專利名稱:高溫超導涂層導體基底平坦化方法
技術領域:
本發(fā)明屬于高溫超導材料制備技術領域,涉及涂層導體織構基帶溶液沉積平坦化的方法。
背景技術:
隨著下一代的電子產(chǎn)品朝著智能化、集成化、人性化的發(fā)展趨勢,柔性襯底的應用越來越廣泛,例如顯示屏、印制電路板、先進能源材料(如太陽能電池),以及高溫超導涂層導體(HTSCCs)等。與傳統(tǒng)材料相比,柔性襯底具有機械強度高、體積小、比表面積大等優(yōu)點,更重要的是采用輥到輥(reel to reel)卷繞方法制備時可以大幅降低工業(yè)制造的成本;然而工業(yè)用柔性基帶的表面粗糙度通常都達不到使設備性能最優(yōu)化所需要的標準,這樣其低成本的優(yōu)勢就可能無法實現(xiàn)。高溫超導涂層導體是目前超導領域的研究熱點之一,其制備方法包括軋制輔助雙軸織構基帶(RABiTS)和離子束輔助沉積(IBAD)。采用離子束輔助沉積(IBAD)來獲得具有高度織構的生長超導功能層的襯底,IBAD-MgO以其快速獲得織構的優(yōu)勢收到極大關注。為達到實際應用,需要一種能廉價、快速的制備IBAD-MgO所需要的光滑基底的工藝。傳統(tǒng)的拋光工藝如機械拋光和電化學拋光都可以使基帶表面變平坦。機械拋光是一個獲得光滑基帶的很好的方法,但是由于成本高而且效率低,不適用于長帶材或者大面積的涂層的制備;而電化學拋光僅適合某些特定的超耐熱鎳合金材料,難以大范圍使用。與傳統(tǒng)的拋光方式將襯底表面去除一層來達到降低粗糙度的目的不同,溶液沉積平整化的涂層導體基底制備方法是在襯底表面添加一層或多層非晶薄膜來達到平坦化的效果。在粗糙的基片表面涂覆一層氧化物前驅液,由于表面張力的作用,溶液會在凹下去的微區(qū)多殘留一部分,在凸起的微區(qū)少殘留些,液膜相對基片表面起到平坦化作用;再經(jīng)過熱處理,前驅液經(jīng)歷溶劑揮發(fā)和熱分解,轉化為非晶氧化物,盡管體積相比液膜有所收縮,相比原始基底表面,表面粗糙度下降。通過多次涂覆和熱處理,襯底的表面粗糙度可以降至Inm左右,為后續(xù)的IBAD-MgO織構層提供了很好的光滑表面,同時非晶層還可以作為阻擋基帶與超導層互擴散的阻擋層。此方法具有工藝簡單,無毒害,成本低廉,適合大規(guī)模工業(yè)化應用,所以對高溫超導涂層導體的制備具有重大意義。
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是,提供一種有效快速、廉價的將粗糙表面的襯底平坦化技術,能應用于大面積基片和長帶材。本發(fā)明解決所述技術問題采用的技術方案是,高溫超導涂層導體基底平坦化方法,其特征在于,包括下述步驟(I)無水前驅液制備將硅源與溶劑按預定比例完全溶解混合均勻,加入溶劑體積1/3 1/2的甲醇,并加熱至4(T50°C攪拌,低壓蒸餾除水;然后停止低壓蒸餾和加熱,僅攪拌;最后通過加入溶劑進行定容,形成第一前驅溶液,第一前驅溶液的Si離子摩爾濃度為O. 2-0. 8mol/l ;通過加入溶劑稀釋第一前驅溶液,得到第二前驅溶液,其Si離子摩爾濃度為O. 02-0. 2mol/l ;硅源與溶劑的比例可以由前驅溶液的硅離子濃度計算得到。所述硅源為正硅酸乙酯或正硅酸丙酯,所述溶劑為異丙醇,或乙醇,或乙醚;(2)旋涂將第一前驅溶液滴在基片表面,涂覆一層均勻液膜于基片上;退火將涂覆有液膜的基片從室溫以2 10°C /min的速率升溫至45(T550°C燒結,保溫l(T30min,氣氛為空氣,然后自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜;反復重復旋涂和退火工藝,直到薄膜表面均方根粗糙度小于5nm大于2nm,得到多層非晶薄膜;(3)旋涂均勻涂覆一層第二前驅溶液的液膜于基片上;退火從室溫以2 10°C /min的速率升溫至45(T550°C燒結,保溫l(T30min,氣氛為空氣,然后自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜;反復重復旋涂和退火,使薄膜表面均方根粗糙度小于2nm。所述步驟(2)中,基片為哈氏合金基片或不銹鋼基片或Al2O3陶瓷基片,表面均方根粗糙度大于2(Tl00nm。 所述步驟(2)和步驟(3)中,旋涂速率為200(T4000rpm,時間為2(T60s。所述步驟(3)中,表面均方根粗糙度rms采用原子力顯微鏡(AFM)測試得到。