CN114990552A - 一种有效处理铌三锡薄膜表面锡滴的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微量可控化学处理手段有效去除锡蒸汽扩散法Nb3Sn薄膜表面残余锡滴的方法。现有锡蒸汽扩散法镀Nb3Sn薄膜工艺不可避免造成Nb3Sn表面残留一些纳米级锡滴。与Nb3Sn(Tc～18K)相比，Sn的超导转变温度只有3.7K，因此，Nb3Sn表面残余锡滴的存在将限制Nb3Sn薄膜的超导性能。本发明提出的微量可控化学方法可成功将Nb3Sn表面残余锡滴有效去除，同时降低锡蒸汽扩散Nb3Sn薄膜生长条件的精确控制要求，从而大幅度降低锡蒸汽扩散工艺的复杂性。

Description

一种有效处理铌三锡薄膜表面锡滴的方法
技术领域
本发明属于超导技术领域，具体涉及一种有效去除锡蒸汽扩散法Nb3Sn薄膜表面残余锡滴的后处理方法。
背景技术
Nb3Sn薄膜超导腔可以工作于更高的温度和加速梯度，从而大幅度降低超导加速器的建造和运行成本，是下一代超导加速器的核心关键技术。在众多Nb3Sn薄膜超导腔制备方法中，锡蒸汽扩散法是目前为止性能表现最好且最具应用前景的方法。目前，锡蒸汽扩散法Nb3Sn薄膜工艺会导致在薄膜表面残留一些纳米级锡滴，与Nb3Sn (Tc～18K)相比，Sn的超导转变温度只有3.7K，Nb3Sn表面的锡滴将限制射频超导腔的性能。因此，发展一种有效去除Nb3Sn薄膜表面锡滴的方法，对于Nb3Sn薄膜的高性能射频超导应用具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种有效去除锡蒸汽扩散法Nb3Sn薄膜表面残余锡滴的后处理方法。本发明的方法通过系统调整酸液种类、酸液浓度及酸液处理时间，筛选出最佳配方并成功将Nb3Sn薄膜表面残余锡滴有效去除。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种有效去除锡蒸汽扩散法Nb3Sn薄膜表面残余锡滴的后处理方法，包括以下步骤：(1)采用锡蒸汽扩散法在衬底铌表面生长Nb3Sn薄膜；
(2)对步骤(1)所述Nb3Sn薄膜依次进行表面除油、超声清洗并晾干；
(3)将步骤(2)晾干后的Nb3Sn薄膜置于酸液中浸泡处理；所述酸液为质量浓度为30-55wt％的硝酸溶液或质量浓度为15-35wt％的盐酸溶液；
(4)将步骤(3)酸洗后的Nb3Sn薄膜放入超纯水中超声清洗并晾干，保证表面残余酸液被清洗干净。
上述方法步骤(1)中，所述衬底铌为RRR值(剩余电阻率比值，表征材料的纯度)≥40的纯金属铌；
所述的Nb3Sn薄膜具体可按照下述文献中的方法进行制备：Sam Posen,Understanding and overcoming limitation mechanisms in Nb3Sn superconductingRF cavities，美国Cornell大学博士论文，2015年。
上述方法步骤(2)中，所述表面除油所用清洗液选自下述至少一种：Micro-90 清洗剂、Citranox清洗剂和Liqui-Nox清洗剂。
上述方法步骤(2)中，所述超声清洗时间不低于20分钟，水温50～60℃。
上述方法步骤(3)中，将Nb3Sn薄膜置于配制好的酸液中浸泡处理，温度为室温，即本领域技术人员公知的15～40℃。
上述方法步骤(3)中，所述的浸泡处理时间依据所采用酸液种类而定，若采用硝酸，浸泡处理时间可为30s～2min，若采用盐酸，浸泡处理时间可为5～15min。
上述方法步骤(4)中，所述超声清洗时间不低于20分钟，水温50～60℃。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
锡蒸汽扩散法是当前最好的铌基Nb3Sn薄膜超导腔制备方法，现有锡蒸汽扩散工艺极易在Nb3Sn薄膜表面残留一些纳米级锡滴，进而影响射频超导腔的性能。此外，锡蒸汽扩散法生长高质量Nb3Sn薄膜条件复杂，通过镀膜工艺优化抑制锡滴的生成很困难。本发明提出的微量可控化学后处理方法可成功将Nb3Sn薄膜表面残余锡滴有效去除，从而避免其影响Nb3Sn薄膜超导腔的射频超导性能。同时，该方法可适当放宽对镀膜条件的精确控制(包括锡用量、成核剂SnCl2用量和锡源温度及衬底铌温度等)，从而大幅度降低锡蒸汽扩散工艺的复杂性。如图3中所示，通过调整优化系列镀膜参数但最终很难实现对表面锡滴的有效抑制；而采用本发明的方法则有效去除表面残留纳米级锡滴。
