金属基带上适用于rebco超导层生长的模板制备方法
【专利摘要】本发明是一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，属于高温超导材料制备【技术领域】。本发明包括以下步骤：（1）金属基带表面清洗；（2）采用化学溶液平坦化方法（SDP）在金属基带上制备隔离层；（3）采用离子束辅助射频磁控溅射方法(IBAD-MgO)在隔离层上制备双轴织构氧化镁层；（4）采用射频磁控溅射方法制备锰酸镧层；（5）采用直流磁控反应溅射方法制备氧化铈层。本发明通过物理与化学制备方法的综合应用，为规模化生产高温超导带材模板提供了一种低成本制备方法。
【专利说明】金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温超导涂层导体带材制备【技术领域】，是一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模 板制备方法。
【背景技术】
[0002]高温超导涂层导体带材是高温超导材料领域的研究热点之一，它的制备包括两部分:双轴织构基带制备和超导功能层制备。双轴织构基带制备工艺可分为两大类:离子束辅助沉积技术(1n Beam Assisted Deposition,缩写为IBAD)和轧制辅助双轴织构技术(Rolled Assisted Biaxially Textured Substrates,缩写为 RABiTS)。RABiTS 技术具有效率高、设备简单的优点，但是对基带有特殊的要求，现在主要用N1-W合金，机械性能差，成本较高，而且具有磁性，不利于交变磁场环境下应用。离子束辅助沉积技术(IBAD)对金属基带的材料没有特殊要求，可以选择成本较低的哈氏合金和不锈钢作为基带材料，而且，离子束辅助沉积双轴织构氧化镁的速度较高，从工业大规模生产较低来说，离子束辅助沉积氧化镁的相对成本较低。离子束辅助沉积氧化镁要求表面非常光滑的金属基带，抛光金属基带可以采用传统的抛光工艺如机械抛光和电化学抛光。机械抛光工艺成本高、效率低，不适于柔性金属长带的表面抛光；电化学抛光工艺仅适合一些特定的金属带材，而且化学废液对环境造成污染，废液处理成本较高。一种新的使金属基带表面光滑的方法是化学溶液平坦化方法，它通过在柔性金属基带表面涂覆一层氧化物前驱液，利用表面张力作用，在突起区域残留液少，在沟槽区域残留液多，液膜作为连续的整体对基带表面起到平整化作用；然后经过热处理，前驱液挥发、分解成非晶氧化物膜。这种非晶氧化物薄膜既有平坦化表面的作用，又具有隔离原子扩散的作用，是一种低成本工艺。双轴织构氧化镁与钇钡铜氧高温超导体的晶格差别较大，需要在双轴织构氧化镁层上制备缓冲层，既保持双轴织构，又能与超导层晶格匹配。现在一般用MgO (home-epi) /LMO(sputtering)多层膜结构作为缓冲层，MgO上同质外延MgO需要高温条件，使基底非晶氧化物转化为晶态而使表面粗糙，不利于后续工艺，而且同质外延生长MgO的速度较低，因此需要寻找替代MgO (home-epi)的方案。LMO层晶格常数介于MgO与超导层中间，但是与超导层晶格常数差别较大，不利于超导层的生长，因此需要寻找与超导层更匹配的材料。本发明解决了上述问题。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的目的是提供一种柔性金属基带上适用于REBCO超导层生长的低成本模板制备方法，用于工业化规模生产高温超导涂层导体带材。
[0004]本发明通过以下技术方案实现，本发明依次通过化学溶液平整化方法在金属基带上制备隔离层，利用离子束辅助沉积制备双轴织构氧化镁层，利用射频磁控溅射制备锰酸镧层，利用直流反应磁控溅射制备氧化铈层，得到适用于REBCO超导层生长的低成本模板。
[0005]本发明制备一种柔性金属基带上适用于REBCO超导层生长的低成本模板，模板多层膜结构见示意图1，具体制备过程包括以下步骤:(1)金属基带表面清洗；
(2)采用化学溶液平坦化方法(SDP)在金属基带上制备隔离层；
(3)采用离子束辅助射频磁控溅射方法(IBAD-MgO)在隔离层上制备双轴织构氧化镁
层；
(4)采用射频磁控溅射方法在双轴织构氧化镁层上制备锰酸镧层；
(5)采用直流磁控反应溅射方法在锰酸镧层上制备氧化铈层；
步骤(1)采用我们自己的专利设备(一种柔性金属带材表面快速化学溶液平坦化设备)，示意图见图2，清洗金属带材表面污物。
