CN108963067A - 一种ReBa2Cu3O7-x超导薄膜上制备钉扎层的方法 - Google Patents
一种ReBa2Cu3O7-x超导薄膜上制备钉扎层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种ReBa2Cu3O7‑x超导薄膜上制备钉扎层的方法，涉及陶瓷材料制备技术领域。本发明为一种ReBa2Cu3O7‑x超导薄膜上制备钉扎层的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供金属元素掺杂的ReBa2Cu3O7‑x模板层，以及在所述ReBa2Cu3O7‑x模板层表面沉积ReBa2Cu3O7‑x超导层；以及，激光照射所述ReBa2Cu3O7‑x超导层。激光照射成膜辅助沉积得到均匀的温度场和能量场，使制备的薄膜面内取向更好，且沉积速率更快、沉积温度更低，大幅度地提高高温超导在高场下的临界电流密度及磁通钉扎力，提高钇系高温超导材料性能。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种ReBa2Cu3O7-x超导薄膜上制备钉扎层的方法。
背景技术
第二代高温超导材料ReBa2Cu3O7-x由于其优异的磁场导电性能和相对低的成本，在强电领域具有很好的应用前景，其中Re代表Tb、Gd、Sm、Yb、La、Lu等元素。但在实际应用中，磁场的变化对其超导性能仍具有较大影响，为了克服这一难题，通过引入钉扎中心，可以有效提高ReBa2Cu3O7-x在磁场中的超导性能。
目前，ReBa2Cu3O7-x超导薄膜中引入钉扎中心的方法主要有三种：离子辐照法、微阵列法、掺杂法。在采用离子辐照法引入钉扎中心方面，但离子辐照法制备的材料具有放射性，且经济投入较大。
在通过微阵列法引入钉扎中心方面，西安理工大学的雷黎等人通过紫外线照射，在LaAlO3单晶基板上制备出阵列周期约为50 μm的Ba0.7Sr0.3TiO3图形，他们通过这些微阵列，成功地向YBa2Cu3O7-x薄膜中引入钉扎中心，从而大幅度地提高了YBa2Cu3O7-x薄膜在高场下的临界电流密度及磁通钉扎力，但微阵列法在大面积实现高规格化生产方面还有待改进。
掺杂法是一种更常用、更有效的引入钉扎中心的手段。掺杂法是指多种物质混杂在一起的加工手段，在化工、材料等领域中，掺杂通常是指为了改善某种材料或物质的性能，有目的在这种材料或基质中，掺入少量其他元素或化合物。 掺杂法可以使材料、基质产生特定的电学、磁学和光学等性能，从而使其具有特定的价值或用途。
日本SRL-ISTEC公司采用化学溶液沉积方法在YBCO超导层中引入稀土离子钐，改变钇位的化学计量比制备出超导层，其中形成尺寸较小的点缺陷，能够优化超导层的磁通钉扎性能。然而这些研究仅从某一特定方式引入缺陷结构方面进行研究，没有实现超导层的c轴方向与ab面内的整体钉扎，也没有实现超导层的同质外延生长，临界电流密度及磁通钉扎力低。
发明内容
为解决现有技术中制备的材料具有放射性，且经济投入较大，无法实现超导层的整体钉扎，也没有实现超导层的同质外延生长的技术缺陷，临界电流密度及磁通钉扎力低，超导性低的技术缺陷。本发明一种ReBa2Cu3O7-x超导薄膜上制备钉扎层的方法，包括以下步骤：提供金属元素掺杂的ReBa2Cu3O7-x模板层，以及在所述ReBa2Cu3O7-x模板层表面沉积ReBa2Cu3O7-x超导层；以及，激光照射所述ReBa2Cu3O7-x超导层。
作为优选的，所述激光照射的功率为10-200 W以下，照射时间为1-1200 s，加热温度为200-1000 K。
作为优选的，所述ReBa2Cu3O7-x超导层的制备方法是，在激光照射下采用CVD。
作为优选的，所述金属为Ce。
作为优选的，所述ReBa2Cu3O7-x模板层的厚度为0.2～200 nm。
作为优选的，所述x的范围为0~1。
