专利名称：(103)取向的钇钡铜氧高温超导薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及高温超导技术领域，更具体地说，涉及一种(10 取向的钇钡铜氧高温超导薄膜的制备方法。
背景技术：
钇钡铜氧超导体(YBCO)的化学式为YB Cu307_s，是一种高温超导体材料，超导临界转变温度约90K。YBCO超导相是类似于ABO3型的畸变钙钛矿结构，但是由于氧原子的缺失，其晶体结构具有正交特性，属于第二类超导体。YBCO高温超导材料的室温晶格常数大约为 a = 0. 38227nm, b = 0. 38872nm 禾口 c = 1. 1680nm。YBCO薄膜的制备方法有多种，一般采用真空沉积技术在与YBCO晶格常数比较接近的单晶基片上进行外延生长。(100)取向的MgO单晶基片是目前在电子和微波电子工业中的常用基片，具有价格低、微波损耗小等特点。PLD方法可以在600 750°C基片温度和适当的氧气氛下，在(100)取向的MgO单晶基片上原位外延生长c轴和a轴取向TOCO薄膜。 但是，YBCO是一种具有畸变钙钛矿结构的多元铜氧化物，性能与成分以及相结构有很大关系。在600 750°C下，由于(100)取向的MgO单晶基片和(103)取向的YBCO的晶格常数相差较大，晶格匹配度较差，因此，现有技术不能在(100)取向的MgO单晶基片上直接原位外延生长(10;3HBC0高温超导薄膜。现有技术中，(103HBC0薄膜的制备一般采用(110)取向的SrTiO3或(110)取向的MgO单晶基片作为衬底来诱导(103)取向的YBCO的外延生长。例如，先将单晶SrTiO3 沿(110)切割得到沉积的基片，然后采用真空沉积技术外延生长出(103HBC0薄膜[Appl. Phys. Lett. 64, (1994) 1286 ；Physica C 323，(1999)51-64]。由于 SrTi03 或 MgO 单晶基片的自然解理面为(100)，制备(110)取向的31~1103或1%0单晶基片比较困难而且成本较高；此外，在(110)取向SrTiO3或MgO单晶基片上制备的TOCO薄膜会诱导薄膜在(103)和 (103) 二种方向上生长，薄膜表面比较粗糙，超导性能也较差。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种(103)取向的钇钡铜氧高温超导薄膜的制备方法，该方法在(100)取向的MgO单晶基片直接原位外延生长(10 取向的 YBCO高温超导薄膜。本发明提供一种(10 取向的钇钡铜氧高温超导薄膜的制备方法，包括将(100)取向的MgO单晶基片放置在真空沉积装置生长室的样品台；以YBa2Cu3CVs为靶材，先抽生长室真空度至10_3 10_6Pa之间，再向所述生长室中通入工作气体氧气至2 10 的压强、样品台温度加热至800 850°C区间，在所述(100) 取向的MgO单晶基片上沉积生长出(103)取向的钇钡铜氧高温超导薄膜。优选的，所述在所述(100)取向的MgO单晶基片上沉积钇钡铜氧高温超导薄膜后还包括
向所述生长室内通入氧气，将所述沉积有钇钡铜氧高温超导薄膜的(100)取向的 MgO单晶基片在450 550°C的温度、0. 8 1. 5 X IO5Pa的压强下保温0. 5 2h。优选的，所述真空沉积装置为脉冲激光沉积仪。优选的，所述脉冲激光沉积仪的脉冲激光能量密度为2 3J/cm2。优选的，所述脉冲激光沉积仪的激光频率为1 5Hz。优选的，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的压强为4 8Pa。优选的，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的压强为5Pa。优选的，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的温度为800 830°C。优选的，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的温度为810°C。优选的，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜的时间为0. 5 证。从上述的技术方案可以看出，本发明提供一种钇钡铜氧高温超导薄膜的制备方法，该方法以YBa2Cu3CVs为靶材，利用真空沉积装置，在2 10 的氧气氛、800 850°C的温度下在(100)取向的MgO单晶基片上沉积外延生长钇钡铜氧高温超导薄膜。与现有技术中在600 750°C下进行真空沉积相比，本发明在2 101 的压强、800 850°C的温度下对(100)取向的MgO单晶基片进行沉积外延生长。由于(103)取向的YBCO的晶格常数热膨胀系数大于(100)取向的MgO单晶基片的晶格常数热膨胀系数，在上述温度下，两个(103) 取向的YBCO晶格和三个(100)取向的MgO的晶格有比较接近的晶格匹配关系，因此，实现了在(100)取向的MgO单晶基片直接原位外延生长(103)取向的YBCO高温超导薄膜。实验结果表明，本发明制备的钇钡铜氧高温超导薄膜具有良好的(10 择优方向，薄膜表面平整，结晶性好，超导转变温度在90K左右。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例1公开的钇钡铜氧高温超导薄膜的XRD图谱；图2为本发明实施例1公开的钇钡铜氧高温超导薄膜的SEM图；图3为本发明实施例1公开的钇钡铜氧高温超导薄膜的电阻温度曲线；图4为本发明实施例2公开的钇钡铜氧高温超导薄膜的XRD图谱；图5为本发明实施例3公开的钇钡铜氧高温超导薄膜的XRD图谱。
