专利名称：双面超导带材缓冲层的连续制备方法
技术领域：
本发明属于超导材料技术领域，特别涉及超导带材的制备方法。
背景技术：
1986年高温超导体的发现引起了全世界科学界极大的兴趣和关注。人们对其材料组成、结构特征、性能、应用等各方面进行了广泛深入的研究。超导体具有许多独特的性质，如零电阻、完全抗磁性(迈斯纳效应)和超导隧道效应(约瑟夫森效应)等，利用这些性质可在科研和生产上发展许多有重要价值的器件，如强磁体、超导量子干涉器件(SQUID)、 高效电动机和无损耗传输电能系统等。高温超导体的发现使超导体的工作温度从液氦温区 (4. 2K)提高到液氮温区(77K)，使超导体的实用前景更加广阔。高温超导材料在强电上的应用一直是一个重要的方向，各国政府对高温超导带材的研究投入了巨大的人力和物力。第一代铋系高温超导带材(BSCCO/222;3)已进入实用性阶段，但是其在强磁场下难以得到高的临界电流密度J。，并且昂贵的银的大量使用也使其在降低工业成本上受到限制。因此，各国政府将研究开发的重点转移到一种在柔性金属基带上涂以YBC0/123薄膜的涂层导体(Coated Conductor，称CC导体或第二代高温超导带材)上。YBCO带材比铋系带材载流水平更高、磁场下超导性能更好、价格更便宜，是一个极具应用前景的高技术产业。目前第二代高温超导带材采用的金属基带主要以Ni和Ni基合金为主。若直接在 Ni基带上沉积YBCO薄膜，由于M与TOCO之间的互扩散易使带材电性能恶化，机械性能变差，使用价值降低。且M与YBCO之间的相容性较差，在M基带上不能直接制备结构良好的 YBCO膜层。因而需要在M基带上制备与YBCO兼容性较好的氧化物过渡层以改善YBCO薄膜的性能。由于需要阻挡扩散和缓并晶格失配，缓冲层薄膜应具备一定的厚度，这就需要高沉积速度；同时为了满足应用方面的需要，需要制备的第二代超导带材越长越好；同时，为了承载更大的电流强度，就需要制备两面一致性好的双面超导带材；而对于工业化的要求， 如何在长基带上快速连续制备双面氧化物过渡层薄膜成为急需解决的技术问题。此外，研究表明，YBCO晶粒间的晶界夹角对超导性能有很大影响，YBCO面内外晶界角大于4°时，超导性能急剧下降。由于超导带材中YBCO晶粒间夹角在缓冲层上外延生长，因此改善缓冲层面内外织构是另一个需要解决的问题。目前对于这类薄膜的制备，可以采用脉冲激光沉积、磁控溅射、电子束共蒸发等真空方法，以及溶胶-凝胶、金属有机物沉积、电泳沉积、液相外延法等非真空方法。但无论是从连续性、两面一致性或者沉积速度上面，都存在着不足，为此需要寻找一种能够解决上述问题的方法。中国专利200610020898. 4公开了一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法， 其靶材方向垂直于基带表面，在沉积薄膜的两面一致性上有所欠缺，而且在缓冲层面内外织构也要比本专利所制备的有所差距。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于高速、连续制备双面第二代高温超导带材缓冲层的方法，使用该方法可以实现高温超导带材缓冲层的快速、连续制备，使用该方法制备出的薄膜具有良好的两面一致性，单面均勻性好，取向度高，表面平整度高。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，双面超导带材缓冲层的连续制备方法，包括下述步骤1、双面超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征在于，包括下述步骤1)将含钨5%的镍基合金双轴织构基带安装在第一转盘和第二转盘之间；2)将金属钇靶分别安置在对靶上，两个转盘之间的基带平面的法线与相对的对靶上的金属钇靶连线垂直；3)将生长室抽背底真空至5. OX 10-4 以下，对基带进行加热，使温度最终保持在 600°C 660°C，向生长室内充入氩氢混合气体，并使生长室内保持2 3 氩氢混合气体， 再充入1. 2 X IO"3到2. 5 X 10 的水蒸气；4)步进电机通过第一转盘或者第二转盘带动基带勻速运动；5)开启辉光，溅射金属钇靶材，在基片上沉积IO3薄膜；6)关闭溅射，停止对基片加热，得到制得的IO3薄膜。