金屬基帶上適用于rebco超導層生長的模板制備方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，屬于高溫超導材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明包括以下步驟：（1）金屬基帶表面清洗；（2）采用化學溶液平坦化方法（SDP）在金屬基帶上制備隔離層；（3）采用離子束輔助射頻磁控濺射方法(IBAD-MgO)在隔離層上制備雙軸織構(gòu)氧化鎂層；（4）采用射頻磁控濺射方法制備錳酸鑭層；（5）采用直流磁控反應(yīng)濺射方法制備氧化鈰層。本發(fā)明通過物理與化學制備方法的綜合應(yīng)用，為規(guī)模化生產(chǎn)高溫超導帶材模板提供了一種低成本制備方法。
【專利說明】金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高溫超導涂層導體帶材制備【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模 板制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫超導涂層導體帶材是高溫超導材料領(lǐng)域的研究熱點之一，它的制備包括兩部分:雙軸織構(gòu)基帶制備和超導功能層制備。雙軸織構(gòu)基帶制備工藝可分為兩大類:離子束輔助沉積技術(shù)(1n Beam Assisted Deposition,縮寫為IBAD)和軋制輔助雙軸織構(gòu)技術(shù)(Rolled Assisted Biaxially Textured Substrates,縮寫為 RABiTS)。RABiTS 技術(shù)具有效率高、設(shè)備簡單的優(yōu)點，但是對基帶有特殊的要求，現(xiàn)在主要用N1-W合金，機械性能差，成本較高，而且具有磁性，不利于交變磁場環(huán)境下應(yīng)用。離子束輔助沉積技術(shù)(IBAD)對金屬基帶的材料沒有特殊要求，可以選擇成本較低的哈氏合金和不銹鋼作為基帶材料，而且，離子束輔助沉積雙軸織構(gòu)氧化鎂的速度較高，從工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)較低來說，離子束輔助沉積氧化鎂的相對成本較低。離子束輔助沉積氧化鎂要求表面非常光滑的金屬基帶，拋光金屬基帶可以采用傳統(tǒng)的拋光工藝如機械拋光和電化學拋光。機械拋光工藝成本高、效率低，不適于柔性金屬長帶的表面拋光；電化學拋光工藝僅適合一些特定的金屬帶材，而且化學廢液對環(huán)境造成污染，廢液處理成本較高。一種新的使金屬基帶表面光滑的方法是化學溶液平坦化方法，它通過在柔性金屬基帶表面涂覆一層氧化物前驅(qū)液，利用表面張力作用，在突起區(qū)域殘留液少，在溝槽區(qū)域殘留液多，液膜作為連續(xù)的整體對基帶表面起到平整化作用；然后經(jīng)過熱處理，前驅(qū)液揮發(fā)、分解成非晶氧化物膜。這種非晶氧化物薄膜既有平坦化表面的作用，又具有隔離原子擴散的作用，是一種低成本工藝。雙軸織構(gòu)氧化鎂與釔鋇銅氧高溫超導體的晶格差別較大，需要在雙軸織構(gòu)氧化鎂層上制備緩沖層，既保持雙軸織構(gòu)，又能與超導層晶格匹配?，F(xiàn)在一般用MgO (home-epi) /LMO(sputtering)多層膜結(jié)構(gòu)作為緩沖層，MgO上同質(zhì)外延MgO需要高溫條件，使基底非晶氧化物轉(zhuǎn)化為晶態(tài)而使表面粗糙，不利于后續(xù)工藝，而且同質(zhì)外延生長MgO的速度較低，因此需要尋找替代MgO (home-epi)的方案。LMO層晶格常數(shù)介于MgO與超導層中間，但是與超導層晶格常數(shù)差別較大，不利于超導層的生長，因此需要尋找與超導層更匹配的材料。本發(fā)明解決了上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的目的是提供一種柔性金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的低成本模板制備方法，用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)高溫超導涂層導體帶材。
