CN108588648A - 异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，根据金属靶材的特点进行初始组分蒸镀；在高真空状态下由靶材蒸发出来的纳米颗粒到达衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜，经过沉积后，前驱膜输送到不同氧分压的低压气氛，再加以不同的温度进行晶化和外延生长。本发明方法实现不同熔点及升华温度的多元金属元素共蒸发，能根据组成元素的特点选取该元素的蒸发技术和条件，而动态基带能实现前驱组分的均匀性；后期氧化处理始于高度细化的、纳米级的前驱组分，后期晶化生长成核中心多，生长快速且密度比较高；此外，通过控制氧分压，能实现在较低温度下进行反应热处理，即可在较低温度下实现晶化和外延生长，制备方法简单。

Description

异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法
技术领域
本发明涉及一种超导材料的制备方法，特别是涉及一种超导带材连续化制备的方法，应用于高温超导材料制备技术领域。
背景技术
多元金属氧化物薄膜，包括高温超导(REBaCuO，RE＝RE＝Y,Gd,Dy等稀土元素)、庞大巨磁阻(LaSrMnO)、压电陶瓷(PZT)、铁电材料等，具有很多功能性和广泛的应用。例如具有基于ReBa1Cu2O7-δ(REBaCuO，)高温超导体的第二代高温超导带材，这种新型电力材料的结构包括了金属基带、氧化物缓冲层、铜基氧化物、REBaCuO超导层和金属保护层。第二代高温超导带材是指以REBCO-123系超导材料为主的稀土类钡铜氧化物超导涂层导体。它由金属合金基带、种子层、阻挡层、帽子层、稀土钡铜氧超导层、保护层以及稳定层等构成。与第一代Bi系高温超导带材相比，第二代高温超导带材具有更高的不可逆场、更高的超导转变温度和更高的临界电流密度，可以在较高的温度和磁场下应用，是各国高温超导领域研发的焦点。
多元金属氧化物外延薄膜为各种器件应用的基础材料，这些材料含有多种金属元素，在薄膜制备时存在难以客服的困难，即不同金属元素的熔点和升华温度的区别和特点。除此之外，常归的单一制备技术往往存在组分结构不均匀、元素扩散严重、表面粗糙度大、孔洞、二次相等缺陷，而且特别晶体取向和致密性不高等现象也容易出现，所以在制备方式上存在多种技术路线共存的局面。为了提升大面积、长尺度的薄膜制备效率和性能，需使用创新工艺加以改进。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，主要解决普遍存在的组分结构不均匀、元素扩散严重、表面粗糙度大、孔洞、二次相等缺陷，可实现不同熔点及升华温度的多元金属元素共蒸发，可根据组成元素的特点选取该元素的蒸发技术和条件，动态基带可实现先驱组分的均匀性，后期氧化处理始于高度细化的、纳米级的前驱组分，后期晶化生长成核中心多，生长快速且密度比较高，此外，通过控制氧分压，可实现在较低温度下进行反应热处理，即可在较低温度下实现晶化和外延生长，特别是克服了多层涂敷后结构容易恶化，晶体取向下降等技术问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：采用超导带材前驱膜沉积过程与超导相转变过程的两步法完成；
在超导带材前驱膜沉积过程中，采用反应共蒸发的制备方法进行多元金属共沉积，以不同的金属靶材作为蒸发源，在沉积过程中，控制带材衬底的输送方式，进行带材动态沉积REBCO薄膜，从而在带材衬底上制备超导带材前驱膜，其中RE为稀土元素；
在超导相转变过程中，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在氧化反应装置中的不同区段通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境，用以获得不同氧分压的低压气氛，在氧化反应装置中的不同区段施加不同的温度，对在带材衬底上形成的超导带材前驱膜进行晶化处理，实现超导相转变的外延生长，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。
作为本发明优选的技术方案，在超导带材前驱膜沉积过程中，进行反应共蒸发时，将不同的金属靶材分别置于坩埚中，根据不同的金属靶材的金属元素的熔点和升华温度不同，使用电子枪、热蒸发、离子束蒸发方法中的任意一种真空薄膜制备方法或者任意几种方法的组合式真空薄膜制备方法，进行初始组分蒸镀；在真空状态下，由金属靶材蒸发出来的纳米颗粒到达衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜，衬底在沉积过程中，保持匀速运动以保证沉积金属元素均匀分布。
