化学溶液法制备涂层导体缓冲层的技术研究

论文摘要

YBa2Cu3O7-d（YBCO）涂层导体与第一代高温超导材料Bi-2223／Ag相比，由于在77 K具有良好的磁场载流性能，在工业上有着广阔的应用前景。因而低成本、高性能的YBCO涂层导体制备技术成为目前实用高温超导材料的研究热点。由于涂层导体缓冲层承担着传递织构和化学阻隔两大任务，因而缓冲层的特性直接影响YBCO层的超导性能，所以选择并制备低成本和高质量的缓冲层是涂层导体制备技术的关键环节。近年来研究发现，钙钛矿结构的化合物是目前最理想的缓冲层材料；从低成本和规模化生产的角度考虑，化学溶液沉积（Chemical Solution Deposition，CSD）是最具产业化前景的功能层制备技术。本论文开展了采用化学溶液法制备钙钛矿型缓冲层的研究。首先利用红外（Infrared Absorption Spectrum，IR），热分析（Thermal analysis，TG-DSC）等分析手段对前驱物和前驱液进行分析，然后再利用X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD），原子力显微镜（AtomicForce Microscopy，AFM）以及扫描电镜（Sanning Electron Microscope，SEM）等分析手段对缓冲层晶粒取向和表面形貌等方面进行了研究，通过所获得的结果对缓冲层的制备工艺进行了优化和改进。本文在与钙钛矿型（ABO3）化合物晶格失配度较小的YSZ单晶基底上制备了两种钙钛矿（LaNiO3和NdGaO3）结构的薄膜，通过一系列的条件实验选择最佳的缓冲层及其制备工艺，为连续制备缓冲层做准备。选择合适的前驱物按照一定的摩尔比溶于合适的有机溶剂中配制稳定性和润湿性良好的前驱液，对前驱液蒸干所得凝胶进行研究以确定热处理温度范围，然后将前驱液旋涂于单晶基底上形成湿膜，再采用合适的热处理工艺使其干燥，分解，形成缓冲层薄膜。通过对热处理工艺的研究发现，热处理温度（高温和低温两个阶段）对缓冲层立方织构的形成以及表面粗糙度具有重要的影响，同时还发现薄膜厚度对LaNiO3缓冲层立方织构的形成也有影响。而热处理时间的选择对NdGaO3缓冲层立方织构的形成有影响。对于不同的缓冲层需要采用不同的热处理工艺，但总体趋势是热处理温度越高，晶粒越大，最终薄膜表面粗糙度越大，同时发现薄膜厚度的增加也会使表面粗糙度增大。然后我们研究了两种双钙钛矿（Ca2NiWO6和Ca2CoWO6）结构的缓冲层前驱物中有机钨盐的选择与制备，并研究了它们的前驱液蒸干所得凝胶于不同热处理温度下烧制所得粉末的物相组成，以对化学溶液法制备双钙钛矿缓冲层的热处理工艺的选择做好准备。通过对钙钛矿缓冲层制备工艺的研究发现，获得高度c轴织构的LaNiO3薄膜的最佳低温热分解温度和高温晶化温度分别为350℃和600℃。同时发现当其厚度达到-100 nm时，织构情况仍然良好，而且最佳工艺条件下制得的LaNiO3薄膜表面粗糙度只有2 nm，并表现出良好的导电性能。获得良好c轴织构的NdGaO3薄膜的最佳的热处理条件是1000℃恒温3 h，所得薄膜表面无裂纹，粗糙度是5 nm。同时发现双钙钛矿结构的化合物虽然与钙钛矿结构的化合物有着很多相似之处，但制备工艺上却有着很大区别，Ca2NiWO6和Ca2CoWO6前驱液蒸干所得凝胶在不同温度下烧制所得粉末的杂相太多，所以用化学溶液沉积技术制备双钙钛矿型缓冲层还有待于进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 涂层导体缓冲层的研究进展
• 2Cu₃O_7-d超导体'>1.1 YBa₂Cu₃O_7-d超导体
• 1.2 实用YBCO超导材料
• 1.2.1 YBCO单畴大块
• 1.2.2 YBCO薄膜
• 1.2.3 YBCO涂层导体
• 1.3 涂层导体缓冲层
• 1.3.1 种子层
• 1.3.2 阻隔层
• 1.3.3 晶格匹配层
• 1.4 涂层导体缓冲层制备技术
• 1.4.1 脉冲激光沉积技术
• 1.4.2 磁控溅射技术
• 1.4.3 金属-有机物气相沉积
• 1.4.4 化学溶液沉积技术
• 1.5 涂层导体缓冲层的发展趋势
• 第2章 化学溶液沉积技术
• 2.1 基本原理
• 2.2 实验方法
• 2.3 典型的应用实例
• 3的研究'>第3章 导电型缓冲层LaNiO₃的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 实验仪器及原料
• 3.2.2 基片的清洗
• 3.2.3 前驱溶液的配制
• 3.2.4 涂敷及薄膜的热处理
• 3.3 结果及分析
• 3.3.1 热处理温度范围的选择
• 3.3.2 热处理温度以及厚度对织构的影响
• 3.3.3 热处理工艺对表面形貌的影响
• 3薄膜的导电性能研究'>3.3.4 LaNiO₃薄膜的导电性能研究
• 3.4 本章小结
• 3的研究'>第4章 钙钛矿型缓冲层NdGaO₃的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 实验仪器及原料
• 4.2.2 基片的清洗
• 4.2.3 前驱物的准备以及前驱溶液的配制
• 4.2.4 涂敷及薄膜的热处理
• 4.2.5 前驱体及薄膜的分析测试方法及原理
• 4.3 结果及分析
• 4.3.1 前驱物以及前驱液的表征
• 4.3.2 热处理温度和热处理时间对织构形成的影响
• 3表面形貌的研究'>4.3.3 NdGaO₃表面形貌的研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 双钙钛矿型缓冲层的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 实验仪器及原料
• 5.2.2 前驱物中钨盐的制备
• 5.2.3 前驱溶液的配制及分析
• 5.3 结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的科研成果