用低氟MOD法在LAO單晶上制備YBCO超導(dǎo)薄膜的研究.pdf

1、釔鋇銅氧(YBCO)高溫超導(dǎo)材料自發(fā)現(xiàn)以來(lái),由于其相對(duì)于Bi系超導(dǎo)體在性能方面的優(yōu)勢(shì),成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。制備YBCO高溫超導(dǎo)薄膜的方法很多,采用TFA-MOD法制備YBCO薄膜以其無(wú)需高真空條件、設(shè)備要求簡(jiǎn)單,而備受科研人員關(guān)注。然而,此工藝由于制備周期長(zhǎng),單次涂膜過(guò)薄,尾氣具有污染性,因此為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求,仍需進(jìn)一步改進(jìn)。本論文針對(duì)傳統(tǒng)TFA-MOD工藝存在的問(wèn)題,提出了高性能YBCO超導(dǎo)薄膜的快速廉價(jià)制備方法,并對(duì)所使用

2、金屬前驅(qū)鹽的分解過(guò)程進(jìn)行了熱力學(xué)分析,獲得了分解過(guò)程遵循的反應(yīng)機(jī)理。
　　 在快速制備YBCO超導(dǎo)薄膜方面,經(jīng)過(guò)對(duì)甲基丙烯酸鹽和丙烯酸鹽各方面參數(shù)進(jìn)行比較后,使用分子量較小,反應(yīng)較易進(jìn)行的丙烯酸對(duì)傳統(tǒng)的三氟乙酸鹽進(jìn)行了替代。這種無(wú)氟金屬有機(jī)鹽的引入,不但大幅降低了之前使用三氟乙酸鹽所引起的有毒有害氣體HF的排放,減少了其對(duì)環(huán)境的污染,并且使低溫預(yù)處理時(shí)間由原來(lái)的10個(gè)小時(shí)縮短到2個(gè)小時(shí),大幅提高了薄膜的生產(chǎn)效率。
　　

3、另一方面,經(jīng)過(guò)對(duì)乙醇胺,二乙醇胺,以及三乙醇胺各方面性能(增稠性能,穩(wěn)定性,分子量等)進(jìn)行對(duì)比后,最終選擇以二乙醇胺作為添加劑引入到前驅(qū)溶液當(dāng)中,增加了溶液的穩(wěn)定性,中和了溶液的酸性,并增大了溶液的粘稠度。在對(duì)低溫預(yù)處理工藝進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)后,將前驅(qū)鹽的分解區(qū)為在268℃干氧氣氛下二乙醇胺的分解和268℃后濕氧氣氛下金屬有機(jī)鹽的分解兩部分進(jìn)行,由此消除了二乙醇胺的添加對(duì)前驅(qū)薄膜所造成的不利影響。在保證溶液對(duì)基底具有足夠浸潤(rùn)性的前提下,其添

4、加量最高可達(dá)0.75g/5ml。
　　 雖然在傳統(tǒng)TFA-MOD工藝的基礎(chǔ)上同時(shí)進(jìn)行了以上兩項(xiàng)變化,但在LZO單晶上生成的薄膜,其微觀結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)性能并沒(méi)有受到明顯影響。經(jīng)XRD結(jié)果顯示,薄膜內(nèi)部由(001)至(007)所有c軸取向晶粒所對(duì)應(yīng)的衍射峰均較為尖銳,由于低氟前驅(qū)溶液的采用,薄膜內(nèi)部?jī)H有少量BaCO3的產(chǎn)生;經(jīng)SEM結(jié)果顯示,薄膜表面平整致密,僅在表面有a軸晶粒分布。但以上現(xiàn)象并未對(duì)YBCO薄膜的超導(dǎo)性能產(chǎn)生不利影響,其

5、臨界電流密度(Jc)最高達(dá)到了3.5MA/cm2,工程電流最高可達(dá)到87.5A/cm-width。為檢驗(yàn)低氟前驅(qū)溶液的實(shí)用型,進(jìn)一步分別在實(shí)驗(yàn)室自制的CeO2/LZO和LZO/NiW基底上進(jìn)行了雙層YBCO超導(dǎo)層的沉積。其中,經(jīng)XRD表征,在CeO2/LZO基底上沉積的YBCO超導(dǎo)層c軸取向性均較為明顯,臨界電流密度為0.2MA/cm2。而在LZO/NiW基板上所制備的YBCO薄膜雖均未能獲得超導(dǎo)電流,但晶粒的c軸取向性仍較為明顯。

6、r>　　 與此同時(shí),由于相比于激光脈沖輔助沉積(PLD)和化學(xué)氣相沉積(CVD),金屬有機(jī)鹽沉積(MOD)制備薄膜的精確度較差,工藝不易控制。因此,本論文首次提出了對(duì)用于制備低氟YBCO前驅(qū)體的丙烯酸銅,三氟乙酸釔及三氟乙酸鋇進(jìn)行非等溫?zé)釀?dòng)力學(xué)分析。通過(guò)以微分法中的Achar法和積分法中的Coats-Redfern法相結(jié)合的途徑,并利用各種常用反應(yīng)機(jī)理所對(duì)應(yīng)的模型函數(shù),求出了上述前驅(qū)鹽分解過(guò)程的模型參數(shù)。其中,丙烯酸銅分為兩步分解,第

7、一步遵循三級(jí)Avrami-Erofeev成核與生長(zhǎng)機(jī)理:G(α)=[-Ln(1-α)]1/3,第二步遵循Valensi(Barrer)機(jī)理:G(α)=a+(1-a)ln(1-a)。而三氟乙酸釔分解過(guò)程則遵循1.5級(jí)Avrami-Erofeev成核與生長(zhǎng)機(jī)理:G(α)=[-Ln(1-α)]1/1.5。三氟乙酸鋇熱分解過(guò)程遵循一級(jí)和1.5級(jí)生長(zhǎng)機(jī)理:G(α)=(1-a)-1/2。由反應(yīng)活化能可知,所選用的丙烯酸銅的分解反應(yīng)均較易進(jìn)行,而三氟