第二代高温超导YBa2Cu3O7-x薄膜及其缓冲层薄膜的制备

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高温超导体YBa2Cu3O7-x(YBCO)具有优异的电学性能,所以许多科研人员对其产生较大的兴趣。YBCO只有在制成带材以后,才能被使用。当前生产YBCO带材的主要思路是,选用具有一定机械强度的金属基带,然后从下至上,依次在基带上镀上多层缓冲层薄膜和一层YBCO薄膜。现今有很多较为成熟的薄膜制备方法,其中金属有机化学气相沉积(MOCVD)一直被视为是最具潜力的镀膜方法之一,它具有覆盖均匀、薄膜组分可控性高、可在复杂形状的基体上镀膜和沉积速率高等优点。激光化学气相沉积(LCVD)是一种特殊的MOCVD技术,该技术通过连续的激光束进行增强,激光束能激活前驱体分子,加速化学反应。从技术层面上来讲,LCVD加快了薄膜的沉积进程,使薄膜的择优取向得到增加,且薄膜的沉积温度也会有所降低,和MOCVD相比,LCVD在YBCO带材的制备上更具有潜力。本论文首先选用(100)取向LaAlO3单晶作为基体,通过激光化学气相沉积法(固体原料加热系统),在基体上制备出高质量的CeO2缓冲层薄膜。随后,我们选用Hastelloy C276合金作为基体,通过激光化学气相沉积法(液体原料输送系统),在基体上制备出高电学性能的YBCO薄膜。在本论文中,我们主要研究了激光功率(沉积温度)和沉积速率对CeO2和YBCO薄膜各项性能的影响。在制备CeO2薄膜时,薄膜的制备温度设置为947-1096 K(对应的激光功率为52-185 W)。当沉积温度在1027 K到1096 K范围内(即激光功率从115W到185W)时,制备的薄膜呈现出高度的(100)取向,薄膜由顶部呈楔形的柱状晶粒构成,它的外延生长关系是CeO2[100]//LAO[100](CeO2[010]//LAO[011])。CeO2薄膜(200)晶面的ω扫描的半高宽为0.8-1.8°,其(220)的φ扫描的半高宽为0.7-1.2°。本实验中,薄膜的最大生长速率为32μm/h,此时薄膜不具有纯净的(100)择优取向,具有纯净(100)择优取向的CeO2薄膜的最大生长速率为30μm/h。在制备YBCO样品时,其沉积速率设置为10-55μm/h。当沉积速率为10μm/h时,实验制得了c-轴取向的YBCO薄膜,样品的临界温度(TC)达到91 K、临界电流密度(JC)达到2.4 MA/cm2,该薄膜的外延生长模式为YBCO[001]//CeO2[100](YBCO[100]//CeO2[011]),样品(005)晶面的ω扫描的半高宽为1.9°,(102)的φ扫描的半高宽为3.2°;当沉积率为45μm/h时,实验制得了a-轴取向的YBCO薄膜,该条件下样品的TC为78 K、JC为0.4 MA/cm2,该薄膜的外延生长模式为YBCO[100]//CeO2[100](YBCO[001]//CeO2[011]),样品(005)晶面的ω扫描的半高宽为4.9°,(102)的φ扫描的半高宽为9.5°。
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