[0004]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，本發(fā)明依次通過化學溶液平整化方法在金屬基帶上制備隔離層，利用離子束輔助沉積制備雙軸織構(gòu)氧化鎂層，利用射頻磁控濺射制備錳酸鑭層，利用直流反應(yīng)磁控濺射制備氧化鈰層，得到適用于REBCO超導層生長的低成本模板。
[0005]本發(fā)明制備一種柔性金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的低成本模板，模板多層膜結(jié)構(gòu)見示意圖1，具體制備過程包括以下步驟:(1)金屬基帶表面清洗；
(2)采用化學溶液平坦化方法(SDP)在金屬基帶上制備隔離層；
(3)采用離子束輔助射頻磁控濺射方法(IBAD-MgO)在隔離層上制備雙軸織構(gòu)氧化鎂
層；
(4)采用射頻磁控濺射方法在雙軸織構(gòu)氧化鎂層上制備錳酸鑭層；
(5)采用直流磁控反應(yīng)濺射方法在錳酸鑭層上制備氧化鈰層；
步驟(1)采用我們自己的專利設(shè)備(一種柔性金屬帶材表面快速化學溶液平坦化設(shè)備)，示意圖見圖2，清洗金屬帶材表面污物。
[0006]步驟(2)采用我們自己的專利設(shè)備，一種柔性金屬帶材表面快速化學溶液平坦化設(shè)備，通過連續(xù) 走帶、階梯加熱、多通道重復(fù)鍍膜制備隔離層，大大提高了鍍膜速度與表面光潔度，可以制備出表面平均粗糙度小于2納米的非晶釔鋁氧化物或氧化釔，保證后續(xù)氧化鎂在離子束輔助沉積下快速形核，生成雙軸織構(gòu)。制備的非晶氧化物隔離層較厚，一般800-1300納米，保證能阻擋金屬原子高溫下擴散到超導層。
[0007]步驟(3)中利用多通道離子束輔助沉積設(shè)備，見示意圖3，采用射頻磁控濺射氧化鎂靶材，氬離子以一定角度輔助轟擊制備雙軸織構(gòu)氧化鎂薄膜，氧化鎂薄膜厚度范圍8-25納米，制備速度較高。
[0008]步驟(4 )采用多通道設(shè)備射頻磁控濺射錳酸鑭靶材，制備錳酸鑭薄膜，氧氣壓力范圍0.05-10Pa,基帶加熱溫度范圍650-750度，厚度范圍40-80納米，制備速度較高。
[0009]步驟(5)采用多通道設(shè)備直流反應(yīng)濺射制備氧化鈰，氧氣壓力范圍0.l_20Pa，基帶加熱溫度范圍650-750度，厚度范圍20-80納米，制備速度較高，氧化鈰膜越厚，織構(gòu)度越聞，越有利于聞性能超導層的生長。
[0010]本發(fā)明中隔離層厚度較大，采用化學方法制備，不需要真空，而且制備速度較大，可以大大降低成本，IBAD-MgO層和緩沖層(包括錳酸鑭層和氧化鈰層)所需厚度較小，采用真空制備，生長速度較大，相對成本大大降低。本發(fā)明是一種適合于REBCO超導層生長的低成本模板制備方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為了清楚的說明本發(fā)明的技術(shù)方案和實施例，下面將對發(fā)明技術(shù)描述和實施例中所需使用的附圖作簡要介紹。
[0012]圖1為適合于REBCO超導層生長的低成本模板多層膜結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為連續(xù)走帶、階梯加熱、多通道重復(fù)鍍膜設(shè)備示意圖。
[0014]圖3為多通道離子束輔助沉積設(shè)備示意圖。
【具體實施方式】
