面积的蓝宝石成本较高的问题，本发明采用高纯铝阳极氧化技术制备了廉价的高表面质量的氧化铝晶体基底，如何在氧化铝晶体基底上制备高质量的过渡层薄膜将直接决定外延的YBCO薄膜的质量，探索优良的过渡层薄膜制备方法是个关键问题。
发明内容
为解决溅射镀膜法制备YBCO/过渡层/Al2O3过渡层薄膜质量不高的问题，探索优良的过渡层薄膜制备方法，本发明提供了一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜的方法，该方法采用在高纯铝阳极氧化技术制备的氧化铝晶体基底上用有机盐沉积法和溶胶凝胶法外延生长YBCO超导层的过渡层薄膜。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）氧化铝晶体基底的制备，将0.2mm厚的铝片剪切后放入丙酮中超声清洗15分钟，再将超声清洗后的铝片在350℃的温度下隔绝空气退火3小时，将退火处理后的铝片进行电化学抛光，以退火处理后的铝片作为阳极，圆形铜片作为阴极，阴阳两极平行相对，以体积比为5:1的乙醇和高氯酸的混合溶液作为电解液，在20V的电压和6-8℃的温度下电解直至铝片表面一层黑色薄膜退去，电解后用60℃热水冲洗表面的电解液，然后以预处理后的铝片作为阳极，铂电极作为阴极，在醋酸溶液中于5℃进行阳极氧化直至铝片变为透明的氧化铝为止，其中氧化的电压为45V，最后将得到的氧化铝基底用高纯水清洗后置于退火炉中，在高纯氧气气氛下以50℃/s的升温速率升温至800℃保温1小时，然后随炉冷却后制得氧化铝晶体基底；
（2）过渡层的制备，以丙酸为溶剂配制摩尔浓度为0.4mol/L的乙酰丙酮铈前驱液或者以丙酮为溶剂配制总的阳离子浓度为1mol/L的乙酰丙酮镧和乙酰丙酮锆混合前驱液，将氧化铝晶体基底置于旋涂机中进行乙酰丙酮铈前驱液或乙酰丙酮镧和乙酰丙酮锆混合前驱液的涂覆，然后经过退火处理制得CeO2/Al2O3基片或LZO/Al2O3基片。
进一步优选，步骤（1）中铝片的纯度为99.99%。
进一步优选，步骤（1）中醋酸溶液的摩尔浓度为1mol/L。
进一步优选，步骤（2）中制备CeO2/Al2O3基片的退火处理过程为：以300-600℃/h的升温速率升温至1000℃并保温5分钟后随炉冷却制得CeO2过渡层。
进一步优选，步骤（2）中制备LZO/Al2O3基片的退火处理过程为：以Ar-H2作为保护气，其中H2的体积分数为4%，退火烧结温度为1100-1150℃，烧结保温时间为90分钟制得LZO过渡层。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：用有机盐沉积法和溶胶凝胶法在氧化铝晶体基底上外延生长过渡层薄膜，所得过渡层薄膜厚度均一且光洁度高，解决了溅射镀膜法制备过渡层/Al2O3过渡层薄膜质量不高的问题；采用在高纯铝阳极氧化技术制备的氧化铝晶体基底上制备过渡层，解决了用大面积的蓝宝石作为衬底成本较高和薄膜尺寸受制备仪器空间限制的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中氧化铝晶体基底上沉积的LZO过渡层的XRD图谱；
图2是本发明实施例中氧化铝晶体基底上沉积的LZO过渡层的SEM图；
图3是本发明实施例中氧化铝晶体基底上沉积的CeO2过渡层的SEM图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
氧化铝晶体基底的制备
将0.2mm厚的铝片剪切后放入丙酮中超声清洗15分钟，再将超声清洗后的铝片在350℃的温度下隔绝空气退火3小时，将退火处理后的铝片进行电化学抛光，以退火处理后的铝片作为阳极，圆形铜片作为阴极，阴阳两极平行相对，以体积比为5:1的乙醇和高氯酸的混合溶液作为电解液，在20V的电压和6-8℃的温度下电解直至铝片表面一层黑色薄膜退去，电解后用60℃热水冲洗表面的电解液，然后以预处理后的铝片作为阳极，铂电极作为阴极，在醋酸溶液中于5℃进行阳极氧化直至铝片变为透明的氧化铝为止，其中氧化的电压为45V，最后将得到的氧化铝基底用高纯水清洗后置于退火炉中，在高纯氧气气氛下以50℃/s的升温速率升温至800℃保温1小时，然后随炉冷却后制得氧化铝晶体基底。
