专利名称：氧气氛控制钇钡铜氧超导厚膜面内取向生长的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氧气氛控制钇钡铜氧超导厚膜面内取向生长的制备方法， 通过改变液相外延生长环境中的氧含量，得到具有特定面内取向的高品质钇钡 铜氧超导厚膜。属于高温超导材料制备技术领域。
背景技术：
自从科学家发现REBa2Oi30z (简称REBCO、稀土钡铜氧)这种具有巨大 应用前途的高温超导材料(High Temperature Superconductor,简称HTS)以来， 人们将大量研究精力集中于涂层超导材料以及各种与超导相关的电子器件等方 向。在高温超导线材和具有多层结构的超导器件等应用方面，以钇钡铜氧YBCO 为例，除了需要对YBCO超导层面外取向进行精确的控制，制备具有完美面内 取向的YBCO超导层对于获得优越的超导性能也十分关键。根据文献报导[D. Dimos, P. Chaudhari, J. Mannhart， and F. K. LeGoues, Orientation dependence of grain-boundary critical currents in YBa2Cu3。7-x bicrystals, Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 219]，一部分晶粒面内取向的变化所带来的小角度晶界对于超导薄膜的载流特性 影响非常大。实际上，沉积在MgO (001)衬底上的c轴取向YBCO晶粒普遍 的存在两种主要的面内取向0°取向和45°取向。前者的YBCO (100)方向平 行于MgO (100)方向，而后者的YBCO (100)方向和MgO (100)方向呈 45°夹角。 一般来说，如果在YBCO薄膜中这两种面内取向的晶粒同时存在，那 这种薄膜被定义为具有八重对称性，这种性质可以通过X射线衍射仪(XRD) 二维极图扫描等手段进行判断。不少文献中都提到，如果在MgO基板上沉积的 面内取向为纯0°的YBCO晶粒中混杂进少量的45。YBCO晶粒，临界电流密度 的数值将会大大下降。因此，关于具有不同面内取向的YBCO晶粒的热稳定性 以及载流特性的研究，对于涂层超导体材料和超导器件方面的应用是不可或缺 的。到目前为止，已经有大量关于YBCO薄膜在液相外延过程(liquid-phase
epitaxy, LPE)中优先生长机制的研究[K. Nomura, S. HosW， X. Yao， K. Kakimoto， Y. Nakamura, T. Izumi， and Y. Shiohara, Preferential growth mechanism of REBa2Cii30y (RE = Y, Nd) crystal on MgO substrate by liquid phase epitaxy, J. Mater. Res. 16 (2001) 979]。通常，以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜进行液相外 延生长的时候，最终得到的是面内取向单纯为0。的YBCO液相外延厚膜。也就 是说，在液相外延的过程中，所谓45°的YBCO晶粒由于其热稳定性不如0°的 晶粒而优先熔化了，另一方面(T的YBCO晶粒优先生长而成膜。关于此类优先 生长的现象，人们已经提出了一些基于晶格匹配度和界面键结合能的晶粒粗化 模型对其做出合理的分析和解释。但值得注意的是，前人在这方面的研究工作 都是在大气环境中完成的，并且仅能得到具有纯0。面内取向的YBCO超导厚膜， 而关于在其他类型的氧环境下优先生长现象的研究却鲜有实验数据。因此，通 过改变外界生长环境中的氧含量来控制YBCO超导厚膜的面内取向，不论在研 究优先生长的机制还是在实际应用的方面都具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种氧气氛控制钇钡铜氧超导 厚膜面内取向生长的制备方法，方法简易且成本低廉，能得到按照特定面内取 向生长的高质量准单晶钇钡铜氧超导厚膜。
为了实现上述目的，本发明利用液相外延生长装置，在纯氧气氛中制备 YBCO厚膜。按Ba/Cu原子比为0.5-0.7的比例配置Ba-Cu-O粉末，经研磨煅烧 后，放在Y203坩埚内加热熔化，得到Y-Ba-Cu-O熔体。将密闭熔炉里的气氛环 境改变为100%的纯氧气氛，并且把坩锅内熔体温度，整到低于YBCO包晶熔化 温度10-30 K，以具有八重对称性的钇钡铜氧薄膜为种膜，液相外延生长得到高 结晶品质的具有纯45°面内取向的钇钡铜氧超导厚膜。本发明通过气氛环境中氧 含量的改变，使原本只能制备纯0。面内取向YBCO厚膜的液相外延过程，在较 宽的温度范围内能得到具有纯45°面内取向的YBCO厚膜。