[0015]本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作步驟，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0016]實施例一:哈氏合金C-276上適合于REBCO超導層生長的低成本模板多層膜的制備，包括下述步驟:
(O配制前驅(qū)液1:將硝酸鋁與乙醇溶劑按預(yù)定比例溶解，使用超聲波震蕩加快溶解，待完全溶解后，加入一定比例的醋酸釔，攪拌加熱到60度加快溶解，然后加入再加入乙醇，使前驅(qū)液I中，鋁離子與釔離子濃度之比為1:1，鋁離子濃度為0.lmol/L.[0017](2)金屬基帶丙酮清洗:按圖2所示安裝好柔性金屬帶材，將1800毫升丙酮分別倒入圖2所示3個液槽中，保證能淹沒金屬帶材，三個液槽置入盛水的超聲容器中，超聲設(shè)備工作，同時使金屬帶材以40米/小時的速度順序經(jīng)過三個丙酮液槽。往返工作3次。
[0018](3)金屬基帶乙醇清洗:把步驟(2)中三個液槽換為乙醇，超聲設(shè)備工作，金屬帶材以60米/小時的速度順序經(jīng)過三個乙醇液槽。往返工作3次，最后一次把管式爐打開，A、B、C三段溫度都設(shè)定為250度。
[0019](4)涂覆并熱處理前驅(qū)液1:在圖2所示的3個液槽中分別盛600毫升前驅(qū)液I,先開啟管式爐2、4、6，三個溫區(qū)的溫差相等，為10度，設(shè)定C區(qū)溫度為580度，金屬帶材以60米/小時的速度經(jīng)過液槽，然后加熱。金屬基帶向右走完后，再向左走，此時關(guān)閉2、4、6管式爐，開啟1、3、5管式爐，三個溫區(qū)的溫差相等，為10度，設(shè)定C區(qū)溫度為580度，金屬帶材以60米/小時的速度經(jīng)過液槽，然后加熱。這樣重復(fù)2次，表面粗糙度為1.0納米。
[0020](5)利用多通道離子束輔助沉積設(shè)備，采用射頻磁控濺射氧化鎂靶材，氬離子以一定角度輔助轟擊制備雙軸織構(gòu)氧化鎂薄膜，制得雙軸織構(gòu)氧化鎂層的厚度為12納米。
[0021](6)采用多通道設(shè)備射頻磁控濺射錳酸鑭靶材，制備錳酸鑭薄膜，氧氣壓力0.5Pa，基帶加熱溫度700度，膜厚60納米。
[0022](7)采用多通道設(shè)備直流反應(yīng)濺射制備氧化鈰，氧氣壓力5Pa，基帶加熱溫度680度，厚度40納米。
[0023]最終得到適合于REBCO超導層生長的低成本多層膜模板。
[0024]實施例二:哈氏合金C-276上適合于REBCO超導層生長的低成本多層膜模板的制備，包括下述步驟:
(O配制前驅(qū)液1:將硝酸鋁與乙醇溶劑按預(yù)定比例溶解，使用超聲波震蕩加快溶解，待完全溶解后，加入一定比例的醋酸釔，攪拌加熱到60度加快溶解，然后加入再加入乙醇，使前驅(qū)液I中，鋁離子與釔離子濃度之比為1:1，鋁離子濃度為0.2mol/l。
[0025](2)金屬基帶丙酮清洗:按圖2所示安裝好柔性金屬帶材，將1800毫升丙酮分別倒入圖2所示3個液槽中，保證能淹沒金屬帶材，三個液槽置入盛水的超聲容器中，超聲設(shè)備工作，同時使金屬帶材以40米/小時的速度順序經(jīng)過三個丙酮液槽。往返工作3次。
[0026](3)金屬基帶乙醇清洗:把步驟(2)中三個液槽換為乙醇，超聲設(shè)備工作，金屬帶材以50米/小時的速度順序經(jīng)過三個乙醇液槽。往返工作3次，最后一次把管式爐打開，A、B、C三段溫度都設(shè)定為240度。
[0027](4)涂覆并熱處理前驅(qū)液1:在圖2所示的3個液槽中分別盛600毫升前驅(qū)液I,先開啟管式爐2、4、6，三個溫區(qū)的溫差相等，為10度，設(shè)定C區(qū)溫度為570度，金屬帶材以50米/小時的速度經(jīng)過液槽，然后加熱。金屬基帶向右走完后，再向左走，此時關(guān)閉2、4、6管式爐，開啟1、3、5管式爐，三個溫區(qū)的溫差相等，為10度，設(shè)定C區(qū)溫度為570度，金屬帶材以50米/小時的速度經(jīng)過液槽，然后加熱。這樣重復(fù)3次，表面粗糙度為0.8納米。
