CN106544636B - 无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法。本发明方法包括：在衬底基片上淀积Tl‑Ba‑Ca‑Cu‑O非晶先驱薄膜；在流动的氧气气氛中，将非晶先驱薄膜放入密闭的人造蓝宝石坩埚中进行高温热处理，使Tl‑Ba‑Ca‑Cu‑O非晶先驱薄膜转变为Tl2Ba2CaCu2O8(Tl‑2212)高温超导薄膜。本发明采用了表面光滑的蓝宝石坩埚，使得贴合更加紧密，密闭性变强，非晶先驱薄膜中的铊元素含量即可提供结晶所需要的成分。这样不需要含铊源的焙烧靶，减少了不确定因素，使得制作出来的超导薄膜质量稳定。本发明制作的Tl‑2212超导薄膜，可用于制作微波无源器件，也可用于制作其他超导器件和进行科学研究等。

Description

无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法
技术领域
本发明属于超导电子器件技术领域，具体涉及一种制作铊系超导薄膜的方法。尤其是涉及到Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)高温超导材料薄膜的制备方法。
背景技术
高质量的高温超导薄膜，在超导电子器件，尤其是微波无源器件应用方面具有重要的意义。现有Tl-2212超导薄膜分两步制备。例如，在公开号为1516297的发明专利中，公开了一种制备铊系超导薄膜的方法。其通过两步骤制备超导薄膜：
1)在衬底基片上淀积Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜；
2)在氩气，或氧气，或氩氧混合气体气氛中(～105Pa)，在含有铊源的材料的坩埚中进行高温热处理，使Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜转变为超导薄膜。
在这种制备方法中的第二步，非晶先驱薄膜需要和含有铊源的材料(焙烧靶)一同进行高温热处理，其中的焙烧靶需要单独制作，并且使用一定次数后就要作废，使得效率低下。另外，当焙烧靶中的铊含量达不到要求时，使得最终制备出来的超导薄膜结晶变差，质量变差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的效率低下，和因为焙烧靶中铊含量不稳定导致超导薄膜结晶差的问题，提供一种无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法。
本发明方法将已经淀积好的Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜直接放在人造蓝宝石坩埚中进行高温热处理，因蓝宝石表面比较光滑，密闭性较好，而不需要另外的含有铊源的材料来提供铊元素。
发明技术方案
无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法。本发明制作的铊系高温超导薄膜材料的通式是Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)，所述的Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜的超导转变温度Tc>100K，液氮温度下的临界电流密度Jc(77K)>1×106A/cm2，液氮温度下10GHz的表面电阻Rs<1mΩ。Tl2Ba2CaCu2O8超导薄膜的厚度在500nm-1000nm之间。所述的超导薄膜在衬底基片的一面或者两面上。所述的超导薄膜的面积是10mm*10mm。
本发明所述的无焙烧靶制作铊系高温超导薄膜的方法通过两步骤制备：
第1、在衬底基片上淀积Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜；非晶先驱薄膜的金属元素Tl：Ba：Ca：Cu之比为1-3:2:1:2；所述的非晶先驱薄膜淀积在衬底基片的一面或者两面上；
第2、在流动的氧气气氛中，将非晶先驱薄膜放入密闭的人造蓝宝石坩埚中进行高温热处理，使Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜转变为超导薄膜。
所述的非晶先驱薄膜是采用离子溅射，或脉冲激光蒸发淀积制成的；离子溅射，或脉冲激光蒸发所用的靶材料是Tl-Ba-Ca-Cu-O块状材料，是用BaO2或BaNO3、CaO或CaCO3、CuO和Tl2O3制成的，制作过程是，先用BaO2或BaNO3、CaO或CaCO3、CuO均匀混合、研磨后，在氧气氛中经900-950℃高温灼烧10小时以上，然后与Tl2O3混合、研磨和压片，在密封坩埚内800-900℃灼烧1小时以上；金属元素Tl：Ba：Ca：Cu之比为1-3:2:1:2。
所述的衬底基片材料是晶体材料，晶体材料的晶格常数或在这些晶体材料表面加隔离层后隔离层的晶格常数与所述铊系高温超导薄膜材料的晶格常数相匹配。
所述的高温热处理是将非晶先驱薄膜直接放入密闭人造蓝宝石密闭坩埚中，再放入石英管内加热，加热温度为720℃—790℃，时间为2—5小时。
本发明的有益效果是，采用了表面光滑的蓝宝石坩埚，使得贴合更加紧密，密闭性变强，非晶先驱薄膜中的铊元素含量即可提供结晶所需要的成分。这样不需要含铊源的焙烧靶，减少了不确定因素，使得制作出来的超导薄膜质量稳定。
附图说明
图1是直流磁控溅射淀积Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜示意图。
图2是定做的人造蓝宝石坩埚示意图。
图3是非晶先驱薄膜热处理装置剖面示意图。
图中，1.溅射靶，2.衬底基片，3.转动的载物台，4.人造蓝宝石盖子，5.有一个圆形凹槽的蓝宝石底座，6.石英管，7.石英管排气口，8.石英管进气口，9.密闭的人造蓝宝石坩埚，10.Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜及衬底基片。
具体实施方式
实施例1
步骤一、制备Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜，采用直流磁控溅射。
图1是磁控溅射装置示意图。图中两个溅射靶1对称放置。薄膜衬底基片2放置在可旋转的基片支架3(即转动载物台)上。
溅射靶1是采用2步法制作的。首先用BaO2、CaO和CuO按照原子比Ba：Ca：Cu＝2:1:2的比例混合，均匀混合研磨后，在流动的氧气氛中和900℃的温度下灼烧10小时，冷却后再仔细研磨，在同样条件下再灼烧10小时，研磨制成BaCaCuO粉末，然后将BaCaCuO粉末与Tl2O3粉末混合仔细研磨后压片，用坩埚密封后在流动氧气氛中和850℃温度下灼烧1小时。冷却后再仔细研磨、压片，用同样的条件再灼烧1小时，制成TlBaCuO溅射靶，金属原子配比接近Tl：Ba：Ca：Cu＝2：2：1：2的比例。
磁控溅射之前，真空室的背底真空度抽到10-3帕以下，然后充入Ar/O2混合气体，Ar/O2之比为Ar：O2＝4:1.溅射时，气压保持在1.5帕左右。溅射速率由直流电流调节，控制在每分钟6nm。
衬底基片2选用LaAlO3(001)单晶基片，双面抛光，厚度为0.5mm，规格10mm×10mm。基片固定在转动载物台3上。基片表面平行于溅射靶1的对称轴，并处于离子辉光区之外。基片支架3由马达带动，以每分钟12转的速度旋转。溅射过程中，衬底基片2不加热，保持环境温度。
步骤二、铊系高温超导薄膜的制备
图2是人造蓝宝石坩埚示意图。其中4是一片蓝宝石盖子，5是有一个圆形凹槽的蓝宝石底座。
图3是热处理装置剖面示意图。Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜及衬底基片10放在密闭蓝宝石坩埚9中。将密封蓝宝石坩埚9连同内部的非晶先驱薄膜及衬底基片10放入石英管6内，将石英管6放在管式炉中加热，使非晶先驱薄膜10转变为Tl-2212超导薄膜。
管式炉加热之前，先从进气口8通入一定时间的氧气，将原管式炉中的气体排净。然后以每分钟约8℃的速度将石英管加热到770℃，并保持三小时。而后，关掉管式炉电源自然降温至室温，便形成Tl-2212超导薄膜。整个过程都需要通过进气口8和排气口7持续通入氧气。流动氧气通过冷凝和稀酸溶液过滤后排出，以保证环境不会被污染。
本发明制作的Tl-2212超导薄膜，可用于制作微波无源器件，也可用于制作其他超导器件和进行科学研究等。

