使用ybco/lao种膜制备宽裂纹间距的rebco高温超导厚膜的方法

文档序号:7129773阅读:433来源:国知局
专利名称:使用ybco/lao种膜制备宽裂纹间距的rebco高温超导厚膜的方法
技术领域
本发明涉及一种高温超导材料的制备方法,尤其涉及一种制备宽裂纹间距的REBCO超导厚膜的方法。
背景技术
超导体最早是在1911年的时候被发现的,它具有两个主要特性零电阻以及完全抗磁性。这些奇特的性质使它在很多领域具有应用潜力,例如,在电力工业中用超导电缆可实现无损耗输电,超导电机可突破常规发电机的极限容量;用超导线圈制成的超导磁体不仅体积小、重量轻、而且损耗小、所需的励磁功率小,可获得强磁场。但是其极低的温度使其应用受到了极大的限制,因此研制具有较高临界温度的超导体成为热点。
临界温度在液氮温度(77K)以上的超导体被称为高温超导体。液氮温度以上的超导体的发现,使得普通的物理实验室具备了进行超导实验的条件。目前,高温超导体包括四大类90K的稀土系、IIOK的铋系、125Κ的铊系和135Κ的汞系。其中,由于REBa2Cu3Ox (简称REBC0、RE123、稀土钡铜氧,其中RE代表稀土元素)具有高于液氮温度的超导转变温度Tc,其在低于转变温度Tc的温度环境下表现出迈斯纳效应和零电阻效应等特性。REBCO超导厚膜在诸如限流器、带通滤波器等超导器件方面具有许多潜在的应用。液相外延(Liquid Phase Epitaxy, LPE)被普遍认为是一种极具潜力的REBCO超导厚膜的制备方法。在液相外延生长REBCO超导厚膜的过程中,籽晶被固定在连接杆上缓慢靠近饱和溶液表面,作为唯一的形核点诱导REBCO超导厚膜的生长。由于LPE的生长条件接近平衡态,使用薄膜材料作为籽晶诱导生长得到的厚膜具有低缺陷、高平整度、高结晶性能等特点。另外,由于LPE在非真空条件下进行,因而这种方法具有制备成本低等优点。并且与一般的成膜技术相比,LPE具有较快的生长速度。在液相外延生长REBCO超导厚膜时,YBCO/MgO和NGO是两种被广泛选用的种膜(籽晶)。但是,对于YBCO/MgO种膜,其MgO基板与YBCO薄膜很大的失配度;对于NGO种膜,其诱导生长的REBCO超导厚膜通常具有密集的裂纹,即裂纹间距很窄,通常只有几十微米,此缺陷非常不利于超导器件的设计与研发。可见,探索用于液相外延生长REBCO超导厚膜的新籽晶材料显得至关重要。因此,本领域的技术人员致力于开发一种液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,探索用于进行液相外延生长REBCO超导厚膜的新籽晶材料。

发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是提供一种液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,探索使用YBC0/LA0薄膜作为种膜进行液相外延生长REBCO超导厚膜。
为实现上述目的,本发明提供了一种液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其特征在于,包括步骤第一步、取用BaCO3粉末和CuO粉末进行配料,获得BaC03+Cu0粉料,所述BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩尔比为O. 3-0. 8 ; 第二步、对所述BaC03+Cu0粉料进行预处理后烧结形成Ba-Cu-O粉末;第三步、将所述Ba-Cu-O粉末加入到RE203材料的坩埚中加热至第一温度,并继而保温,获得RE-Ba-Cu-O溶液;第四步、将所述RE-Ba-Cu-O溶液冷却至第二温度,使用YBC0/LA0薄膜作为种膜,将所述YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触所述RE-Ba-Cu-O溶液,采用顶部籽晶提拉法液相外延生长REBCO超导厚膜。进一步地,所述第二步中的所述预处理包括 对所述BaC03+Cu0粉料进行湿磨以获得BaC03+Cu0浆料,湿磨时间为2_4小时;烘干所述BaC03+Cu0浆料。进一步地,所述第二步中的所述烧结为将经过所述预处理的所述BaC03+Cu0粉料在890-91 (TC保温40-50小时。进一步地,进行所述湿磨时在所述BaC03+Cu0粉料中加入的液体为无水乙醇。进一步地,所述第一温度为所述REBCO的包晶温度以上10_40°C。进一步地,所述保温的时间为20-24小时。进一步地,所述第二温度为所述REBCO的包晶温度以下5-10°C。进一步地,所述顶部籽晶提拉法液相外延生长的工艺参数为籽晶杆的旋转速度为 40-100rpm,生长时间为 O. 5_4min。进一步地,所述YBC0/LA0薄膜是通过在LAO单晶上沉积YBCO薄膜形成的。进一步地,所述RE为Y或Sm。