实施例2
在氧化铝晶体基底上制备LZO过渡层
以乙酰丙酮镧（La(CH3COCHCOCH3)3xH2O）和乙酰丙酮锆（Zr(CH3COCHCOCH3)4）作为前驱盐，丙酸作为溶剂，配制总的阳离子摩尔浓度为1.0mol/L的乙酰丙酮镧和乙酰丙酮锆混合前驱液；将氧化铝晶体基底置于旋涂机中进行乙酰丙酮镧和乙酰丙酮锆混合前驱液的涂覆，首先设定旋转的加速时间和涂覆时间，然后将洗净烘干的氧化铝晶体基底置于匀胶机中心，开启真空泵抽真空，吸住基底，将溶液滴在氧化铝晶体基底上，开启电动机，氧化铝晶体基底将随转台一起旋转，基底上的前驱液均匀铺展，最终得到均匀的前驱薄膜，再以Ar-H2作为保护气，其中H2的体积分数为4%，退火烧结温度为1100-1150℃，烧结保温时间为90分钟制得过渡层薄膜。所得到的LZO过渡层的XRD结果如图1所示，样品SEM表面形貌如图2所示，由图可知，过渡层表面均匀、平整且致密性高。
实施例3
在氧化铝晶体基底上制备CeO2过渡层
以丙酸为溶剂配制摩尔浓度为0.4mol/L的乙酰丙酮铈前驱液，将氧化铝晶体基底置于旋涂机中进行乙酰丙酮铈前驱液的涂覆，涂覆到氧化铝晶体基底上的前驱膜经过高温热处理才能获得最终的过渡层薄膜，热处理的工艺为快速升温至1000℃并保温5min后随炉冷却。CeO2过渡层的SEM表面形貌图如图3所示，由图可知，过渡层表面均匀、平整且致密性高。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (3)

1.一种在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）氧化铝晶体基底的制备，将0.2mm厚的铝片剪切后放入丙酮中超声清洗15分钟，再将超声清洗后的铝片在350℃的温度下隔绝空气退火3小时，将退火处理后的铝片进行电化学抛光，以退火处理后的铝片作为阳极，圆形铜片作为阴极，阴阳两极平行相对，以体积比为5:1的乙醇和高氯酸的混合溶液作为电解液，在20V的电压和6-8℃的温度下电解直至铝片表面一层黑色薄膜退去，电解后用60℃热水冲洗表面的电解液，然后以预处理后的铝片作为阳极，铂电极作为阴极，在醋酸溶液中于5℃进行阳极氧化直至铝片变为透明的氧化铝为止，其中氧化的电压为45V，最后将得到的氧化铝基底用高纯水清洗后置于退火炉中，在高纯氧气气氛下以50℃/s的升温速率升温至800℃保温1小时，然后随炉冷却后制得氧化铝晶体基底，铝片的纯度为99.99%，醋酸溶液的摩尔浓度为1.0mol/L；
（2）过渡层的制备，以丙酸为溶剂配制摩尔浓度为0.4mol/L的乙酰丙酮铈前驱液或者以丙酮为溶剂配制总的阳离子浓度为1mol/L的乙酰丙酮镧和乙酰丙酮锆混合前驱液，将氧化铝晶体基底置于旋涂机中进行乙酰丙酮铈前驱液或乙酰丙酮镧和乙酰丙酮锆混合前驱液的涂覆，然后经过退火处理制得CeO2/Al2O3基片或LZO/Al2O3基片。
2.根据权利要求1所述的在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法，其特征在于：步骤（2）中制备CeO2/Al2O3基片的退火处理过程为：以300-600℃/h的升温速率升温至1000℃并保温5分钟后随炉冷却制得CeO2过渡层。
3.根据权利要求1所述的在氧化铝晶体基底上制备高温超导薄膜过渡层的方法，其特征在于：步骤（2）中制备LZO/Al2O3基片的退火处理过程为：以Ar-H2作为保护气，其中H2的体积分数为4%，退火烧结温度为1100-1150℃，烧结保温时间为90分钟制得LZO过渡层。
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