进一步的，基带运动方向与金属钇靶连线垂直。所述氩氢混合气体由摩尔比为 96%的Ar和4%的H2组成。步骤3)的温度保持620°C，生长室(9)内保持2. 5Pa氩氢混合气体。本发明的有益效果是1、本发明采用了可以卷绕基带的转盘，可以连续制备任意长度的长超导带材缓冲层；2、本发明将基带竖直放置，让其上下勻速运行，能够避免水平运行时由于重力作用产生的基带弯曲和过大拉力导致的基带变形，使沉积薄膜均勻性更高；3、本发明采用对靶离轴溅射沉积薄膜，可实现双面同时沉积，提高了工作效率，同时也保证了沉积薄膜的两面一致性。4、本发明采用离轴溅射，基带与靶材成90度夹角，提高了双面缓冲层面内外织构。以下结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所用的一种带有上、下两个转盘的对靶离轴磁控溅射装置结构示意图。1-下转盘；2-基带；3-加热电阻丝；4-对靶；5-辉光；6-反应气体进气阀；7-工作气体进气阀；8-上转盘；9-生长室；10-热电偶；11-排气孔。图2是利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层IO3薄膜的X射线衍射(XRD) θ-2 θ扫描图谱。其中X轴表示2 θ角 (单位是度)，Υ轴表示计数强度(单位是count/second)。由图2可知，利用本发明制备的 Y2O3薄膜具有(004)单一取向。
图3是利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层IO3薄膜的(00 峰的X射线衍射仪ω扫描图谱。其中X轴表示θ 角(单位是度)，Υ轴表示计数强度(单位是count/second)，由图3可知，其半高宽(FWHM) 为1.4°，表明具有良好的面外织构。图4是利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层IO3薄膜的(111)面的X射线衍射仪φ扫描图谱。其中X轴表示Phi角 (单位是度)，γ轴表示计数强度(单位是coimt/second)，由图4可知，其半高宽为3. 8°， 表明具有良好的面内织构。图5是利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层IO3薄膜的(111)面的X射线衍射仪极谱。由图4可知，极点收敛为4个点，并且极点为4重对称，表明所制备的IO3为立方结构，并具有良好的面内织构。图6是利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层IO3薄膜的原子力显微镜(AFM) 2 μ m区域内表面形貌的平面图。图7是利用本发明所述一种双面长超导带材缓冲层的连续制备方法所制备的超导带材氧化物过渡层IO3薄膜的原子力显微镜(AFM) 2 μ m区域内表面形貌的三维立体图。由图6、7可知，本发明所制备的IO3薄膜表面平整、无裂纹。图8是1米长基带上IO3薄膜ω扫描两面半高宽分布图。由图8可知，本发明所制备的IO3薄膜两面一致性及单面的均勻性都相当的好。图9是1米长基带上IO3薄膜φ扫描两面半高宽分布图。由图9可知，本发明所制备的γ2ο3薄膜两面一致性及单面的均勻性都相当的好。
具体实施例方式实施例1 本发明具体实施方式
提供的是一种基于低温沉积金属并进行原位高温氧化处理制备第二代高温超导带材氧化物过渡层薄膜的方法，其具体步骤如下第一步将含钨5%的镍基合金双轴织构基带安装在两转盘1，8之间，基带宽为10 毫米，厚度为ο. 1毫米。通过带有转速控制器的步进电机带动转盘1或者8勻速运动，由此带动基带勻速运动。当下转盘1转动时，可带动基带2勻速向下运动；当上转盘8转动时， 可以带动基带2勻速向上卷绕。基带在腔体5卷绕过程中，基带表面保持与金属靶材成90 度夹角。第二步将金属钇(Y)靶(长为48毫米，宽为32毫米，厚度为4毫米)安置在对靶4上，加热电阻丝3对基带进行加热，采用热电偶10读取腔体内温度。转盘1、8，对靶4， 基带2，加热电阻丝3，热电偶10均放置在生长室9。反应气体进气管及阀门6 —直通入生长室的内部，而工作气体进气管及阀门7则通入对靶4附近，右部开口接真空泵11 (机械泵和分子泵)。第二步用真空泵11将生长室9抽背底真空至5. 0 X IO-4Pa以下，利用加热电阻丝 3对基带2进行加热，使温度最终保持在620°C，通过热电偶10来读取温度，然后从进气管 7向生长室9内充入氩氢混合气体(Ar96+H24% )，并使生长室9内保持2. 5Pa氩氢混合气体，从进气管6充入1. 2 X IO"3 2. 5 X 10 的水蒸气。