本发明采用100%的纯氧生长气氛来实现对材料结构的控制，实现具有纯 45。面内取向的YBCO厚膜的生长。不仅可以在YBCO厚膜的液相外延中提高生 长速率，而且能够有效控制厚膜的面内织构取向。
本发明的方法具体步骤如下
1) 用BaC03+CuO的粉末进行配料，控制Ba/Cu原子比为0.5-0.7;
2) 对BaC03+CuO粉末进行研磨，然后在850-950'C保温40-48小时进行 煅烧，烧结成均匀的Ba-Cu-O粉末；
3) 将Ba-Cu-0粉末加到放置在熔炉中的Y203坩埚内，将熔炉加热至YBCO 的包晶熔化温度以上30-40 K，并保温35-45小时使Ba-Cu-0粉末均匀熔化，得 到Y-Ba-Cu-0熔体；
4) 将熔炉里的气氛环境改变为100%的纯氧气氛，并且保持熔炉的密闭以 及气流的稳定性；
5) 将Y-Ba-Cu-0熔体冷却至YBCO的包晶熔化温度以下10-30 K，作为外 延生长温度；
6) 以具有八重对称性的钇钡铜氧薄膜为种膜，采取液相外延法生长YBCO 厚膜,生长时间l一3分钟，得到厚度为10—20微米具有纯45。面内取向的YBCO 超导厚膜。
本发明中利用了 ￥203坩埚的部分Y元素溶解在Ba-Cu-0熔体中，从而提 供生长YBCO厚膜过程中所需的Y元素。生长过程中由提拉装置控制生长衬底 的上下移动和旋转，具体是由提拉杆连接着具有八重对称性的YBCO种膜，可 旋转和提拉。本发明方法工艺简单，实现纯氧气氛的程序易操作，氧气氛控制 方法能在钡铜原子比为0.S-0.7的熔剂环境中，在YBCO的包晶熔化温度以下10 一30K的温度范围内，得到具有纯45。面内取向的YBCO超导厚膜，并且具有良 好的外延取向以及结晶品质。在原本处于大气环境中的液相外延方法的基础上， 具有八重对称性的种膜只能生长得到具有纯0。面内取向的YBCO超导厚膜。本 发明通过增加气氛环境中的氧含量，改变了 0°YBCO晶粒和45。YBCO晶粒分别 与MgO衬底之间的界面能，从而使得45。YBCO晶粒具有更好的热稳定性，得 到具有纯45。面内取向的YBCO厚膜。另外，本发明所采用的纯氧气氛中的液相 外延过程具有低成本(气体成本和低纯度要求)和高沉积速率(Mm/min量级) 的竞争优势。
本发明所述的纯氧气氛控制方袪不仅仅适合于控制钇钡铜氧超导厚膜的面 内取向，也同样适合于控制其它稀土钡铜氧REBa2Cu30z (简称REBCO)超导 厚膜的面内取向。
具体实施例方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。 实施例l
以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜，液相外延生长具有纯45°面内取 向的YBCO超导厚膜(生长温度低于包晶熔化温度10 K) 1 〉用BaC03+CuO的粉末进行配料，控制Ba/Cu原子比为0.5;
2) 对BaC03+CuO粉末进行研磨，然后在850 'C保温48小时进行煅烧，烧 结成均匀的Ba-Cu-0粉末；
3) 将Ba-Cu-O粉末加到放置在熔炉中的Y203坩埚内，将熔炉加热至YBCO 的包晶熔化温度以上40 K，并保温35小时使Ba-Cu-O粉末均匀熔化，得到 Y-Ba-Cu-0熔体；
4) 将熔炉里的气氛环境改变为100%的纯氧气氛，并且保持熔炉的密闭以及 气流的稳定性；
5) 将Y-Ba-Cu-0熔体冷却至YBCO的包晶熔化温度以下10 K，作为外延生 长温度；
6) 以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜，采取液相外延法生长YBCO厚 膜，生长时间l分钟，得到厚度为10微米具有纯45。面内取向的YBCO超导厚 膜。
实施例2
以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜，液相外延生长具有纯45°面内取 向的YBCO超导厚膜(生长温度低于包晶熔化温度20K)
1) 用BaC03+CuO的粉末进行配料，控制Ba/Cu原子比为0.6;
2) 对BaC03+CuO粉末进行研磨，然后在900 'C保温44小时进行煅烧，烧 结成均匀的Ba-Cu-0粉末；
3) 将Ba-Cu-O粉末加到放置在熔炉中的￥203坩埚内，将熔炉加热至YBCO 的包晶熔化温度以上35 K，并保温40小时使Ba-Cu-0粉末均匀熔化，得到 Y-Ba-Cu-O熔体；
4) 将熔炉里的气氛环境改变为100%的纯氧气氛，并且保持熔炉的密闭以及 气流的稳定性； .