作为本发明更加优选的技术方案，在超导带材前驱膜沉积过程中，终保持在不高于10-5Torr的高真空条件下进行。
在超导带材前驱膜沉积过程中，优选对带材衬底实施冷却。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在超导带材前驱膜沉积过程中，采用卷对卷收放的带材衬底的输送方式，使带材衬底匀速通过预沉积区域，进行超导带材前驱膜沉积；并使动态基带同步通过氧化反应装置的热处理腔室，完成超导相转变过程，实现长程制备多元金属氧化物外延薄膜。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在蒸发腔上方的沉积区域采用带材双向多股控制，走带系统对带材张力大小、走带距离及走带速度进行设定，从而实现百米级长带材沉积，实现长程超导带材的制备。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在超导带材前驱膜沉积过程中，对二元(M1、M2)、三元(M1、M2、M3)以及更加多元(M1、M2…Mn，即n≥4)金属靶材进行共蒸发，并根据金靶材分别进行沉积，并对沉积速率进行实时监控，实现沉积自反馈来控制沉积配比，实现反应共蒸发进行多元金属共沉积。
在超导相转变过程中，氧化反应装置优选采用分段式氧化反应管式炉。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在超导相转变过程中，在不高于840℃的较低温度下进行反应热处理，即能在较低温度下使超导带材前驱膜实现晶化处理，进行多元金属氧化物薄膜外延生长外延生长。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，在超导带材前驱膜沉积过程中，包括如下步骤：
a.总电源启动，压缩机启动，水冷机启动，电脑开机，开启回填阀回填氮气并打开腔体，以超导带材衬底作为超导基带，焊接超导基带后，关闭腔门；
b.启动机械泵以及烘烤装置，随后启动分子泵，并在达到既定真空度后，关闭烘烤装置；
c.以不同的金属靶材作为蒸发源，开启反应共蒸发设备，并热蒸发预热蒸发料，观察蒸镀腔真空有无变化，待蒸镀腔的真空稳定后，开启自动蒸镀模式；
d.在进行蒸镀的同时，开启超导基带输送系统，调控走带速度与张力，操作在超导基带上进行多元金属共动态沉积，从而在超导基带上制备超导带材前驱膜。
11.根据权利要求1～7中任意一项所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在完成超导相转变过程后，将带材输送到达收卷腔进行收卷；
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在完成超导相转变过程后，将带材输送到达收卷腔进行收卷；在超导相转变过程中，包括如下步骤：
ⅰ.开启氧化反应装置的加热系统，对温度进行梯度设置；
ⅱ.打开氧气阀门，对氧气流量进行设定，并分别调节高低氧压，在氧化反应装置中的不同区段通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境；
ⅲ.通过超导基带输送系统，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。
作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，在超导相转变过程中，对氧化反应装置的不同区段预设高低不同的氧压后，使前驱膜通过氧化反应装置的腔室进行晶化处理，超导带材首先在低氧压区反应形成氧化物以及复杂的二次相之后，然后在高氧压区迅速转变成超导相，从而实现超导相转变，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明多元金属氧化物的多层结构及其制备方法，主要解决普遍存在的组分结构不均匀、元素扩散严重、表面粗糙度大、孔洞、二次相等缺陷。特别是多层涂敷后结构容易恶化，晶体取向下降等技术问题；
2.本发明对金属靶材进行分别控制、前驱膜动态沉积保证元素分布均匀以及可在较低温度下实现晶化和外延生长，从而实现快速长程制备高质量外延薄膜的目的；
3.本发明在高真空状态下，由多种靶材蒸发出来的纳米颗粒到达衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜，衬底在沉积过程中保持匀速运动以保证沉积元素均匀分布；
4.本发明通过控制氧分压，可实现在较低温度下进行反应热处理，即可在较低温度下实现晶化和外延生长；
