YBCO涂层导体用YSZ阻挡层的快速制备研究

论文摘要

钇系第二代高温超导带材因具有临界电流密度高、价格低廉、不可逆场高等诸多优点，所以备受各国科学家关注，成为近年来尖端科学领域的研究热点。随着YBCO长带材逐渐产业化，对其过渡层长度和制备速度的要求也越来越高。本文基于直流磁控溅射法研究了沉积有Y2O3种子层的镍钨合金（Ni-5at.%W）基带上YSZ阻挡层薄膜的快速制备工艺。此后在不同温度下快速制备的YSZ阻挡层的上制备了CeO2模板层层薄膜和YBCO超导层薄膜，研究了YSZ薄膜织构和表面形貌对以上两层薄膜的影响。主要包括以下三方面研究：1.在本实验室条件下寻找YSZ阻挡层薄膜的最优温度工艺参数。研究该生长温度下YSZ薄膜相对于Y2O3种子层薄膜的优化，包括无杂峰的外延生长、更窄的面内面外半高宽。制备出最优生长温度下的YSZ阻挡层薄膜呈完全外延生长，面外半高宽3.23°,面内半高宽6.3°,表面均方根粗糙度4.32nm。2.以不同卷绕速度快速制备了YSZ阻挡层薄膜，分析得出在更快速制备过程中，YSZ阻挡层薄膜质量得到提升，但是薄膜厚度相应减少。其中以7m/h的卷绕速度制备出的带材，面外半高宽3.4°,面内半高宽5.8°,均方根粗糙度2.8nm。之后采用实验室的直流磁控溅射系统在一米长的基带上试制出均匀性良好、薄膜质量高的YSZ阻挡层。3.研究了快速制备的YSZ阻挡层薄膜的质量对CeO2模板层薄膜和YBCO超导层薄膜的影响。实验证明结构更好的YSZ阻挡层薄膜上沉积的CeO2模板层薄膜质量更好。在700℃的生长温度下制备的YSZ阻挡层薄膜所对应的CeO2模板层薄膜呈纯c轴取向，面外半高宽为3.9°,面内φ扫描四个峰半高宽在5.8°和6.7°之间波动，表面均方根粗糙度2.4nm。该生长温度下的YSZ薄膜所对应的YBCO超导薄膜均呈c轴外延生长，由XRD测试得YBCO（005）衍射峰面外半高宽为4.2°，面内φ扫描四个峰平均面内半高宽为5.7°。从SEM扫描图上看出该温度下YSZ阻挡层所对应的YBCO薄膜表面形貌良好，用“Leipzig” Jc测试系统测得薄膜Jc为0.6MA/cm2。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 概述
• 1.1 超导材料简史
• 1.2 高温超导材料的应用现状
• 1.3 高温超导带材的发展过程
• 1.3.1 实用化要求
• 1.3.2 第一代高温超导带材应用现状
• 1.3.3 第二代高温超导带材应用现状
• 1.4 钇系高温超导带材的制备
• 1.4.1 金属基带的选择
• 1.4.2 过渡层的选择
• 1.4.3 阻挡层薄膜的制备方法
• 1.4.4 超导层的制备方法
• 1.5 过渡层薄膜和 YBCO 带材研究现状
• 1.6 本论文的选题构思和探究方案
• 第二章 实验方法和表征
• 2.1 直流磁控反应溅射
• 2.2 射频磁控溅射
• 2.3 实验装置
• 2.3.1 制备阻挡层设备
• 2.3.2 制备模板层的设备
• 2.3.3 制备超导层的设备
• 2.4 分析与测试设备介绍
• 2.4.1 X 射线衍射设备—XRD
• 2.4.2 原子力显微镜—AFM
• 2.4.3 扫描电子显微镜—SEM
• 2.4.4 针触式台阶仪
• 2.4.5 “Leipzig”Jc测试仪
• 2.5 本章小结
• 第三章 钇稳氧化锆阻挡层的快速制备研究
• 3.1 生长温度对 YSZ 薄膜的影响
• 3.1.1 生长温度对 YSZ 薄膜的结构影响
• 3.1.2 生长温度对 YSZ 薄膜的形貌影响
• 3.1.3 YSZ 薄膜生长温度的最优参数讨论
• 3.2 卷绕速度对 YSZ 薄膜的影响
• 3.2.1 卷绕速度对 YSZ 薄膜的厚度影响
• 3.2.2 卷绕速度对 YSZ 薄膜的结构影响
• 3.2.3 卷绕速度对 YSZ 薄膜的形貌影响
• 3.3 YSZ 长带材研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 YSZ 薄膜对模板层和超导层的影响
• 4.1 YSZ 阻挡层薄膜对 CeO2模板层薄膜的影响
• 4.1.1 YSZ 阻挡层薄膜对 CeO2模板层薄膜结构的影响
• 4.1.2 YSZ 阻挡层薄膜对 CeO2模板层薄膜形貌的影响
• 4.2 YSZ 阻挡层薄膜对 YBCO 超导层薄膜的影响
• 4.2.1 YSZ 阻挡层薄膜对 YBCO 超导层薄膜结构的影响
• 4.2.2 YSZ 阻挡层薄膜对 YBCO 超导层薄膜形貌的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 研究生阶段取得成果