第三步开启对靶4辉光5，保持溅射功率40W 60W，溅射金属钇靶材，使NiW5% 双轴基片上沉积IO3薄膜。第四步基带勻速通过辉光区域后，关闭溅射，停止对基片加热，同时关闭进气管 6、7，停止分子泵和机械泵，取出制得的IO3薄膜。将以上制得的IO3薄膜进行结构分析和表面形貌分析的仪器如下X射线衍射仪(XRD)，型号为英国Bede Dl System ；原子力显微镜(AFM)，型号为日本 SEIKO SPA-300HV。由以上对IO3薄膜的结构和表面形貌分析可知，采用本发明装置能够快速连续制备两面一致性和面内均勻性好的双面长带材缓冲层，并且制备得到的缓冲层薄膜具有良好的取向性和高的表面平整度，为后续膜层的生长提供了良好的生长模板。由于具备以上的优点，能够满足工业化快速生产的需求。实施例2本发明与实施例1的区别在于，步骤3)中，对基带2进行加热，使温度最终保持在 660°C，向生长室9内充入氩氢混合气体，并使生长室9内保持2 氩氢混合气体。实施例3本发明与实施例1的区别在于，步骤3)中，对基带2进行加热，使温度最终保持在 660°C，向生长室9内充入氩氢混合气体，并使生长室9内保持3 氩氢混合气体。
权利要求
1.双面超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征在于，包括下述步骤1)将含钨5%的镍基合金双轴织构基带安装在第一转盘(1)和第二转盘(8)之间；2)将金属钇靶分别安置在对靶(4)上，两个转盘之间的基带平面的法线与相对的对靶 (4)上的金属钇靶连线垂直；3)将生长室(9)抽背底真空至5.OXKT4Pa以下，对基带⑵进行加热，使温度最终保持在600°C 660°C，向生长室(9)内充入氩氢混合气体，并使生长室(9)内保持2 3 氩氢混合气体，再充入1. 2 X 10_3到2. 5 X 10_3Pa的水蒸气；4)步进电机通过第一转盘(1)或者第二转盘(8)带动基带勻速运动；5)开启辉光(5)，溅射金属钇靶材，在基片上沉积IO3薄膜；6)关闭溅射，停止对基片加热，得到制得的IO3薄膜。
2.如权利要求1所述的双面超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征在于，基带运动方向与金属钇靶连线垂直。
3.如权利要求1所述的双面超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征在于，所述氩氢混合气体由摩尔比为96%的Ar和4%的H2组成。
4.如权利要求1所述的双面超导带材缓冲层的连续制备方法，其特征在于，步骤3)的温度保持620°C，生长室(9)内保持2. 5 氩氢混合气体。
全文摘要
双面超导带材缓冲层的连续制备方法，属于超导材料技术领域。本发明包括下述步骤1)将基带安装在两个转盘之间；2)将金属钇靶分别安置在对靶上，两个转盘之间的基带平面的法线与相对的对靶上的金属钇靶连线垂直；3)将生长室(9)抽背底真空至5.0×10-4Pa以下，对基带进行加热，使温度保持在600℃～660℃，向生长室内充入氩氢混合气体，并保持2～3Pa，再充入1.2×10-3到2.5×10-3Pa的水蒸气；4)步进电机通过第一转盘或者第二转盘带动基带匀速运动；5)开启辉光，溅射金属钇靶材，在基片上沉积Y2O3薄膜；6)关闭溅射。本发明采用离轴溅射，基带与靶材成90度夹角，提高了双面缓冲层面内外织构。
文档编号H01L39/24GK102255040SQ201110091978
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者夏钰东, 张飞, 李言荣, 熊杰, 赵晓辉, 陶伯万 申请人:电子科技大学