5.本发明方法可实现不同熔点及升华温度的多元金属元素共蒸发，其可以根据组成元素的特点选取该元素的蒸发技术和条件，而动态基带可实现前驱组分的均匀性；后期氧化处理始于高度细化的、纳米级的前驱组分，后期晶化生长成核中心多，生长快速且密度比较高；此外，通过控制氧分压，可实现在较低温度下进行反应热处理，即可在较低温度下实现晶化和外延生长。
附图说明
图1是本发明实施例一异位共蒸发仪器整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种异位共蒸发仪器，各部分名称如下：放卷轮1、双向多股走带系统2、低氧压腔3、高氧压腔4、收卷轮5、电子束蒸发6、热蒸发7、电子束蒸发8，以第二代高温超导带材为例并结合图1，详细描述异位连续制备多元金属氧化物外延薄膜的方法。此过程始终保持在10-5Torr真空条件下进行。
在本实施例中，参见图1，一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，包括如下步骤：
步骤001.总电源启动，压缩机启动，水冷机启动，电脑开机，开启回填阀回填氮气并打开腔体，以超导带材衬底作为超导基带，焊接超导基带后，即将缓冲层LMO/Epi-MgO/IBAD-MgO/Y2O3/Al2O3/Hastelloy焊接在放卷腔，通过放卷轮1及双向多股走带系统2将带材卷对卷收放至预沉积区域后，关闭腔门；
步骤002.启动4个机械泵以及烘烤装置，先用机械泵粗抽真空，待真空到10-3Torr以下，然后使用分子泵精抽，使得蒸镀腔的真空度达到并保持在10-5Torr，此过程需要3h，高真空沉积可避免活性极高的纳米颗粒氧化，达到既定真空度后，关闭烘烤装置；
步骤003.开启电子枪以及热蒸发预热蒸发料，观察蒸镀腔真空有无变化；若真空稳定，则于半小时后开启自动蒸镀模式；以3种金属靶材作为蒸发源，对三元金属进行共蒸发，其中M1、M2、M3的名义组分为Gd：Ba：Cu＝1：2：3，三种元素分别使用电子枪以及热蒸发，在图1中电子束蒸发6、热蒸发7、电子束蒸发8来作为泵浦进行溅射；利用膜厚仪及石英晶体震荡监控器实时监控沉积速率可实现沉积自反馈以精准控制沉积配比，真正实现三元共蒸发；
步骤004.在进行蒸镀的同时，开启超导基带输送系统，调控走带速度与张力，操作在多股超导基带上进行多元金属共动态沉积，从而在超导基带上制备超导带材前驱膜；从而为后续实现百米级带材沉积，达到制备长程带材的目的提供设备支持；
步骤005.图1中所示低氧压腔3和高氧压腔4为热处理区，由两段石英管、6个热电偶和测温模块组成，开启管式炉加热系统，利用这6个热电偶对管式炉进行梯度加热，直至达到840℃；通过开启氧化反应装置的加热系统，对温度进行梯度设置；
步骤006.打开氧气阀门，向管式炉石英管内通入氧气，其由独立的真空泵实现高低氧压的控制，调节高低氧压，并对氧气流量进行设定，在氧化反应装置中的不同区段通入不同流量的氧气，为带材提供成相过程中所需的不同氧分压，稳定达到预设氧压，其中高氧压区氧压L-PO2为12Pa，高氧压区氧压H-PO2为52Pa，使在管式炉中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境；
步骤007.稳定达到预设氧压后，通过超导基带输送系统，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行晶化热处理，在进行晶化热处理时，带材首先在低氧压区(L-PO2)反应形成氧化物以及复杂的二次相之后，然后在高氧压区(H-PO2)迅速转变成超导相，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜，从而实现超导相转变的速度提升；本实施例方法晶化生长成核中心多，生长快速且密度比较高；本实施例通过控制氧分压，可实现在较低温度下进行反应热处理，即可在较低温度下实现晶化和外延生长；
步骤008.在完成步骤007的超导相转变过程后，将带材输送到达收卷腔进行收卷。
本实施例为物理异位法制备高温超导薄膜提供了一种手段，即超导带材前驱膜沉积与超导相转变分为两步完成，而这种“异位法”更易对超导薄膜物相形成规律展开探究。目前，反应共蒸发的制备方法在国内仍然鲜有报道，本实施例利用异位连续制备多元金属氧化物外延薄膜的方法自主搭建运行了国内首台反应共蒸发设备，卷对卷动态沉积多元金属氧化物薄膜不仅可以实现多元共沉积，还可独立控制每个蒸发源。本实施例在高真空状态下由3种靶材蒸发出来的纳米颗粒到达水冷的衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜，衬底在沉积过程中保持匀速运动以保证沉积元素均匀分布；除此之外，通过卷对卷反应共蒸发沉积的方式还可以快速制备厚膜，具有组分可调、沉积速率快、成本低等优点，更容易进行大规模、产业化的高温超导薄膜生产。本实施例采用这种独特的“两步法”可明确超导薄膜及其涂层导体在纳米级前驱组分、晶化温度调制下而形成的不同于块体体系的物相关系、织构生长特征。
