一种Ta掺杂的CeO₂过渡层薄膜及其制备方法

专利名称：一种Ta掺杂的CeO₂过渡层薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于高温超导材料技术领域，具体涉及一种Ta掺杂的CeO2过渡层薄膜及其制备方法。
背景技术：
CeO2因具有与YBCO晶格失配度最小，且高温下的化学稳定性好，热膨胀系数小等优点，成为第二代高温涂层超导体过渡层的首选材料，得到世界各国研究者的广泛研究。但是CeO2由于本身的性质，在基带上沉积时存在一定的临界薄膜厚度，而超过这个临界厚度， 会导致薄膜表面开裂并产生大量孔洞，这种缺陷为氧的扩散提供了短程扩散通道，最终导致沉积的YBCO的质量下降。与此同时，CeO2薄膜在低于这个临界厚度时，虽然能够获得良好的表面质量，但是因为厚度不够，同样无法起到阻碍基底与YBCO超导层之间元素的扩散和反应。目前针对CeO2本征性质的解决途径主要有两个，一个是制备多种材料共同承担过渡层的作用，第二就是在对CeO2进行掺杂，提高临界薄膜厚度。目前第一种方法因为要面临多种材料的选择和不同工艺的控制，造成了制备的复杂性，所以逐渐被CeO2的掺杂所代替。由于化学溶液法具有能够精确控制化学计量比，工艺简单且易于控制等优点，成为制备掺杂过渡层的主要研究方法。目前已经有的掺杂元素有La、Gd、&等，制备中均使用有机盐为前驱盐，溶于有机溶剂中配置成前驱液，涂覆后在高温烧结下制备出所需要的CeO2过渡层掺杂薄膜。

发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种工艺简单，成本低廉，表面致密平整的Ta掺杂CeO2过渡层薄膜及其制备方法。本发明所提供的一种Ta掺杂CeO2过渡层薄膜，所述的薄膜为CeO2基体中掺杂Ta 形成的TaxCei_x02复合氧化固溶体，其中0. 1彡χ彡0. 25，膜的厚度为30 240nm。本发明所提供的一种Ta掺杂CeO2过渡层薄膜的制备方法，其特征在于，以有机铈盐为主要材料，以氯化钽或者乙醇钽为钽源，采用化学溶液的方法，经过旋涂的方法沉积到金属基带上，再经过热处理工艺得到Ta掺杂的CeO2过渡层薄膜，其具体步骤如下1)制备前驱液将有机铈盐与钽盐，按铈离子与钽离子摩尔比I-X X，其中 0. 1 ^ χ ^ 0. 25，溶解到甲醇和正丙酸中，加热搅拌至溶解，铈离子与钽离子总浓度为 0. 2 0. 8mol/L，获得前驱液；2)涂覆前驱液将步骤1)制备的前驱液用旋涂的方式沉积到金属基带上；3)高温烧结将带有前驱液的金属基在保护气氛的条件下，于950 1200°C下烧结5 60分钟，得到具有立方织构的TaxCei_x02单层薄膜。4)多层涂覆重复进行步骤2)和3) 1 4次，可得到30 240nm的多层TaxCe^O2 薄膜。
其中，步骤1)中所述的钽盐优选无机钽盐氯化钽或者有机钽盐乙醇钽。有机铈盐优选乙酰丙酮铈。步骤2)中所述的旋涂方法是将前驱液滴到金属基带上，利用旋涂机进行旋转涂覆30 60秒，旋涂机转数在2000 5000rpm之间。步骤3)所述的保护气氛为N2-H2气体，其中H2体积分数4%。与现有技术相比，本发明有以下优点1)本发明采用无机盐氯化钽或有机盐乙醇钽作为钽源，其中无机盐相对于有机盐更廉价，明显缩减了成本，且制备出的前驱溶液稳定，寿命长，制备出的薄膜具有厚度大，织构好，裂纹少的优点。2)本发明所制备的Ta掺杂CeO2过渡层薄膜厚度可以达到30 240nm，表面平整致密，可以在外延基底织构的同时，起到隔离超导层与基底材料之间相互反应的作用。下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行进一步详细说明。