附图说明
图1中(a)为未经硝酸处理的表面残留纳米级锡滴的薄膜表面，(b)为采用52.4％硝酸溶液处理30s后锡滴去除效果图，(c)为采用52.4％硝酸溶液处理60s后锡滴去除效果图，(d)为采用52.4％硝酸溶液处理90s后锡滴去除效果图。
图2中a～f分别为采用10％、15％、20％、25％、30％、35％盐酸溶液处理10min 后锡滴去除效果图。
图3中(a)为标准镀膜条件下得到的Nb3Sn薄膜表面锡滴残留情况，其中锡源区温度为1200℃，扩散区温度为1100℃，高温生长时间为3h，(b)为增加镀膜阶段高温生长时间到6.5h后得到的Nb3Sn薄膜表面锡滴残留情况，(c)为降低锡源区温度到1170℃，扩散区温度提升到1205℃后得到的Nb3Sn薄膜表面锡滴残留情况。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
(1)Nb3Sn薄膜制备：铌衬底尺寸为5mmx4mmx1.5mm，与纯铌超导腔同时进行锡蒸汽扩散法镀Nb3Sn薄膜实验，锡蒸汽扩散法按如下文献进行：Understanding and overcominglimitation mechanisms in Nb3Sn superconducting RF cavities，2015年。
(2)对Nb3Sn薄膜依次进行表面除油、超声清洗并晾干。具体方法如下：将样片置于超声清洗液中清洗40min，水温55℃，其中所用超声清洗液为每500ml去离子水中加入10mlMicro-90清洗剂，超声清洗完成后用超纯水冲洗3遍并晾干。本步操作是为了去除Nb3Sn表面可能存在的污染，从而不影响其表面形貌的观测。
(3)采用扫描电子显微镜(SEM)观测清洗干净Nb3Sn表面的锡滴分布情况。图1 中左图表面白点即为锡蒸汽扩散法Nb3Sn薄膜表面残留的纳米级锡滴。
(4)采用X射线光电子能谱实验(XPS)分析薄膜表面元素成分及含量，刻蚀前表面Nb/Sn与刻蚀50s后相比明显偏小，验证了扫面电镜下的结果即Nb3Sn薄膜表面存在锡点。
(5)采用硝酸溶液去除Nb3Sn表面的残余锡滴，具体方法为：配制酸液，其中酸液是由质量分数为65-68％的硝酸与去离子水按3：1的体积比组成，得到质量分数为52.4 wt％的硝酸溶液。将Nb3Sn薄膜置于配好的酸液中分别浸泡30s、60s、90s，期间不断搅拌酸液使其与Nb3Sn薄膜充分接触。将酸液处理后的Nb3Sn膜进行超声清洗并晾干，确保将残余酸液及锡滴与酸液反应生成的产物去除。超声清洗操作同步骤(2)中相同，但超声清洗液采用去离子水即可。
(6)采用扫描电子显微镜(SEM)观测硝酸处理后Nb3Sn薄膜表面的锡滴分布情况，图1分别给出经过硝酸溶液处理30s、60s、90s后Nb3Sn薄膜表面的锡滴去除情况，最终处理90s后表面锡滴去除效果最为明显。
(7)对硝酸处理后的Nb3Sn薄膜做XPS实验验证表面锡含量变化，结果显示硝酸处理后Nb3Sn薄膜表面锡含量有一定程度降低，表明硝酸处理对锡滴去除有效。
(8)将本底酸溶液与步骤(5)中浸泡Nb3Sn薄膜的酸液分别做电感耦合等离子体光谱(ICP-OES)实验，结果表明浸泡薄膜的酸液中Sn离子浓度明显提升，同样验证了Nb3Sn薄膜表面的锡滴被有效去除。
实施例2
该实验采用盐酸代替硝酸溶液对Nb3Sn薄膜进行处理，步骤(1～4)同实施例一中处理相同，之后采用系列浓度梯度盐酸溶液去除Nb3Sn薄膜表面残余锡滴，其中包括质量分数分别为10％、15％、20％、25％、30％及35％的盐酸溶液。由于锡与盐酸反应速度明显慢于锡与硝酸的反应，因此在采用盐酸处理Nb3Sn薄膜时所选用的时间为10min。图2给出分别采用10％、15％、20％、25％、30％及35％盐酸溶液处理前后薄膜表面锡滴分布情况，结果表明当盐酸溶液浓度超过20％时Nb3Sn薄膜表面锡滴去除效果明显且去除效果差别不大，因此最终选择酸性相对较低的20％盐酸溶液处理。
对比例
图3中(a)为标准镀膜条件下得到的Nb3Sn薄膜表面锡滴残留情况，其中锡源区温度为1200℃，扩散区温度为1100℃，高温生长时间为3h，(b)为增加镀膜阶段高温生长时间到6.5h后得到的Nb3Sn薄膜表面锡滴残留情况，(c)为降低锡源区温度到1170℃，扩散区温度提升到1205℃后得到的Nb3Sn薄膜表面锡滴残留情况。