本实施例将金属靶材分别置于石墨坩埚或钽坩埚舟中，采用三元金属靶材进行共蒸发，并根据金属元素的熔点和升华温度的区别和特点，使用电子枪和热蒸发组合式真空薄膜技术进行初始组分蒸镀；在高真空状态下由靶材蒸发出来的纳米颗粒到达水冷衬底后沉积成非晶态金属先驱薄膜，衬底在沉积过程中保持匀速运动以保证沉积元素均匀分布；经过此沉积后，前驱膜卷对卷进入到氧化反应管式炉，管式炉中通入不同流量的氧气，来获得不同氧分压的低压气氛，加以不同的温度进行晶化和外延生长。本实施例此方法实现不同熔点及升华温度的多元金属元素共蒸发，本实施例根据组成元素的特点选取该元素的蒸发技术和条件，动态基带能实现先驱组分的均匀性，后期氧化处理始于高度细化的、纳米级的前驱组分，后期晶化生长成核中心多，生长快速且密度比较高，此外，通过控制氧分压，能实现在较低温度下进行反应热处理，即能在较低温度下实现晶化和外延生长。
本实施例采用超导带材前驱膜沉积过程与超导相转变过程的两步法完成；在超导带材前驱膜沉积过程中，采用反应共蒸发的制备方法进行多元金属共沉积，以不同的金属靶材作为蒸发源，在沉积过程中，控制带材衬底的输送方式，进行带材动态沉积薄膜，从而在带材衬底上制备超导带材前驱膜，其中RE为稀土元素；在超导相转变过程中，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在氧化反应装置中的不同区段通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境，用以获得不同氧分压的低压气氛，在氧化反应装置中的不同区段施加不同的温度，对在带材衬底上形成的超导带材前驱膜进行晶化处理，实现超导相转变的外延生长，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。
本实施例采用异位法，具有组分可调、沉积速率快、成本低、适合于产业化等优势，本实施例采用异位反应共蒸发工艺制备出了性能非常优异的多元金属氧化物外延薄膜。解决普遍存在的组分结构不均匀、元素扩散严重、表面粗糙度大、孔洞、二次相等缺陷。特别是多层涂敷后结构容易恶化，晶体取向下降等技术问题。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，包括如下步骤：
步骤001.本步骤与实施例一相同；
步骤002.本步骤与实施例一相同；
步骤003.本步骤与实施例一相同；
步骤004.在进行蒸镀的同时，开启超导基带输送系统，调控带材张力大小、走带距离及走带速度，采用带材双向多股控制，操作在多股超导基带上进行多元金属共动态沉积，从而在超导基带上制备超导带材前驱膜；
步骤005.本步骤与实施例一相同；
步骤006.本步骤与实施例一相同；
步骤007.本步骤与实施例一相同；
步骤008.本步骤与实施例一相同。
在本实施例中，在超导带材前驱膜沉积过程中，采用卷对卷收放的带材衬底的输送方式，使带材衬底匀速通过预沉积区域，进行超导带材前驱膜沉积；并使动态基带同步通过氧化反应装置的热处理腔室，完成超导相转变过程，实现长程制备多元金属氧化物外延薄膜。在蒸发腔上方的沉积区域采用带材双向多股控制，走带系统对带材张力大小、走带距离及走带速度进行设定，从而实现百米级长带材沉积，实现长程超导带材的制备。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：采用超导带材前驱膜沉积过程与超导相转变过程的两步法完成；
在超导带材前驱膜沉积过程中，采用反应共蒸发的制备方法进行多元金属共沉积，以不同的金属靶材作为蒸发源，在沉积过程中，控制带材衬底的输送方式，进行带材动态沉积REBCO薄膜，从而在带材衬底上制备超导带材前驱膜，其中RE为稀土元素；
在超导相转变过程中，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在氧化反应装置中的不同区段通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境，用以获得不同氧分压的低压气氛，在氧化反应装置中的不同区段施加不同的温度，对在带材衬底上形成的超导带材前驱膜进行晶化处理，实现超导相转变的外延生长，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。