[0006]步骤(2)采用我们自己的专利设备，一种柔性金属带材表面快速化学溶液平坦化设备，通过连续 走带、阶梯加热、多通道重复镀膜制备隔离层，大大提高了镀膜速度与表面光洁度，可以制备出表面平均粗糙度小于2纳米的非晶钇铝氧化物或氧化钇，保证后续氧化镁在离子束辅助沉积下快速形核，生成双轴织构。制备的非晶氧化物隔离层较厚，一般800-1300纳米，保证能阻挡金属原子高温下扩散到超导层。
[0007]步骤(3)中利用多通道离子束辅助沉积设备，见示意图3，采用射频磁控溅射氧化镁靶材，氩离子以一定角度辅助轰击制备双轴织构氧化镁薄膜，氧化镁薄膜厚度范围8-25纳米，制备速度较高。
[0008]步骤(4 )采用多通道设备射频磁控溅射锰酸镧靶材，制备锰酸镧薄膜，氧气压力范围0.05-10Pa,基带加热温度范围650-750度，厚度范围40-80纳米，制备速度较高。
[0009]步骤(5)采用多通道设备直流反应溅射制备氧化铈，氧气压力范围0.l_20Pa，基带加热温度范围650-750度，厚度范围20-80纳米，制备速度较高，氧化铈膜越厚，织构度越闻，越有利于闻性能超导层的生长。
[0010]本发明中隔离层厚度较大，采用化学方法制备，不需要真空，而且制备速度较大，可以大大降低成本，IBAD-MgO层和缓冲层(包括锰酸镧层和氧化铈层)所需厚度较小，采用真空制备，生长速度较大，相对成本大大降低。本发明是一种适合于REBCO超导层生长的低成本模板制备方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了清楚的说明本发明的技术方案和实施例，下面将对发明技术描述和实施例中所需使用的附图作简要介绍。
[0012]图1为适合于REBCO超导层生长的低成本模板多层膜结构示意图。
[0013]图2为连续走带、阶梯加热、多通道重复镀膜设备示意图。
[0014]图3为多通道离子束辅助沉积设备示意图。
【具体实施方式】
[0015]本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0016]实施例一:哈氏合金C-276上适合于REBCO超导层生长的低成本模板多层膜的制备，包括下述步骤:
(O配制前驱液1:将硝酸铝与乙醇溶剂按预定比例溶解，使用超声波震荡加快溶解，待完全溶解后，加入一定比例的醋酸钇，搅拌加热到60度加快溶解，然后加入再加入乙醇，使前驱液I中，铝离子与钇离子浓度之比为1:1，铝离子浓度为0.lmol/L.[0017](2)金属基带丙酮清洗:按图2所示安装好柔性金属带材，将1800毫升丙酮分别倒入图2所示3个液槽中，保证能淹没金属带材，三个液槽置入盛水的超声容器中，超声设备工作，同时使金属带材以40米/小时的速度顺序经过三个丙酮液槽。往返工作3次。
[0018](3)金属基带乙醇清洗:把步骤(2)中三个液槽换为乙醇，超声设备工作，金属带材以60米/小时的速度顺序经过三个乙醇液槽。往返工作3次，最后一次把管式炉打开，A、B、C三段温度都设定为250度。
[0019](4)涂覆并热处理前驱液1:在图2所示的3个液槽中分别盛600毫升前驱液I,先开启管式炉2、4、6，三个温区的温差相等，为10度，设定C区温度为580度，金属带材以60米/小时的速度经过液槽，然后加热。金属基带向右走完后，再向左走，此时关闭2、4、6管式炉，开启1、3、5管式炉，三个温区的温差相等，为10度，设定C区温度为580度，金属带材以60米/小时的速度经过液槽，然后加热。这样重复2次，表面粗糙度为1.0纳米。
[0020](5)利用多通道离子束辅助沉积设备，采用射频磁控溅射氧化镁靶材，氩离子以一定角度辅助轰击制备双轴织构氧化镁薄膜，制得双轴织构氧化镁层的厚度为12纳米。
[0021](6)采用多通道设备射频磁控溅射锰酸镧靶材，制备锰酸镧薄膜，氧气压力0.5Pa，基带加热温度700度，膜厚60纳米。
[0022](7)采用多通道设备直流反应溅射制备氧化铈，氧气压力5Pa，基带加热温度680度，厚度40纳米。
[0023]最终得到适合于REBCO超导层生长的低成本多层膜模板。
[0024]实施例二:哈氏合金C-276上适合于REBCO超导层生长的低成本多层膜模板的制备，包括下述步骤:
(O配制前驱液1:将硝酸铝与乙醇溶剂按预定比例溶解，使用超声波震荡加快溶解，待完全溶解后，加入一定比例的醋酸钇，搅拌加热到60度加快溶解，然后加入再加入乙醇，使前驱液I中，铝离子与钇离子浓度之比为1:1，铝离子浓度为0.2mol/l。