图1是本发明实施例1的NiW金属基带的(111)面极图；图2是本发明实施例1的TaaiCea9O2单层薄膜的(111)面极图；图3是本发明实施例2的Taa2Cea8O2单层薄膜的(200)面极图；图4是本发明实施例3的Taa 25Ce0.7502单层过渡层薄膜的元素深度分析曲线 (AES)；图5是本发明实施例4的Tatl. Aea9O2四层过渡层薄膜的XRD图谱；图6是本发明实施例5的Taa25Cea75O2两层过渡层薄膜的表面形貌图(SEM)；图7是本发明实施例5的Taa25Cea75O2两层过渡层厚膜的(111)面极图。
具体实施例方式实施例11)将乙酰丙酮铈与氯化钽，按铈离子与钽离子摩尔比9 1，铈离子与钽离子总浓度为0. 2mol/L，溶解到4ml正丙酸和Iml甲醇中，加热搅拌至完全溶解，获得前驱液；2)将前驱液按照旋涂的方法涂到清洗过的NiW基带上，转速为2000rpm，时间为 30s，得到前驱膜；3)在N2-H2 (H2-4% )气体保护气氛下，加热至950°C，保温5分钟后取出，得到厚度为30nm具有立方织构的TaaiCea9O2单层过渡层薄膜。图1为所用的NiW金属基带(111)的极图，显示其面内办高宽为6. 90;图2为 TaaiCea9O2过渡层薄膜的(111)面极图，其FWHM(半高宽度)为6. 86，比NiW基带的面内 FffHM值低，证明了 Taa Aea9O2过渡层薄膜不仅能够很好的外延基底的织构，并对NiW基底的织构有所改善。实施例21)将乙酰丙酮铈与乙醇钽，按铈离子与钽离子摩尔比4 1，铈离子与钽离子总浓度为0. 8mol/L，溶解到4ml正丙酸中，加热搅拌至完全溶解，获得前驱液；2)将前驱液按照旋涂的方法涂到清洗过的NiW基带上，转速为5000rpm，时间为40s，得到前驱膜；3)在N2-H2 (H2-4% )气体保护气氛下，加热至1200°C，保温30分钟后取出，4)得到厚度为120nm具有立方织构的Cea67Taa33O2单层过渡层薄膜。图3为Taa2Cea8O2过渡层薄膜做面外半高宽值的摇摆曲线(rocking-curve)。实施例31)将乙酰丙酮铈与乙醇钽，按铈离子与钽离子摩尔比3 1，铈离子与钽离子总浓度为0. 4mol/L，溶解到4ml正丙酸中，加热搅拌至完全溶解，获得前驱液；2)将前驱液按照旋涂的方法涂到清洗过的NiW基带上，转速为3000rpm，时间为 60s，得到前驱膜；3)在N2-H2 (H2-4% )气体保护气氛下，加热至1100°C，保温60分钟后取出，得到厚度为60nm具有立方织构的Taa25Cea75O2单层过渡层薄膜。图4为Taa25Cea75O2单层过渡层薄膜的元素深度分析曲线(AES)。溅射速度为 lOnm/min，由曲线可以得出单层薄膜厚度为60nm。实施例41)将乙酰丙酮铈与氯化钽，按铈离子与钽离子摩尔比9 1，铈离子与钽离子总浓度为0. 4mol/L，溶解到4ml正丙酸和Iml甲醇中，加热搅拌至完全溶解，获得前驱液；2)将前驱液按照旋涂的方法涂到清洗过的NiW基带上，转速为5000rpm，时间为 60s，得到前驱膜；3)在N2-H2 (H2-4% )气体保护气氛下，加热至1100°C，保温10分钟后取出，得到厚度为60nm具有立方织构的Taa25Cea75O2单层过渡层薄膜。4)重复步骤2)的涂覆和步骤3)的烧结过程4次，即得到两层具有立方织构的 TaaiCea9O2过渡层薄膜，厚度达到240nm。图5为Tatl. Aea9O2四层过渡层薄膜的XRD图谱。