5) 将Y-Ba-Cu-O熔体冷却至YBCO的包晶熔化温度以下20 K,作为外延生 长温度；
6) 以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜，釆取液相外延法生长YBCO厚 膜，生长时间2分钟，得到厚度为15微米具有纯45。面内取向的YBCO超导厚 膜。
实施例3
以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜，液相外延生长具有纯45°面内取 向的YBCO超导厚膜(生长温度低于包晶熔化温度30K)
1) 用BaC03+CuO的粉末进行配料，控制Ba/Cu原子比为0.7;
2) 对BaC03+CuO粉末进行研磨，然后在950 t)保温40小时进行煅烧，烧 结成均匀的Ba-Cu-O粉末；
3) 将Ba-Cu-O粉末加到放置在熔炉中的Y203柑埚内，将熔炉加热至YBCO 的包晶熔化温度以上30 K,并保温45小时使Ba-Cu-0粉末均匀熔化，得到 Y-Ba-Cu-0熔体；
4) 将熔炉里的气氛环境改变为100%的纯氧气氛，并且保持熔炉的密闭以及 气流的稳定性；
5) 将Y-Ba-Cu-0熔体冷却至YBCO的包晶熔化温度以下30 K，作为外延生 长温度；
6) 以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜，采取液相外延法生长YBCO厚 膜，生长时间3分钟，得到厚度为20微米具有纯45。面内取向的YBCO超导厚 膜。
权利要求
1、一种氧气氛控制钇钡铜氧超导厚膜面内取向生长的制备方法，其特征在于包括如下步骤1)用BaCO3+CuO的粉末进行配料，控制Ba/Cu原子比为0.5-0.7；2)对BaCO3+CuO粉末进行研磨，然后在850-950℃保温4048小时进行煅烧，烧结成均匀的Ba-Cu-O粉末；3)将Ba-Cu-O粉末加到放置在熔炉中的Y2O3坩埚内，将熔炉加热至YBCO的包晶熔化温度以上3040K，并保温35-45小时使Ba-Cu-O粉末均匀熔化，得到Y-Ba-Cu-O熔体；4)将熔炉里的气氛环境改变为100％的纯氧气氛，并且保持熔炉的密闭以及气流的稳定性；5)将Y-Ba-Cu-O熔体冷却至YBCO的包晶熔化温度以下10-30K，作为外延生长温度；6)以具有八重对称性的YBCO薄膜为种膜，采取液相外延法生长YBCO厚膜，生长时间1-3分钟，得到厚度为10-20微米具有纯45°面内取向的钇钡铜氧超导厚膜。
全文摘要
本发明涉及一种氧气氛控制钇钡铜氧超导厚膜面内取向生长的制备方法，利用液相外延生长装置，在纯氧气氛中制备YBCO厚膜。按Ba/Cu原子比为0.5-0.7的比例配置Ba-Cu-O粉末，经研磨煅烧后放在Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>坩埚内加热熔化，得到Y-Ba-Cu-O熔体。将密闭熔炉里的气氛环境改变为纯氧气氛，并将熔体温度调整到低于YBCO包晶熔化温度10-30K，以具有八重对称性的钇钡铜氧薄膜为种膜，液相外延生长得到高结晶品质的具有纯45°面内取向的钇钡铜氧超导厚膜。本发明通过气氛环境中氧含量的改变，使原本只能制备纯0°面内取向YBCO厚膜的液相外延过程，在较宽的温度范围内能得到具有纯45°面内取向的YBCO厚膜。
文档编号C30B19/00GK101109107SQ20071004148
公开日2008年1月23日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者忻 姚, 蔡衍卿 申请人:上海交通大学