作为优选的，所述Re为Y、Yb中的一种或两种。
作为优选的，所述ReBa2Cu3O7-x模板层沉积到衬底上，所述衬底为具有复合缓冲层的含钨的镍铬钼合金衬底。
作为优选的，所述复合缓冲层为CeO2、LaMnO3、MgO、Gd2Zr2O7中的一种或多种。
具体的步骤为：
（1）将M、Re、Ba、Cu的固态前驱体粉末按比例混合溶于THF有机溶剂中，得到前驱体的混合溶液，对其加热得到前驱体蒸气，用Ar载流气将反应前驱体蒸气送入压强为800 Pa的反应腔体内，其中，M代表金属;
（2）选择与薄膜材料具有相匹配的晶格取向和热膨胀系数且本身具有良好的化学稳定性和机械性能的衬底，如具有复合缓冲层CeO2/LaMnO3/MgO/Gd2Zr2O7的Hastelloy C276金属带材衬底；
（3）在10-200W的激光和200-1000K的加热作用下，前驱体蒸气分子解离变成活性离子或离子团，通过扩散到达基板表面发生化学反应，生成固态产物沉积在衬底表面，晶核长大聚集，沉积时间持续1-1200 s，得到厚度为0.2-200 nm的M取代Re的ReBa2Cu3O7-x模板层；
（4）激光照射模板层，MBa2Cu3O7-x晶格，单位面积内接收更多的光子，获得更多的激光能量，温度升高体积增大，并与周围未被取代的ReBa2Cu3O7-x晶格在二维平面相互渗透形成共晶结构；
（5）再用激光化学气相沉积法在模板层上制备ReBa2Cu3O7-x超导层，同样的将Re、Ba、Cu的固态前驱体粉末按比例溶于THF有机溶剂中制成溶液，加热得到前驱体蒸气，蒸汽分子在激光作用下解离扩散，发生化学反应得到ReBa2Cu3O7-x原子团，ReBa2Cu3O7-x原子团克服表面能、界面能、晶格失配能等能垒，迁移到MBa2Cu3O7-x晶格上形核；
得到的ReBa2Cu3O7-x格子与MBa2Cu3O7-x格子在三维方向上的差异导致
ReBa2Cu3O7-x晶格中产生应力；
（6）激光照射下ReBa2Cu3O7-x晶核继续长大聚集成薄膜状，此过程中ReBa2Cu3O7-x层由于应力释放形成位错缺陷贯穿整个薄膜，即引入磁通钉扎中心。
通过调节模板层中M原子的掺杂浓度，可以调节ReBa2Cu3O7-x超导层中钉扎中心的密度，通过调节激光能量密度，可以调节ReBa2Cu3O7-x超导层中位错尺寸及类型。
有益效果：激光照射成膜辅助沉积得到均匀的温度场和能量场，使制备的薄膜面内取向更好，且沉积速率更快、沉积温度更低，大幅度地提高高温超导在高场下的临界电流密度及磁通钉扎力，提高钇系高温超导材料性能。
附图说明
图1为本发明实施例ReBa2Cu3O7-x超导薄膜上制备钉扎层的方法的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
请参参阅图1，其中(a)为金属原子M掺入ReBa2Cu3O7-x形成模板层的示意图；(b)激光照射模板层，晶格温度升高后晶格的变化的结构示意图；(c)成核阶段：激光诱导ReBa2Cu3O7-x在模板层上成核；(d)生长阶段：ReBa2Cu3O7-x超导层应力释放形成线位错或螺位错。
实施例一
本实施例中M为Ce，Re为Y。
（1）将Ce、Y、Ba、Cu的固态前驱体粉末按比例混合溶于THF有机溶剂中，得到前驱体的混合溶液，对其加热得到前驱体蒸气，用Ar载流气将反应前驱体蒸气送入压强为800 Pa的反应腔体内；
（2）选择与薄膜材料具有相匹配的晶格取向和热膨胀系数且本身具有良好的化学稳定性和机械性能的衬底，如具有复合缓冲层CeO2/LaMnO3/MgO/Gd2Zr2O7的Hastelloy C276金属带材衬底；
（3）在10 W的激光和200 K金属的加热作用下，前驱体蒸气分子解离变成活性离子或离子团，通过扩散到达基板表面发生化学反应，生成固态产物沉积在衬底表面，晶核长大聚集，沉积时间持续1 s，得到厚度为0.2nm的Ce取代Y的YBa2Cu3O7模板层；