具体实施例方式下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明公开了一种(103)取向的钇钡铜氧高温超导薄膜的制备方法，包括将(100)取向的MgO单晶基片放置在真空沉积装置生长室的样品台；
以YBa2Cu3CVs为靶材，先抽生长室真空度至10_3 10_6Pa之间，再向所述生长室中通入工作气体氧气至2 10 的压强、样品台温度加热至800 850°C区间，在所述(100) 取向的MgO单晶基片上沉积生长出(103)取向的钇钡铜氧高温超导薄膜。按照本发明，所述在所述(100)取向的MgO单晶基片上沉积外延生长钇钡铜氧高温超导薄膜后还优选包括向所述生长室内通入氧气，将所述沉积有钇钡铜氧高温超导薄膜的(100)取向的 MgO单晶基片在450 550°C的温度、0. 8 1. 5 X IO5Pa的压强下保温0. 5 2h，目的是使 YBCO薄膜获得合适的氧组分；将保温后的沉积有钇钡铜氧高温超导薄膜的(100)取向的MgO单晶基片以10 30 0C /min的速率降至室温。所述真空沉积装置包括但不限于脉冲激光沉积仪(PLD)、磁控溅射仪 (Sputtering)或金属有机化学气相沉积仪(MOCVD)，优选为脉冲激光沉积仪(PLD)。对于采用脉冲激光沉积仪(PLD)时，所述脉冲激光沉积仪的脉冲激光能量密度优选为2 3J/ cm2，更优选为2J/cm2。所述脉冲激光沉积仪的激光频率优选为1 5Hz，更优选为2Hz。所述将(100)取向的MgO单晶基片放入真空沉积装置时，所述真空沉积装置的真空度优选为 IX KT5Pa IXlO-6Pa0所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的压强限定为2 10Pa，优选为4 8Pa，更优选为5Pa。本发明优选以15 30°C /min的速率将(100)取向的MgO单晶基片加热至 550 650°C，然后以8 15°C /min的速率加热至800 850°C。所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的温度限定为800 850°C，优选为800 830°C，更优选为810°C。由于本发明采用的(100)取向的MgO单晶基片和(103)取向的YBCO的晶格常数相差较大，晶格匹配度较差，因此，现有技术尚未能实现在(103)取向的YBCO在(100)取向的MgO上外延生长。本发明在上述温度和压强下对(100)取向的MgO单晶基片进行沉积外延生长，随着基片温度的升高，(103)取向的YBCO和(100)取向的MgO单晶基片的晶格常数发生膨胀，且YBCO的热膨胀系数要大于MgO的热膨胀系数，从而使两个(103)取向的YBCO 晶格和三个(100)取向的MgO的晶格有比较接近的晶格匹配关系，因此，实现了在(100)取向的MgO单晶基片直接原位外延生长(103)取向的YBCO高温超导薄膜。本发明对沉积钇钡铜氧高温超导薄膜的时间并无特别限制，优选为0. 5 证，更优选为1 2h。沉积时间与沉积的钇钡铜氧高温超导薄膜的厚度相关，沉积时间越长，薄膜厚度越大；沉积时间越短，薄膜厚度越小。为了进一步说明本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。实施例1将清洗干净的(100)取向的MgO单晶基片固定在PLD生长室的加热台上，将YBCO 靶材固定在靶位上；调整(100)取向的MgO单晶基片和靶的位置，使靶基距为4.5cm，且使激光入射方向与靶表面法线方向成45°角；对PLD生长室抽真空，使生长室的真空度为6. 0X10_4Pa ；
以20°C /min的速率将基片加热至600°C，再以10°C /min的速率加热至810°C，通入工作气体氧气，调整进气阀与抽气阀门，使真空腔内压强保持5Pa ；调节脉冲激光，使激光能量密度为2J/cm2，频率为2Hz，在所述(100)取向的MgO单晶基片上沉积外延生长钇钡铜氧高温超导薄膜，沉积时间为60分钟；停止沉积后以15°C /min的速率将基片温度降至500°C，并通入一个大气压的氧气保温60分钟；通氧保温后，以20°C /min的速率将基片温度降至室温，取出YBCO薄膜。将本实施例制备的YBCO薄膜通过台阶仪测量，所述YBCO薄膜的厚度约为200nm ； 如图1所示，XRD测量表明YBCO薄膜具有(103)择优方向；如图2所示，扫描电镜SEM观察薄膜表面平整、结晶性好；原子力显微镜测量薄膜表面粗糙度均方根值在8nm左右；如图3所示，薄膜的电阻温度曲线表明薄膜的临界转变温度T。在90K左右。本实施例制备的YBCO薄膜和MgO单晶基片的外延取向关系是面外(103)_//(100)MgQ ；面内OOlW/XlOO^。。实施例2将清洗干净的(100)取向的MgO单晶基片固定在PLD生长室的加热台上，将YBCO 靶材固定在靶位上；调整(100)取向的MgO单晶基片和靶的位置，使靶基距为4.5cm，且使激光入射方向与靶表面法线方向成45°角；对PLD生长室抽真空，使生长室的真空度为6. OX 10_4Pa ；以20°C /min的速率将基片加热至600°C，再以10°C /min的速率加热至830°C，通入工作气体氧气，调整进气阀与抽气阀门，使真空腔内压强保持5Pa ；调节脉冲激光，使激光能量密度为2J/cm2，频率为2Hz，在所述(100)取向的MgO单晶基片上沉积外延生长钇钡铜氧高温超导薄膜，沉积时间为80分钟；停止沉积后以15°C /min的速率将基片温度降至500°C，并通入一个大气压的氧气保温60分钟；通氧保温后，以20°C /min的速率将基片温度降至室温，取出YBCO薄膜。