在本发明的一个较佳实施方式中,采用本发明的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法生长了 YBCO超导厚膜,包括步骤取用BaCO3粉末和CuO粉末进行配料,获得BaC03+Cu0粉料;对BaC03+Cu0粉料进行预处理后烧结形成Ba-Cu-O粉末;将Ba-Cu-O粉末加入到Y2O3材料的坩埚中加热至1020°C,并继而保温24小时,获得Y-Ba-Cu-O溶液;将Y-Ba-Cu-O溶液冷却至997°C,使用尺寸为3mmX IOmm的YBC0/LA0薄膜作为种膜,将YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触Y-Ba-Cu-O溶液,采用顶部籽晶提拉法液相外延生长YBCO超导厚膜。在本发明的另一个较佳实施方式中,采用本发明的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法生长了SmBCO超导厚膜,包括步骤取用BaCO3粉末和CuO粉末进行配料,获得BaC03+Cu0粉料;对BaC03+Cu0粉料进行预处理后烧结形成Ba-Cu-O粉末;将Ba-Cu-O粉末加入到Sm2O3材料的坩埚中加热至1080°C,并继而保温24小时,获得Sm-Ba-Cu-O溶液;将Sm-Ba-Cu-O溶液冷却至1057°C,使用尺寸为3mmX IOmm的YBC0/LA0薄膜作为种膜,将YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触Sm-Ba-Cu-O溶液,采用顶部籽晶提拉法液相外延生长SmBCO超导厚膜。由此可见,本发明实现了采用YBC0/LA0薄膜作为种膜,液相外延生长REBCO超导厚膜,由此证明了使用YBC0/LA0薄膜作为种膜液相外延生长REBCO超导厚膜的可行性。由于YBC0/LA0薄膜具有如下优点一、LAO基板与YBCO氧化物超导体的晶格失配度非常小;二、相较于NGO基板,LAO基板和YBCO氧化物超导体的热膨胀系数更接近;三、YBCO在各种REBCO高温超导膜的制备工艺中最为成熟,并且工艺简单,重复性好;四、沉积在LAO基板上的YBCO薄膜具有高于沉积在MgO基板上的YB⑶薄膜50°C以上的过热,高于NdBC0、SmBC0、GdBCO等典型REBCO高温超导体的包晶温度(Tp),因此,YBC0/LA0薄膜是液相外延生长高晶质REBCO高温超导厚膜的又一优质籽晶。这种新型籽晶具有易制备、高质量、易切割、高热稳定性等特点。这样,一方面可以在难以制备具有高熔点、高质量REBCO超导薄膜的情况下,用低熔点的YBC0/LA0种膜外延生长出高质量、高熔点的REBCO超导厚膜;另一方面,通过合理控制LPE生长的工艺参数,可以用YBC0/LA0薄膜作为种膜,制备出接近毫米量级无裂纹的REBCO超导厚膜。可见,本发明促进了 REBCO高温超导器件设计与研发领域的发展,对高温超导器件的研制开发具有重要意义。以下将对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
具体实施例方式在本发明的第一个实施例中,采用本发明的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法 生长了 YBCO超导厚膜,具体步骤为第一步、取用BaCO3粉末和CuO粉末进行配料,获得BaC03+Cu0粉料,BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩尔比为O. 6。具体BaCO3粉末和CuO粉末的取用量可以根据所要生长的YBCO超导厚膜进行确定,完成配料后获得的BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩尔比为O. 6。其中,BaC03+Cu0粉料为由BaCO3粉末和CuO粉末混合后获得的粉料。第二步、对经过第一步获得的BaC03+Cu0粉料进行预处理后烧结形成Ba-Cu-O粉末。首先,对经过第一步获得的BaC03+Cu0粉料进行预处理,预处理包括I、对BaC03+Cu0粉料进行湿磨以获得BaC03+Cu0浆料,湿磨时间为2_4小时。本实施例中,在BaC03+Cu0粉料中加入无水乙醇进行湿磨,湿磨时间设定为3小时;在本发明的其它实施例中,也可以在BaC03+Cu0粉料中加入纯净水进行湿磨。2、烘干 BaC03+Cu0 浆料。然后,烧结经过预处理的BaC03+Cu0粉料,将其在890_910°C保温40_50小时,形成均匀的Ba-Cu-O粉末。本实施例中,设定保温的温度为900°C,保温的时间为48小时。第三步、将经过第二步获得的Ba-Cu-O粉末加入到Y2O3材料的坩埚中加热至第一温度,并继而保温,获得Y-Ba-Cu-O溶液。其中,第一温度为YBCO的包晶温度以上10_40°C,保温的时间为20-24小时。本实施例中,设定第一温度为1020°C (即YBCO的包晶温度以上15°C ),设定保温的时间为24小时。由此,Ba-Cu-O粉末均匀熔化,获得Y-Ba-Cu-O溶液。第四步、将经过第三步获得的Y-Ba-Cu-O溶液冷却至第二温度,使用YBC0/LA0薄膜作为种膜,将YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触Y-Ba-Cu-O溶液,采用顶部籽晶提拉法液相外延生长YBCO超导厚膜。其中,第二温度为YBCO的包晶温度以下5-10°C。本实施例中,设定第二温度为997 0C (即YBCO的包晶温度以下8°C )。
