涂层导体中钙钛矿型缓冲层研究

论文摘要

相对于Bi-2223／Ag第一代高温超导带材，在77K具有更好磁场载流性能的YBa2Cu3O7-d（VBCO）涂层导体的研究，已成为目前实用高温超导材料的研究热点之一。涂层导体缓冲层技术是研究YBCO涂层导体的一个重要组成部分。近年来，缓冲层技术正在呈现由多层结构向单层结构、由多种沉积技术组合向单一沉积技术的发展趋势。对于复杂多层结构的缓冲层，不同氧化物之间的物理化学特性差异，导致缓冲层制备过程一般采用多种薄膜制备技术的组合；多种薄膜技术的组合使得涂层导体的制备过程复杂，制备时间冗长，也不利于降低带材的成本；缓冲层的层数越多，控制生长、微观组织和界面结构的技术难度就越大。因此，简化缓冲层结构就成为简化涂层导体制备技术的发展方向。近几年来，美国和日本的研究机构，在缓冲层材料的选择与制备技术方面获得的成功，为发展单缓冲层涂层导体长带技术带来了希望。钙钛矿型化合物是一种比较理想的缓冲层材料。本论文以涂层导体中钙钛矿型单缓冲层为研究对象，重点研究了单缓冲层的制备工艺，选择了两大类材料一具有简单钙钛矿结构的氧化物La0．7Sr0．3MnO3（LSMO）和具有双钙钛矿结构的氧化物La2NiMnO6（LNMO）、Nd2NiMnO6（NNMO）作为缓冲层的候选材料，用固相法、化学溶液法（CSD）法制备上述缓冲层材料的块材，并通过对其结构及形貌分析，确定了制备这些块材的最佳工艺条件。利用金属有机物沉积技术（MOD）在Y稳定ZrO2（YSZ）单晶基片上制备了La2NiMnO6、Nd2NiMnO6、La0．7Sr0．3MnO3单缓冲层，并对其结构及表面形貌进行了表征，成功地建立了MOD法制备单缓冲层的新工艺。建立了制备稳定的LSMO、LNMO、NNMO前驱液的方法。本论文由三部分组成。第一部分为绪论，介绍了YBCO涂层导体的性质和已经实用化的YBCO涂层导体，重点介绍涂层导体缓冲层的研究状况、制备技术及发展趋势，最后阐述了本论文的选题依据和研究方案。第二部分为薄膜制备方法原理及分析测试手段介绍。第三部分为实验结果部分，由三部分组成，分别为简单钙钛矿缓冲层研究、复杂钙钛矿缓冲层研究，以及结论与展望。本论文开展了以下研究工作：1．采用固相法制备了La2NiMnO6+δ块材，并通过X射线衍射技术（XRD）对其结构进行了表征。实验结果显示，在1150℃、1200℃、1350℃三种温度下热处理，均可获得La2NiMnO6+δ相为主相的块材，然而，无论在上述哪种温度下热处理，制备的La2NiMnO6+δ粉末中都存在少量的La2NiO4相。2．采用CSD法制备了La2NiMnO6+δ块材，并通过XRD、扫描电子显微镜（SEM）对其结构及表面形貌进行了表征。结果显示，采用La（NO3）3、Ni（NO3）2、Mn（CH3COO）2作为前驱体，选择稍贫La的名义配比，在较低温度范围（800℃～1000℃）、短时间（3h）热处理，可以得到单斜相的La2NiMnO6+δ块材，所获块材的晶粒分布均匀致密，晶粒平均尺寸约为200nm。3．采用CSD法制备了Nd2NiMnO6块材，并通过XRD、SEM对其结构及表面形貌进行了表征。结果显示，采用Nd（NO3）3、Ni（NO3）2、Mn（CH3COO）2作为前驱体，选择在1000℃～1300℃，热处理3 h，均可得到单斜相的Nd2NiMnO6块材，该块材的晶粒分布均匀致密，晶粒平均尺寸约为200nm。4．通过试验不同前驱体和不同溶剂等，获得了MOD法制备La2NiMnO6、Nd2NiMnO6、La0．7Sr0．3MnO3缓冲层薄膜前驱液的制备技术。5．采用MOD法，在YSZ单晶基片制备了La2NiMnO6、Nd2NiMnO6、La0．7Sr0．3MnO3单缓冲层，利用XRD以及原子力显微镜（AFM）等方法对晶体取向及表面形貌等方面进行了研究，优化和改进了缓冲层的制备工艺。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 YBCO超导体基本性质
• 1.2.1 YBCO的晶体结构
• 1.2.2 YBCO超导体的性质
• 1.3 实用YBCO超导材料
• 1.3.1 YBCO单畴大块
• 1.3.2 YBCO涂层导体
• 1.3.3 YBCO薄膜
• 1.4 YBCO涂层导体缓冲层
• 1.4.1 缓冲层材料的选择
• 1.4.2 几种缓冲层材料介绍
• 1.5 涂层导体缓冲层制备技术
• 1.5.1 脉冲激光技术（PLD）
• 1.5.2 离子束辅助沉积技术（IBAD）
• 1.5.3 溅射技术（Sputtering）
• 1.5.4 金属-有机物气相沉积技术（MOCVD）
• 1.5.5 溶胶凝胶技术（Sol-gel）
• 1.5.6 其他薄膜制备技术
• 1.6 涂层导体缓冲层的发展趋势
• 1.7 本论文的选题依据和研究方案
• 1.7.1 选题依据
• 1.7.2 研究方案
• 第2章 材料制备方法、原理及分析测试手段
• 2.1 缓冲层薄膜制备方法及原理
• 2.1.1 MOD原理
• 2.1.2 MOD工艺
• 2.2 块材及粉体的制备方法及原理
• 2.3 实验所用分析测试方法及原理
• 2.3.1 X射线衍射技术（XRD）:
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）及能谱（EDS）分析
• 2.3.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.4 热分析技术
• 2.4 实验设备及仪器
• 2.5 实验采用的基片及基片清洗
• 2.5.1 实验采用基片
• 2.5.2 基片的清洗
• 2.6 实验采用气氛
• 2.7 实验药品
• 第3章 简单钙钛矿型缓冲层研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 前驱体的选择及前驱液的配制
• 0.7Sr_0.3MnO₃缓冲层薄膜生长工艺研究'>3.2.2 La_0.7Sr_0.3MnO₃缓冲层薄膜生长工艺研究
• 3.2.3 结论
• 第4章 复杂钙钛矿型缓冲层研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 固相法制备LNMO块材
• 4.2.2 CSD法制备LNMO块材
• 4.2.3 CSD法制备NNMO块材
• 4.2.4 MOD法制备LNMO、NNMO薄膜
• 4.2.5 结论
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果