如图4所示，XRD测量表明TOCO薄膜具有(103)择优方向。本实施例制备的YBCO薄膜和MgO单晶基片的外延取向关系是面外(103)_//(100)MgQ ；面内OOlW/XlOO^。。实施例3将清洗干净的(100)取向的MgO单晶基片固定在PLD真空腔加热台上；将TOCO靶材固定在靶位上；调整(100)取向的MgO单晶基片和靶的位置，使靶基距为4.5cm，且使激光入射方向与靶表面法线方向成45°角；对PLD生长室抽真空，使生长室的真空度为6. OX 10_4Pa ；以20°C /min的速率将基片加热至600°C，再以10°C /min的速率加热至850°C，通入工作气体氧气，调整进气阀与抽气阀门，使真空腔内压强保持5Pa ；调节脉冲激光，使激光能量密度为2 J/cm2，频率为2Hz，在所述(100)取向的MgO 单晶基片上沉积外延生长钇钡铜氧高温超导薄膜，沉积时间为60分钟；停止沉积后以15°C /min的速率将基片温度降至500°C，并通入一个大气压的氧气保温60分钟；
通氧保温后，以20°C /min的速率将基片温度降至室温，取出YBCO薄膜。如图5所示，XRD测量表明TOCO薄膜在850°C时出现(103)取向和a轴取向共存。本实施例制备的YBCO薄膜和MgO单晶基片的外延取向关系是面外(103)_// (IOO)ms0 ；面内 <301>YBC。/7<100>Mg。。从上述实施例可以看出，本发明以TOii2Cu307_s为靶材，利用真空沉积装置，在2 IOPa的压强、800 850°C的温度下在(100)取向的MgO单晶基片上沉积外延生长钇钡铜氧高温超导薄膜，因此，实现了在(100)取向的MgO单晶基片直接原位外延生长(103HBC0高温超导薄膜。实验结果表明，本发明制备的钇钡铜氧高温超导薄膜具有良好的(10 择优方向，薄膜表面平整，结晶性好，超导转变温度在90K左右。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种(10 取向的钇钡铜氧高温超导薄膜的制备方法，其特征在于，包括 将(100)取向的MgO单晶基片放置在真空沉积装置生长室的样品台；以YB Cu307_s为靶材，先抽生长室真空度至10_3 10_6Pa之间，再向所述生长室中通入氧气至2 101 的压强、样品台温度加热至800 850°C区间，在所述(100)取向的MgO 单晶基片上沉积生长出(10 取向的钇钡铜氧高温超导薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在所述(100)取向的MgO单晶基片上沉积钇钡铜氧高温超导薄膜后还包括向所述生长室内通入氧气，将所述沉积有钇钡铜氧高温超导薄膜的(100)取向的MgO 单晶基片在450 550°C的温度、0. 8X IO5 1. 5 X IO5Pa的压强下保温0. 5 2h。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空沉积装置为脉冲激光沉积仪。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光沉积仪的脉冲激光能量密度为2 3J/cm2。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光沉积仪的激光频率为 1 5Hz。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的压强为4 8Pa。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的压强为5Pa。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的温度为800 830°C。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜时的温度为810°C。
10.根据权利要求1 9任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述沉积钇钡铜氧高温超导薄膜的时间为0. 5 证。
全文摘要
本发明实施例公开了一种(103)取向的钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-δ，YBCO)高温超导薄膜的制备方法，该方法以YBCO为靶材，利用真空沉积装置，在2～10Pa的压强、800～850℃的温度下在(100)取向的MgO单晶基片上沉积外延生长YBCO超导薄膜。在上述条件下，两个(103)取向的YBCO晶格和三个(100)取向的MgO的晶格有比较接近的晶格匹配关系，因此，实现了在(100)取向的MgO单晶基片直接原位外延生长(103)取向的YBCO高温超导薄膜。实验结果表明，本发明制备的钇钡铜氧高温超导薄膜具有良好的(103)择优方向，薄膜表面平整，结晶性好，超导临界转变在90K左右。
文档编号H01B12/06GK102383191SQ20101027254
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者苏晓东 申请人:苏州大学