YBCO/LAO薄膜是通过在LAO单晶基板上沉积YBCO薄膜形成的,本实施例中采用尺寸为3mmX IOmmXO. 5mm的YBC0/LA0薄膜作为种膜,其中YBC0/LA0薄膜的长度为10mm,宽度为3mm,厚度为O. 5mm。在进行顶部籽晶提拉法液相外延生长YBCO超导厚膜时,将该YBC0/LA0薄膜装载在陶瓷杆(即籽晶杆)的端部,YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触坩埚内的Y-Ba-Cu-O溶液。生长过程中具体工艺参数为籽晶杆的旋转速度为40-100rpm,生长时间为O. 5-4min。本实施例中,设定旋转速度为80rpm,生长时间为3min。完成YBCO超导厚膜的生长后,以40mm/min的速度将该YBCO超导厚膜提出,由此获得YBCO超导厚膜。在本发明的第二个实施例中,采用本发明的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法生长了 SmBCO超导厚膜,具体步骤为第一步、取用BaCO3粉末和CuO粉末进行配料,获得BaC03+Cu0粉料,BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩尔比为O. 6。`
具体BaCO3粉末和CuO粉末的取用量可以根据所要生长的SmBCO超导厚膜进行确定,完成配料后获得的BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩尔比为O. 6。其中,BaC03+Cu0粉料为由BaCO3粉末和CuO粉末混合后获得的粉料。第二步、对经过第一步获得的BaC03+Cu0粉料进行预处理后烧结形成Ba-Cu-O粉末。首先,对经过第一步获得的BaC03+Cu0粉料进行预处理,预处理包括I、对BaC03+Cu0粉料进行湿磨以获得BaC03+Cu0浆料,湿磨时间为2_4小时。本实施例中,在BaC03+Cu0粉料中加入无水乙醇进行湿磨,湿磨时间设定为3小时;在本发明的其它实施例中,也可以在BaC03+Cu0粉料中加入纯净水进行湿磨。2、烘干 BaC03+Cu0 浆料。然后,烧结经过预处理的BaC03+Cu0粉料,将其在890_910°C保温40_50小时,形成均匀的Ba-Cu-O粉末。本实施例中,设定保温的温度为900°C,保温的时间为48小时。第三步、将经过第二步获得的Ba-Cu-O粉末加入到Sm2O3材料的坩埚中加热至第一温度,并继而保温,获得Sm-Ba-Cu-O溶液。其中,第一温度为SmBCO的包晶温度以上10_40°C,保温的时间为20_24小时。本实施例中,设定第一温度为1080°C (即SmBCO的包晶温度以上15°C ),设定保温的时间为24小时。由此,Ba-Cu-O粉末均匀熔化,获得Sm-Ba-Cu-O溶液。第四步、将经过第三步获得的Sm-Ba-Cu-O溶液冷却至第二温度,使用YBC0/LA0薄膜作为种膜,将YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触Sm-Ba-Cu-O溶液,采用顶部籽晶提拉法液相外延生长SmBCO超导厚膜。其中,第二温度为SmBCO的包晶温度以下5-10°C。本实施例中,设定第二温度为1057°C (即SmBCO的包晶温度以下8°C )。YBC0/LA0薄膜是通过在LAO单晶基板上沉积YBCO薄膜形成的,本实施例中采用尺寸为3mmX I OmmXO. 5mm的YBC0/LA0薄膜作为种膜,其中YBC0/LA0薄膜的长度为10mm,宽度为3mm,厚度为0. 5mm。在进行顶部籽晶提拉法液相外延生长SmBCO超导厚膜时,将该YBC0/LA0薄膜装载在陶瓷杆(即籽晶杆)端部,YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触坩埚内的Sm-Ba-Cu-O溶液。生长过程中具体工艺参数为籽晶杆的旋转速度为40_100rpm,生长时间为O. 5-4min。本实施例中,设定旋转速度为50rpm,生长时间为40s。完成SmBCO超导厚膜的生长后,以40mm/min的速度将该SmBCO超导厚膜提出,由此获得SmBCO超导厚膜。