Claims (7)

1.一种有效去除锡蒸汽扩散法Nb3Sn薄膜表面残余锡滴的后处理方法，包括以下步骤：
(1)采用锡蒸汽扩散法在衬底铌表面生长Nb3Sn薄膜；
(2)对步骤(1)所述Nb3Sn薄膜依次进行表面除油、超声清洗并晾干；
(3)将步骤(2)晾干后的Nb3Sn薄膜置于酸液中浸泡处理；所述酸液为质量浓度为30-55wt％的硝酸溶液或质量浓度为15-35wt％的盐酸溶液；
(4)将步骤(3)酸洗后的Nb3Sn薄膜放入超纯水中超声清洗并晾干，保证表面残余酸液被清洗干净。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述衬底铌为RRR值≥40的纯金属铌。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述表面除油所用清洗液选自下述至少一种：Micro-90清洗剂、Citranox清洗剂和Liqui-Nox清洗剂。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述超声清洗时间不低于20分钟，水温50～60℃。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将Nb3Sn薄膜置于配制好的酸液中浸泡处理，温度为室温，即15～40℃。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述的浸泡处理采用硝酸溶液，浸泡处理时间为30s～2min；采用盐酸溶液，浸泡处理时间为5～15min。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述超声清洗时间不低于20分钟，水温50～60℃。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113373404A (zh) * 2021-06-10 2021-09-10 中国科学院近代物理研究所 一种铜基厚壁Nb3Sn薄膜超导腔及其制备方法
CN113718313A (zh) * 2021-04-20 2021-11-30 中国科学院近代物理研究所 一种提高铌表面锡成核均匀性的处理方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113718313A (zh) * 2021-04-20 2021-11-30 中国科学院近代物理研究所 一种提高铌表面锡成核均匀性的处理方法
CN113373404A (zh) * 2021-06-10 2021-09-10 中国科学院近代物理研究所 一种铜基厚壁Nb3Sn薄膜超导腔及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
马舒原等编: "109种化学元素浅释", 化学工业出版社, pages: 188 *

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