（4）模板层中CeBa2Cu3O7晶格在激光照射下，单位面积内接收更多的光子，获得更多的激光能量，温度升高体积增大，并与周围未被取代的YBa2Cu3O7晶格在二维平面相互渗透形成共晶结构；
（5）再用激光化学气相沉积法在模板层上制备YBa2Cu3O7-x超导层，同样的将Y、Ba、Cu的固态前驱体粉末按比例溶于THF有机溶剂中制成溶液，加热得到前驱体蒸气，蒸汽分子在激光作用下解离扩散，发生化学反应得到YBa2Cu3O7原子团，YBa2Cu3O7原子团克服表面能、界面能、晶格失配能等能垒，迁移到CeBa2Cu3O7晶格上形核；得到的YBa2Cu3O7格子与CeBa2Cu3O7格子在三维方向上的差异，导致YBa2Cu3O7-x晶格中产生应力；
（6）激光照射下YBa2Cu3O晶核继续长大聚集成薄膜状，此过程中YBa2Cu3O层由于应力释放形成位错缺陷贯穿整个薄膜，即引入磁通钉扎中心。
实施例二
实施例二与实施例一的相同，但是实施例二中Re为Yb，x为7，200 W的激光和1000 K的加热温度，沉积时间持续1200 s。
实施例三
实施例三与实施例一的相同， x为5，150 W的激光和800K的加热温度，沉积时间持续1000 s。
实施例一至实施例三制备出的材料具有均匀的温度场和能量场，大幅度地提高高温超导在高场下的临界电流密度及磁通钉扎力，提高钇系高温超导材料性能。
有益效果：本发明提供的一种ReBa2Cu3O7-x超导薄膜上制备钉扎层的方法，激光照射成膜以0-200 W的激光辅助沉积得到均匀的温度场和能量场，和传统热解炉成膜相比，它克服了传统热解炉成膜过程中由于薄膜厚度增加而导致的温度不均匀的问题，使制备的薄膜面内取向更好，且沉积速率更快、沉积温度更低，大幅度地提高高温超导在高场下的临界电流密度及磁通钉扎力，提高钇
系高温超导材料性能，在大范围工业化生产的应用前景巨大。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种ReBa2Cu3O7-x超导薄膜上制备钉扎层的方法，其特征在于，包括以下步骤：提供金属元素掺杂的ReBa2Cu3O7-x模板层，以及在所述ReBa2Cu3O7-x模板层表面沉积ReBa2Cu3O7-x超导层；以及，激光照射所述ReBa2Cu3O7-x超导层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光照射的功率为10-200 W以下，照射时间为1-1200 s，加热温度为200-1000 K。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ReBa2Cu3O7-x超导层的制备方法是，在激光照射下采用CVD。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属为Ce。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述ReBa2Cu3O7-x模板层的厚度为0.2～200nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述x的范围为0~1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Re为Y、Yb中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述ReBa2Cu3O7-x模板层沉积到衬底上，所述衬底为具有复合缓冲层的含钨的镍铬钼合金衬底。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述复合缓冲层为CeO2、LaMnO3、MgO、Gd2Zr2O7中的一种或多种。
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