通过对外延在YBC0/LA0上的YBCO超导厚膜和SmBCO超导厚膜中的裂纹的研究,发现厚膜的最宽的近邻裂纹间距接近毫米量级,是NGO上同等厚度的厚膜的近邻裂纹间距的数倍。另外,在使用YBC0/LA0薄膜作为种膜,液相外延生长SmBCO超导厚膜的过程中,发现在高于YBCO包晶温度(Tp) 50°C以上YBCO薄膜仍未完全融化。结合高温金相显微镜的实验结果,进一步发现YBC0/LA0薄膜具有高于YB CO/MgO薄膜50°C以上的过热行为(即高于YBCO的分解温度而不完全分解),表明YBC0/LA0薄膜适合于用作生长SmBC0、NdBC0等材料的种膜。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其特征在于,包括步骤 第一步、取用BaCO3粉末和CuO粉末进行配料,获得BaC03+Cu0粉料,所述BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩尔比为O. 3-0. 8 ; 第二步、对所述BaC03+Cu0粉料进行预处理后烧结形成Ba-Cu-O粉末; 第三步、将所述Ba-Cu-O粉末加入到RE2O3材料的坩埚中加热至第一温度,并继而保温,获得RE-Ba-Cu-O溶液; 第四步、将所述RE-Ba-Cu-O溶液冷却至第二温度,使用YBC0/LA0薄膜作为种膜,将所述YBC0/LA0薄膜的YBCO层的表面接触所述RE-Ba-Cu-O溶液,采用顶部籽晶提拉法液相外延生长REBCO超导厚膜。
2.如权利要求I所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述第二步中的所述预处理包括 对所述BaC03+Cu0粉料进行湿磨以获得BaC03+Cu0浆料,湿磨时间为2_4小时; 烘干所述BaC03+Cu0浆料。
3.如权利要求2所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述第二步中的所述烧结为将经过所述预处理的所述BaC03+Cu0粉料在890-910°C保温40-50小时。
4.如权利要求3所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中进行所述湿磨时在所述BaC03+Cu0粉料中加入的液体为无水乙醇。
5.如前面任何一个权利要求所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述第一温度为所述REBCO的包晶温度以上10-40°C。
6.如权利要求5所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述保温的时间为20-24小时。
7.如权利要求6所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述第二温度为所述REBCO的包晶温度以下5-10°C。
8.如权利要求7所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述顶部籽晶提拉法液相外延生长的工艺参数为籽晶杆的旋转速度为40-100rpm,生长时间为O. 5_4min。
9.如权利要求8所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述YBC0/LA0薄膜是通过在LAO单晶上沉积YBCO薄膜形成的。
10.如权利要求9所述的液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,其中所述RE为Y或Sm。
全文摘要
使用YBCO/LAO种膜制备宽裂纹间距的REBCO高温超导厚膜的方法。本发明公开了一种液相外延生长REBCO超导厚膜的方法,包括步骤取用BaCO3粉末和CuO粉末进行配料,获得BaCO3+CuO粉料;对BaCO3+CuO粉料进行预处理后烧结形成Ba-Cu-O粉末;将Ba-Cu-O粉末加入到RE2O3材料的坩埚中加热并继而保温,获得RE-Ba-Cu-O溶液;将RE-Ba-Cu-O溶液冷却,使用YBCO/LAO薄膜作为种膜,采用顶部籽晶提拉法液相外延生长REBCO超导厚膜。本发明证明了使用YBCO/LAO种膜来液相外延生长REBCO超导厚膜的可行性及该种膜的优点,由此探索得到了进行液相外延生长REBCO超导厚膜的新籽晶材料,对高温超导器件的研发具有重要意义。
文档编号H01L39/12GK102877124SQ201210353598
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者姚忻, 郭林山, 陈媛媛, 程玲 申请人:上海交通大学
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