CN1851040A

CN1851040A - 一种双面超导带材缓冲层的连续制备方法

Info

Publication number: CN1851040A
Application number: CN 200610020898
Authority: CN
Inventors: 李言荣; 陶伯万; 熊杰; 刘兴钊; 朱俊; 蒋书文
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2006-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2006-10-25

Abstract

一种双面超导带材缓冲层的连续制备方法，属于超导材料技术领域，特别涉及超导带材的制备方法。本发明使用一种带有上、下两个转盘的对靶磁控溅射装置，所述溅射装置的上转盘8和下转盘1位于对靶4中心连线的垂直平分线的上下，且分别由一个步进电机控制；并利用对靶磁控溅射工艺沉积缓冲层薄膜，从而制得双面长超导带材缓冲层。使用本发明可以实现高温超导带材缓冲层的快速、连续制备，充分提高了制备效率，同时使用该方法制备出的薄膜两面一致性，单面均匀性好，取向度高，表面平整度高；本发明为工业快速生长第二代高温超导带材氧化物过渡层薄膜提供了良好的实现途径。

Description

一种双面超导带材缓冲层的连续制备方法

技术领域：

一种双面超导带材缓冲层的连续制备方法，属于超导材料技术领域，特别涉及超导带材的制备方法。

背景技术：

1986年高温超导体的发现引起了全世界科学界极大的兴趣和关注。人们对其材料组成、结构特征、性能、应用等各方面进行了广泛深入的研究。超导体具有许多独特的性质，如零电阻、完全抗磁性(迈斯纳效应)和超导隧道效应(约瑟夫森效应)等，利用这些性质可在科研和生产上发展许多有重要价值的器件，如强磁体、超导量子干涉器件(SQUID)、高效电动机和无损耗传输电能系统等。高温超导体的发现使超导体的工作温度从液氦温区(4.2K)提高到液氮温区(77K)，使超导体的实用前景更加广阔。

高温超导材料在强电上的应用一直是一个重要的方向，各国政府对高温超导带材的研究投入了巨大的人力和物力。第一代铋系高温超导带材(BSCCO/2223)已进入实用性阶段，但是其在强磁场下难以得到高的临界电流密度Jc，并且昂贵的银的大量使用也使其在降低工业成本上受到限制。因此，各国政府将研究开发的重点转移到一种在柔性金属基带上涂以YBCO/123薄膜的涂层导体(Coated Conductor，称CC导体或第二代高温超导带材)上。YBCO带材比铋系带材载流水平更高、磁场下超导性能更好、价格更便宜，是一个极具应用前景的高技术产业。

目前第二代高温超导带材采用的金属基带主要以Ni和Ni基合金为主。若直接在Ni基带上沉积YBCO薄膜，由于Ni与YBCO之间的互扩散易使带材电性能恶化，机械性能变差，使用价值降低。且Ni与YBCO之间的相容性较差，在Ni基带上不能直接制备结构良好的YBCO膜层。因而需要在Ni基带上制备与YBCO兼容性较好的氧化物过渡层以改善YBCO薄膜的性能。由于需要阻挡扩散和缓并晶格失配，缓冲层薄膜应具备一定的厚度，这就需要高沉积速度；同时为了满足应用方面的需要，需要制备的第二代超导带材越长越好；同时，为了承载更大的电流强度，就需要制备两面一致性好的双面超导带材；而对于工业化的要求，如何在长基带上快速连续制备双面氧化物过渡层薄膜成为急需解决的技术问题。

目前对于这类薄膜的制备，可以采用脉冲激光沉积、磁控溅射、电子束共蒸发等真空方法，以及溶胶-凝胶、金属有机物沉积、电泳沉积、液项外延法等非真空方法。但无论是从连续性、两面一致性或者沉积速度上面，都存在着不足，为此需要寻找一种能够解决上述问题的方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于高速、连续制备双面第二代高温超导带材缓冲层的方法，使用该方法可以实现高温超导带材缓冲层的快速、连续制备，充分提高了制备效率，同时使用该方法制备出的薄膜两面一致性，单面均匀性好，取向度高，表面平整度高；本发明方法为工业快速生长第二代高温超导带材氧化物过渡层薄膜提供了良好的实现途径。

一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征在于，它使用了如图1所示的一种带有上、下两个转盘的对靶磁控溅射装置，所述带有上、下两个转盘的对靶磁控溅射装置的上转盘8和下转盘1位于对靶4中心连线的垂直平分线的上下，且分别由一个步进电机控制，具体包括以下步骤：

步骤1、将长超导带材的基带安装于上转盘8和下转盘1之间；

步骤2、关闭真空室，使步进电机带动转盘转动使基带在对靶间匀速运动，采用对靶磁控溅射工艺沉积缓冲层薄膜；

由以上步骤即可制得双面长超导带材缓冲层。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用了可以卷绕基带的转盘，可以连续制备任意长度的长超导带材缓冲层；2、本发明将基带竖直放置，让其上下匀速运行，能够避免水平运行时由于重力作用产生的基带弯曲和过大拉力导致的基带变形，使沉积薄膜均匀性更高；3、本发明采用对靶溅射沉积薄膜，可实现双面同时沉积，提高了工作效率，同时也保证了沉积薄膜的两面一致性。