[0028](5)利用多通道離子束輔助沉積設(shè)備，采用射頻磁控濺射氧化鎂靶材，氬離子以一定角度輔助轟 擊制備雙軸織構(gòu)氧化鎂薄膜，制得雙軸織構(gòu)氧化鎂層的厚度為16納米。
[0029](6)采用多通道設(shè)備射頻磁控濺射錳酸鑭靶材，制備錳酸鑭薄膜，氧氣壓力0.!Pa,基帶加熱溫度710度，膜厚50納米。
[0030](7)采用多通道設(shè)備直流反應(yīng)濺射制備氧化鈰，氧氣壓力10Pa，基帶加熱溫度690度，厚度60納米。
[0031] 最終得到適合于REBCO超導層生長的低成本多層膜模板。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)金屬基帶表面清洗； (2)采用化學溶液平坦化方法(SDP)在金屬基帶上制備隔離層； (3)采用離子束輔助射頻磁控濺射方法(IBAD-MgO)在隔離層上制備雙軸織構(gòu)氧化鎂層； (4)采用射頻磁控濺射方法在雙軸織構(gòu)氧化鎂層上制備錳酸鑭層； (5)采用直流磁控反應(yīng)濺射方法在錳酸鑭層上制備氧化鈰層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(1)中采用我們自己的專利設(shè)備，一種柔性金屬帶材表面快速化學溶液平坦化設(shè)備清洗金屬基帶表面；步驟(2)采用同樣的設(shè)備，連續(xù)走帶、階梯加熱、多通道重復(fù)化學溶液平整化方法制備非晶氧化物多層膜作為隔離層，厚度范圍800-1500納米，表面平均粗糙度小于 2納米。
3.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(3)中利用多通道離子束輔助沉積設(shè)備，采用射頻磁控濺射氧化鎂，氬離子輔助轟擊制備雙軸織構(gòu)氧化鎂薄膜。
4.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(3)中制備的雙軸織構(gòu)氧化鎂薄膜厚度范圍8-25納米。
5.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(4)采用多通道設(shè)備，射頻磁控濺射制備錳酸鑭薄膜，基帶加熱溫度范圍 650-750 度。
6.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(4)采用多通道設(shè)備，射頻磁控濺射制備錳酸鑭薄膜，氧氣壓力范圍0.05_10Pa。
7.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(4)采用多通道設(shè)備，射頻磁控濺射制備錳酸鑭薄膜，厚度范圍40-80納米。
8.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(5)采用多通道設(shè)備，直流反應(yīng)濺射制備氧化鈰，基帶加熱溫度范圍650-750 度。
9.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(5)采用多通道設(shè)備，直流反應(yīng)濺射制備氧化鈰，氧氣壓力范圍0.l_20Pa。
10.如權(quán)利要求1所述的一種金屬基帶上適用于REBCO超導層生長的模板制備方法，其特征在于所述的步驟(5)采用多通道設(shè)備，直流反應(yīng)濺射制備氧化鈰，厚度范圍20-80納米。
【文檔編號】C23C14/08GK103993277SQ201410217749
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】趙遵成, 田曉光, 盧濤, 楊廣軍 申請人:趙遵成