[0025](2)金属基带丙酮清洗:按图2所示安装好柔性金属带材，将1800毫升丙酮分别倒入图2所示3个液槽中，保证能淹没金属带材，三个液槽置入盛水的超声容器中，超声设备工作，同时使金属带材以40米/小时的速度顺序经过三个丙酮液槽。往返工作3次。
[0026](3)金属基带乙醇清洗:把步骤(2)中三个液槽换为乙醇，超声设备工作，金属带材以50米/小时的速度顺序经过三个乙醇液槽。往返工作3次，最后一次把管式炉打开，A、B、C三段温度都设定为240度。
[0027](4)涂覆并热处理前驱液1:在图2所示的3个液槽中分别盛600毫升前驱液I,先开启管式炉2、4、6，三个温区的温差相等，为10度，设定C区温度为570度，金属带材以50米/小时的速度经过液槽，然后加热。金属基带向右走完后，再向左走，此时关闭2、4、6管式炉，开启1、3、5管式炉，三个温区的温差相等，为10度，设定C区温度为570度，金属带材以50米/小时的速度经过液槽，然后加热。这样重复3次，表面粗糙度为0.8纳米。
[0028](5)利用多通道离子束辅助沉积设备，采用射频磁控溅射氧化镁靶材，氩离子以一定角度辅助轰 击制备双轴织构氧化镁薄膜，制得双轴织构氧化镁层的厚度为16纳米。
[0029](6)采用多通道设备射频磁控溅射锰酸镧靶材，制备锰酸镧薄膜，氧气压力0.!Pa,基带加热温度710度，膜厚50纳米。
[0030](7)采用多通道设备直流反应溅射制备氧化铈，氧气压力10Pa，基带加热温度690度，厚度60纳米。
[0031] 最终得到适合于REBCO超导层生长的低成本多层膜模板。
【权利要求】
1.一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)金属基带表面清洗； (2)采用化学溶液平坦化方法(SDP)在金属基带上制备隔离层； (3)采用离子束辅助射频磁控溅射方法(IBAD-MgO)在隔离层上制备双轴织构氧化镁层； (4)采用射频磁控溅射方法在双轴织构氧化镁层上制备锰酸镧层； (5)采用直流磁控反应溅射方法在锰酸镧层上制备氧化铈层。
2.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(1)中采用我们自己的专利设备，一种柔性金属带材表面快速化学溶液平坦化设备清洗金属基带表面；步骤(2)采用同样的设备，连续走带、阶梯加热、多通道重复化学溶液平整化方法制备非晶氧化物多层膜作为隔离层，厚度范围800-1500纳米，表面平均粗糙度小于 2纳米。
3.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(3)中利用多通道离子束辅助沉积设备，采用射频磁控溅射氧化镁，氩离子辅助轰击制备双轴织构氧化镁薄膜。
4.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(3)中制备的双轴织构氧化镁薄膜厚度范围8-25纳米。
5.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(4)采用多通道设备，射频磁控溅射制备锰酸镧薄膜，基带加热温度范围 650-750 度。
6.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(4)采用多通道设备，射频磁控溅射制备锰酸镧薄膜，氧气压力范围0.05_10Pa。
7.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(4)采用多通道设备，射频磁控溅射制备锰酸镧薄膜，厚度范围40-80纳米。
8.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(5)采用多通道设备，直流反应溅射制备氧化铈，基带加热温度范围650-750 度。
9.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(5)采用多通道设备，直流反应溅射制备氧化铈，氧气压力范围0.l_20Pa。
10.如权利要求1所述的一种金属基带上适用于REBCO超导层生长的模板制备方法，其特征在于所述的步骤(5)采用多通道设备，直流反应溅射制备氧化铈，厚度范围20-80纳米。
【文档编号】C23C14/08GK103993277SQ201410217749
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】赵遵成, 田晓光, 卢涛, 杨广军 申请人:赵遵成