实施例51)将乙酰丙酮铈与乙醇钽，按铈离子与钽离子摩尔比3 1，铈离子与钽离子总浓度为0. 4mol/L，溶解到4ml正丙酸中，加热搅拌至完全溶解，获得前驱液；2)将前驱液按照旋涂的方法涂到清洗过的NiW基带上，转速为4000rpm，时间为 60s，得到前驱膜；3)在N2-H2 (H2-4% )气体保护气氛下，加热至1100°C，保温15分钟后取出，得到厚度为60nm具有立方织构的Taa25Cea75O2单层过渡层薄膜。4)重复步骤2)的涂覆和步骤3)的烧结过程2次，即得到两层具有立方织构的 Taa25Cea75O2过渡层薄膜，厚度达到120nm。图6是Tatl. 25Ce0.7502过渡层薄膜的表面形貌图(SEM)，证明超过IOOnm的单一 Taa25Cea7502厚膜可以能够得到无裂纹的平整表面。其面内半高宽值(phi-scan)如图7。由此可知制得的厚膜不仅能够很好的外延基底的织构，且表面平整致密，能够为后续YBCO超导层的沉积提供一个良好的模板。
权利要求
1.一种Ta掺杂CeO2过渡层薄膜，所述的薄膜为CeO2基体中掺杂Ta形成的TaxCei_x02 复合氧化固溶体，其中0. 1彡χ彡0. 25，膜的厚度为30 240nm。
2.—种Ta掺杂CeO2过渡层薄膜的制备方法，其特征在于，以有机铈盐为主要材料，以氯化钽或者乙醇钽为钽源，采用化学溶液的方法，经过旋涂的方法沉积到金属基带上，再经过热处理工艺得到Ta掺杂的CeO2过渡层薄膜，包括如下步骤1)制备前驱液将有机铈盐与钽盐，按铈离子与钽离子摩尔比1-x X，其中 0. 1 ^ X ^ 0. 25，溶解到甲醇和正丙酸中，加热搅拌至溶解，铈离子与钽离子总浓度为 0. 2 0. 8mol/L，获得前驱液；2)涂覆前驱液将步骤1)制备的前驱液用旋涂的方式沉积到金属基带上；3)高温烧结将带有前驱液的金属基在保护气氛的条件下，于950 1200°C下烧结 5 60分钟，得到具有立方织构的TaxCei_x02单层薄膜。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，还包括步骤4)重复进行步骤2)和3)1 4 次，得到30 240nm的多层TaxCe1^xO2薄膜。
4.按照权利要求2或3的方法，其特征在于，步骤1)中所述的钽盐优选无机钽盐氯化钽或者有机钽盐乙醇钽，有机铈盐优选乙酰丙酮铈。
5.按照权利要求2或3的方法，其特征在于，步骤2)中所述的旋涂方式是将前驱液滴到金属基带上，利用旋涂机进行旋转涂覆30 60秒，旋涂机转数在2000 5000rpm之间。
6.按照权利要求2或3的方法，其特征在于，步骤3)所述的保护气氛为N2-H2气体，其中H2体积分数4%。
全文摘要
本发明公开了一种Ta掺杂的CeO2过渡层薄膜及其制备方法，属于高温涂层超导材料技术领域。本发明所提供的TaxCe1-xO2薄膜，过渡层薄膜厚度为30～240nm左右。首先将Ta盐和Ce盐按照阳离子摩尔比x∶1-x，其中0.1≤x≤0.25，溶解到甲醇和正丙酸中得到前驱溶液，然后将前驱溶液用旋涂的方法沉积到Ni-5W基板上，在通有保护气氛的条件下，经过高温烧结工艺获得TaxCe1-xO2薄膜。本发明具有制备工艺简单，成本低，制备出的薄膜具有厚度大，织构好，裂纹少的优点，能够在外延织构的同时起到隔离超导层与基底材料相互反应的作用。
文档编号C04B35/622GK102173801SQ201110022469
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者刘敏, 吕昭, 徐燕, 索红莉, 董传博, 马麟 申请人:北京工业大学