Claims (6)

1.无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法，所述铊系高温超导薄膜材料，通式是Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)，其特征在于制备方法包括下述步骤：
第1、在衬底基片上淀积Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜；
第2、在流动的氧气气氛中，将非晶先驱薄膜放入密闭的人造蓝宝石坩埚中进行高温热处理，使Tl-Ba-Ca-Cu-O非晶先驱薄膜转变为超导薄膜；
所述高温热处理过程为：将密闭的人造蓝宝石坩埚连同内部的非晶先驱薄膜及衬底基片放入石英管内，将石英管放在管式炉中加热，管式炉加热之前，先从进气口通入氧气，将原管式炉中的气体排净，然后以每分钟8℃的速度将石英管加热到770℃，并保持三小时，而后，关掉管式炉电源自然降温至室温，形成Tl-2212超导薄膜，整个过程需要通过进气口和排气口持续通入氧气。
2.按照权利要求1所述的无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法，其特征在于所述的非晶先驱薄膜是采用离子溅射，或脉冲激光蒸发淀积制成的。
3.按照权利要求2所述的无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法，其特征在于所述的离子溅射，或脉冲激光蒸发所用的靶材料是Tl-Ba-Ca-Cu-O块状材料，是用BaO2或BaNO3、CaO或CaCO3、CuO和Tl2O3制成的，制作过程是，先用BaO2或BaNO3、CaO或CaCO3、CuO均匀混合、研磨后，在氧气氛中经900-950℃高温灼烧10小时以上，然后与Tl2O3混合、研磨和压片，在密封坩埚内800-900℃灼烧1小时以上；金属元素Tl:Ba:Ca:Cu之比为1-3:2:1:2。
4.按照权利要求1所述的无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法，其特征在于所述的非晶先驱薄膜淀积在衬底基片的一面或者两面上。
5.按照权利要求1所述的无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法，其特征在于所述的衬底基片材料是晶体材料，晶体材料的晶格常数或在这些晶体材料表面加隔离层后隔离层的晶格常数与所述铊系高温超导薄膜材料的晶格常数相匹配。
6.按照权利要求5所述的无焙烧靶制备铊系高温超导薄膜的方法，其特征在于所述的衬底基片材料是LaAlO3。
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