采用光辅助MOCVD方法生长YBCO薄膜和厚膜及其特性研究

论文摘要

YBa2Cu3O7-δ（YBCO）材料在弱电方面的应用,特别是微波通讯所需的微波滤波器方面已经走上了实用化的道路。但是,制作高温超导滤波器所需的核心部分原材料,高质量双面YBCO高温超导体薄膜在国内仍然很难大批量提供。因此,为了解决这一难题,我们利用自行设计和搭建的光辅助MOCVD（photo-assisted Metel-organic Chemical Vapor Deposition）系统制备了高质量YBCO薄膜,并对其性能做了较为系统的研究。通过我们自行搭建的光辅助MOCVD系统,不断优化长膜实验条件,包括衬底温度、三种金属有机源的挥发温度、载气及氧气和一氧化二氮的流量、生长时间、及生长总压等,制备出了质量比较高的YBCO高温超导膜。在优化制膜实验过程中,首次通过计算机模拟了第一台石英反应室内部气流、压力、温度等参数的分布情况。通过与实验结果对比,发现模拟与实验基本吻合,数学上的模拟对于反应室结构的设计非常有参考意义。同时进一步分析了金属有机源的热学特性,分析了金属有机源对薄膜表面的影响,通过改进源炉内部的内罐结构,改善了源挥发的均匀性。通过计算机编程控制三种金属有机源挥发过程的温度,使得三种源可以在相对较长的时间内（15分钟）实现按预定比例均匀供给,薄膜的厚度可以达到4.5μm。对YBCO外延膜的厚度可以进行有效的控制,生长小面积（3×10cm）YBCO薄膜及厚膜（膜厚在1μm以上者）的重复率已经达到了80%以上。这一改进对实现高温超导膜产业化生产的目标具有重要意义。本论文主要目的是为以光辅助MOCVD法制备大面积高质量YBCO外延膜作前期必需的准备工作,例如膜生长参数的优化及有效控制膜的厚度。

论文目录

• 内容提要
• 第1章 前言
• 1.1 超导材料发展
• 1.2 超导体的性质及应用
• 1.2.1 零电阻效应
• 1.2.2 迈斯纳效应
• 1.2.3 超导体的应用
• 1.3 YBCO材料的用途及国内研究现状
• 1.4 论文研究动机
• 1.5 本论文主要工作内容
• 第2章 YBCO薄膜基本特性和生长技术研究
• 2.1 YBCO晶体结构特性
• 2.2 YBCO薄膜生长技术
• 2.3 光辅助MOCVD技术
• 2.3.1 MOCVD技术简介
• 2.3.2 光处理电子材料的优势
• 2.3.3 用于生长YBCO薄膜的光辅助MOCVD系统
• 2.4 用以生长YBCO膜的原材料
• 2.4.1 基片
• 2.4.2 金属有机源
• 2.4.3 氧分压的作用
• 2.5 YBCO薄膜的表征方法
• 2.5.1 X射线衍射
• 2.5.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.3 X射线能量色散谱（EDS）分析
• 2.5.4 电学特性分析
• 2.6 小结
• 第3章 光辅助MOCVD法生长YBCO薄膜及相关特性研究
• 3.1 LAO衬底上生长YBCO薄膜和特性分析
• 3.1.1 实验步骤
• 3.1.2 YBCO薄膜的生长条件
• 3.2 生长温度对薄膜性能的影响
• 3.2.1 生长温度对薄膜表面及断面的影响
• 3.2.2 不同温度下生长的薄膜结构的分析
• 3.3 反应室上壁为冷壁和热壁的对比研究
• 3.4 衬底高度的优化与卤素钨灯光源的关系
• 3.5 生长总压强对YBCO薄膜生长速率的影响
• 3.6 小结
• 第4章 计算机模拟与系统的优化
• 4.1 引言
• 4.2 光辅助MOCVD输运过程的计算机模拟简介
• 4.3 计算机模拟的标量分布
• 4.3.1 基座表面速度标量分布
• 4.3.2 基座表面温度分布
• 4.4 计算机模拟的气流矢量分布
• 4.5 Φ角对YBCO薄膜晶体质量及超导电学性能的影响
• 4.5.1 Φ角对薄膜生长速度与晶体质量的影响
• 4.5.2 Φ角对薄膜电学性能的影响
• 4.6 小结
• 第5章 金属有机源对YBCO薄膜性能的影响研究
• 5.1 金属有机源的热学特性
• 5.2 金属有机源对薄膜表面形貌的影响
• 5.3 源炉编程升温对膜厚的影响
• 5.4 小结
• 结论及展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢
• 中文摘要
• Abstract