2.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在超导带材前驱膜沉积过程中，进行反应共蒸发时，将不同的金属靶材分别置于坩埚中，根据不同的金属靶材的金属元素的熔点和升华温度不同，使用电子枪、热蒸发、离子束蒸发方法中的任意一种真空薄膜制备方法或者任意几种方法的组合式真空薄膜制备方法，进行初始组分蒸镀；在真空状态下，由金属靶材蒸发出来的纳米颗粒到达衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜，衬底在沉积过程中，保持匀速运动以保证沉积金属元素均匀分布。
3.根据权利要求2所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在超导带材前驱膜沉积过程中，终保持在不高于10-5Torr的高真空条件下进行。
4.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在超导带材前驱膜沉积过程中，对带材衬底实施冷却。
5.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在超导带材前驱膜沉积过程中，采用卷对卷收放的带材衬底的输送方式，使带材衬底匀速通过预沉积区域，进行超导带材前驱膜沉积；并使动态基带同步通过氧化反应装置的热处理腔室，完成超导相转变过程，实现长程制备多元金属氧化物外延薄膜。
6.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在蒸发腔上方的沉积区域采用带材双向多股控制，走带系统对带材张力大小、走带距离及走带速度进行设定，从而实现百米级长带材沉积，实现长程超导带材的制备。
7.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在超导带材前驱膜沉积过程中，对二元(M1、M2)、三元(M1、M2、M3)以及更加多元(M1、M2…Mn，即n≥4)金属靶材进行共蒸发，并根据金靶材分别进行沉积，并对沉积速率进行实时监控，实现沉积自反馈来控制沉积配比，实现反应共蒸发进行多元金属共沉积。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在超导相转变过程中，氧化反应装置采用分段式氧化反应管式炉。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在超导相转变过程中，在不高于840℃的较低温度下进行反应热处理，即能在较低温度下使超导带材前驱膜实现晶化处理，进行多元金属氧化物薄膜外延生长外延生长。
10.根据权利要求1～7中任意一项所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：
在超导带材前驱膜沉积过程中，包括如下步骤：
a.总电源启动，压缩机启动，水冷机启动，电脑开机，开启回填阀回填氮气并打开腔体，以超导带材衬底作为超导基带，焊接超导基带后，关闭腔门；
b.启动机械泵以及烘烤装置，随后启动分子泵，并在达到既定真空度后，关闭烘烤装置；
c.以不同的金属靶材作为蒸发源，开启反应共蒸发设备，并热蒸发预热蒸发料，观察蒸镀腔真空有无变化，待蒸镀腔的真空稳定后，开启自动蒸镀模式；
d.在进行蒸镀的同时，开启超导基带输送系统，调控走带速度与张力，操作在超导基带上进行多元金属共动态沉积，从而在超导基带上制备超导带材前驱膜。
11.根据权利要求1～7中任意一项所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在完成超导相转变过程后，将带材输送到达收卷腔进行收卷；
在超导相转变过程中，包括如下步骤：
ⅰ.开启氧化反应装置的加热系统，对温度进行梯度设置；
ⅱ.打开氧气阀门，对氧气流量进行设定，并分别调节高低氧压，在氧化反应装置中的不同区段通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境；
ⅲ.通过超导基带输送系统，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。