附图说明

图1：本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所用的一种带有上、下两个转盘的对靶磁控溅射装置结构示意图。

1-下转盘；2-基带；3-加热电阻丝；4-对靶；5-辉光；6-反应气体进气阀；7-工作气体进气阀；8-上转盘；9-生长室；10-热电偶；11-排气孔。

图2：利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层CeO₂薄膜的X射线衍射(XRD)θ-2θ扫描图谱。其中X轴表示2θ角(单位是度)，Y轴表示计数强度(单位是count/second)。由图2可知，利用本发明制备的CeO₂薄膜具有(002)单一取向。

图3：利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层CeO₂薄膜的(002)峰的X射线衍射仪ω扫描图谱。其中X轴表示θ角(单位是度)，Y轴表示计数强度(单位是count/second)，由图3可知，其半高宽(FWHM)为2.7°，表明具有良好的面外织构。

图4：利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层CeO₂薄膜的(111)面的X射线衍射仪扫描图谱。其中X轴表示Phi角(单位是度)，Y轴表示计数强度(单位是count/second)，由图4可知，其半高宽为4.7°，表明具有良好的面内织构。

图5：利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层CeO₂薄膜的原子力显微镜(AFM)5μm区域内表面形貌的平面图。

图6：利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层CeO₂薄膜的原子力显微镜(AFM)5μm区域内表面形貌的三维立体图。

由图5、6可知，本发明所制备的CeO₂薄膜表面平整、无裂纹。

图7：1米长基带上CeO₂薄膜ω扫描两面半高宽分布图。由图7可知，本发明所制备的CeO₂薄膜两面一致性及单面的均匀性都相当的好。

图8：1米长基带上CeO₂薄膜扫描两面半高宽分布图。由图8可知，本发明所制备的CeO₂薄膜两面一致性及单面的均匀性都相当的好。

具体实施方式

本发明具体实施方式提供的是一种基于低温沉积金属并进行原位高温氧化处理制备第二代高温超导带材氧化物过渡层薄膜的方法，其具体步骤如下：

第一步：将含钨3％的镍基合金双轴织构基带安装在两转盘1，8之间，基带宽为10毫米，厚度为0.1毫米。通过带有转速控制器的步进电机带动转盘1或者8匀速运动，由此带动基带匀速运动。当下转盘1转动时，可带动基带2匀速向下运动；当上转盘8转动时，可以带动基带2匀速向上卷绕。

第二步：将金属铈(Ce)靶(长为40毫米，宽为25毫米，厚度为5毫米)安置在对靶4上，加热电阻丝3对基带进行加热，采用热电偶10读取腔体内温度。转盘1、8，对靶4，基带2，加热电阻丝3，热电偶10均放置在生长室9。反应气体进气管及阀门6一直通入生长室的内部，而工作气体进气管及阀门7则通入对靶4附近，右部开口接真空泵11(机械泵和分子泵)。

第二步：用真空泵11将生长室9抽背底真空至1.0*10^-3Pa以下，利用加热电阻丝3对基带2进行加热，使温度最终保持在750℃，通过热电偶10来读取温度，然后从进气管7向生长室9内充入氩氢混合气体(Ar-H₂4％)，并使生长室9内保持2Pa氩氢混合气体，从进气管6充入大约1×10^-3Pa的水蒸气。

第三步：开启对靶4辉光5，保持溅射功率60W，溅射金属铈靶材，使NiW3％双轴基片上沉积CeO₂薄膜。

第四步：基带匀速通过辉光区域后，关闭溅射，停止对基片加热，同时关闭进气管6、7，停止分子泵和机械泵，取出制得的CeO₂薄膜。

将以上制得的CeO₂薄膜进行结构分析和表面形貌分析的仪器如下：

X射线衍射仪(XRD)，型号为英国Bede D1System；原子力显微镜(AFM)，型号为日本SEIKO SPA-300HV。

由以上对CeO₂薄膜的结构和表面形貌分析可知，采用本发明装置能够快速连续制备两面一致性和面内均匀性好的双面长带材缓冲层，并且制备得到的缓冲层薄膜具有良好的取向性和高的表面平整度，为后续膜层的生长提供了良好的生长模板。由于具备以上的优点，能够满足工业化快速生产的需求。

Claims

1、一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征在于，它使用了一种带有上、下两个转盘的对靶磁控溅射装置，所述带有上、下两个转盘的对靶磁控溅射装置的上转盘(8)和下转盘(1)位于对靶(4)中心连线的垂直平分线的上下，且分别由一个步进电机控制，具体包括以下步骤：

步骤1、将长超导带材的基带安装于上转盘(8)和下转盘(1)之间；

由以上步骤即可制得双面长超导带材缓冲层。

2、根据权利要求1所述的一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征是，所述长超导带材的基带为含钨3％的镍基合金双轴织构基带。

3、根据权利要求1所述的一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征是，所述对靶(4)为金属铈靶。

4、根据权利要求2、3所述的一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征是，所述对靶磁控溅射工艺条件为

背底真空度：1.0*10^-3Pa以下；基带温度：750℃；工作气体：2Pa的Ar-H₂4％、1×10^-3Pa的水蒸气；溅射功率：60W。