12.根据权利要求11所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：对氧化反应装置的不同区段预设高低不同的氧压后，使前驱膜通过氧化反应装置的腔室进行晶化处理，超导带材首先在低氧压区反应形成氧化物以及复杂的二次相之后，然后在高氧压区迅速转变成超导相，从而实现超导相转变，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108677145A (zh) * 2018-04-17 2018-10-19 上海大学 异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法
CN110453189A (zh) * 2019-09-18 2019-11-15 上海超导科技股份有限公司 基于离位技术生长rebco超导膜的连续装置
CN110629177A (zh) * 2019-09-18 2019-12-31 上海超导科技股份有限公司 适用于生产二代高温超导带材的工艺方法
CN111485213A (zh) * 2020-04-28 2020-08-04 上海超导科技股份有限公司 一种适用于生产二代高温超导带材的工艺方法
CN112736161A (zh) * 2020-12-30 2021-04-30 中山大学 一种具有循环类量子阱结构的铜锌锡硫基薄膜前驱体及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050127133A1 (en) * 2003-12-15 2005-06-16 Venkat Selvamanickam High-throughput ex-situ method for rare-earth-barium-copper-oxide (REBCO) film growth
CN101111460A (zh) * 2004-12-23 2008-01-23 超导技术公司 (RE)Ba2Cu3O7－δ薄膜超导体的RF性质优化的组成
CN104054143A (zh) * 2012-01-17 2014-09-17 株式会社瑞蓝 超导线及其形成方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050127133A1 (en) * 2003-12-15 2005-06-16 Venkat Selvamanickam High-throughput ex-situ method for rare-earth-barium-copper-oxide (REBCO) film growth
CN101111460A (zh) * 2004-12-23 2008-01-23 超导技术公司 (RE)Ba2Cu3O7－δ薄膜超导体的RF性质优化的组成
CN104054143A (zh) * 2012-01-17 2014-09-17 株式会社瑞蓝 超导线及其形成方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JAE-HUNLEE等: "RCE-DR,a novel process for coated conductor fabrication with high performance", 《SUPERCONDUCTOR SCIENCEAND TECHNOLOGY》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108677145A (zh) * 2018-04-17 2018-10-19 上海大学 异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法
CN110453189A (zh) * 2019-09-18 2019-11-15 上海超导科技股份有限公司 基于离位技术生长rebco超导膜的连续装置
CN110629177A (zh) * 2019-09-18 2019-12-31 上海超导科技股份有限公司 适用于生产二代高温超导带材的工艺方法
CN110453189B (zh) * 2019-09-18 2021-07-13 上海超导科技股份有限公司 基于离位技术生长rebco超导膜的连续装置
CN111485213A (zh) * 2020-04-28 2020-08-04 上海超导科技股份有限公司 一种适用于生产二代高温超导带材的工艺方法
CN112736161A (zh) * 2020-12-30 2021-04-30 中山大学 一种具有循环类量子阱结构的铜锌锡硫基薄膜前驱体及其制备方法
CN112736161B (zh) * 2020-12-30 2022-04-26 中山大学 一种具有循环类量子阱结构的铜锌锡硫基薄膜前驱体及其制备方法

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