與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(I)本發(fā)明無需昂貴的機械設備、工藝簡單,成本低廉,適合大規(guī)模工業(yè)化應用;(2)不受襯底形狀、材質的影響,應用面廣;(3)所制備的非晶層薄膜不僅可以起到平整基片的作用,還可以在高溫超導涂層導體結構中起著阻隔擴散的作用;(4)原材料均為有機化合物,分解后不會產(chǎn)生有害氣體,對環(huán)境無污染。相比于Y203材料易于結晶,Y2O3和Al2O3復合材料的前驅液易于水解導致的不穩(wěn)定等缺點,SiO2材料容易形成非晶相,其穩(wěn)定的成核點和平整光潔的表面非常有利于IBAD-MgO薄膜在其上快速獲得織構,是IBAD路線中用于基底平坦化的理想材料。
圖1為實例一的SiO2薄膜的X射線衍射Θ -2 Θ掃描圖。圖2為實例一的Hastelloy基片的原子力顯微鏡(AFM)圖,圖2a為二維圖,圖2b為三維立體圖。圖3為實例一的SiO2薄膜的AFM圖,圖3a為二維圖,圖3b為三維立體圖。圖4為實例二的SiO2薄膜的AFM圖,圖4a為二維圖,圖4b為三維立體圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供化學溶液法制備SiO2薄膜用于高溫超導涂層導體基底平坦化的方法,包括下述步驟( I)無水前驅液制備將硅源與溶劑按比例在室溫磁力攪拌下完全溶解混合均勻,加入溶劑體積1/3-1/2的甲醇,并加熱至4(T50°C磁力攪拌進行低壓蒸餾除水;停止低壓蒸餾和加熱,僅攪拌;最后通過加入溶劑進行定容,形成無水前驅溶液,即第一前驅溶液。第一前驅溶液的Si離子摩爾濃度為O. 2-0. 8mol/l,通過加入溶劑稀釋第一前驅溶液,得到第二前驅溶液,其Si離子摩爾濃度為O. 02-0. 2mol/l ;
(2)旋涂將步驟(I)中第一前驅溶液滴在基片表面,使用旋轉儀涂覆一層均勻液月旲于基片上;退火將涂覆有液膜的基片置于管式燒結爐中,從室溫以2 10°C /min的速率升溫至45(T550°C保溫l(T30min,氣氛為空氣,然后讓爐自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜。反復重復旋涂和退火工藝,直到薄膜表面均方根粗糙度(rms)小于5nm大于2nm,得到多層非晶薄膜。(3)旋涂將步驟(I)中第二前驅溶液滴在步驟(2)得到的多層非晶薄膜表面,使·用旋轉儀涂覆一層均勻液膜于基片上。退火將涂覆有液膜的基片置于管式燒結爐中,從室溫以2 10°C /min的速率升溫至45(T550°C保溫l(T30min,氣氛為空氣,然后讓爐自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜。反復重復旋涂和退火工藝,使薄膜表面均方根粗糙度小于 2nm。所述步驟(I)中硅源是正硅酸乙酯或正硅酸丙酯,溶劑是異丙醇或乙醇或乙醚。步驟(I)中,按摩爾比,硅源與溶劑的比例可以為硅溶劑=0. 3:Γ :10所述步驟(2)中,基片為哈氏合金(Hastelloy)基片或不銹鋼基片或Al2O3陶瓷基片,表面均方根粗糙度大于2(Tl00nm。所述步驟(2) (3)中,旋涂速率為200(T4000rpm,時間為2(T60s。所述步驟(3)中,表面均方根粗糙度rms采用原子力顯微鏡(AFM)測試得到。更具體的實施例如下實施例一化學溶液法制備SiO2薄膜用于高溫超導涂層導體基底平坦化的方法,具體實施步驟如下(I)將6. 24g正硅酸乙酯溶于30ml異丙醇中,在室溫磁力攪拌下完全溶解混合均勻,加入IOml甲醇并加熱至4(T50°C磁力攪拌,進行減壓蒸餾除水,最后加異丙醇定容至50ml,即配制形成的無水SiO2第一前驅溶液,Si離子摩爾濃度為O. 6mol/l。(2)取步驟(I)中無水SiO2前驅液5ml,加入異丙醇溶劑進行稀釋,并定容至50ml,即配制形成的無水SiO2第二前驅溶液,Si離子摩爾濃度為O. 06mol/l。(3)將步驟(I)中第一前驅溶液滴在哈氏合金(Hastelloy)基片表面,采用旋轉涂膜機均勻涂覆于基片上,旋涂速率為2000rpm,時間為30s,將涂覆有液膜的基片置于管式燒結爐中,從室溫以3°C /min的速率升溫至500°C保溫15min,氣氛為空氣,然后讓爐自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜。重復旋涂和退火工藝4次,得到5層非晶薄膜。(4)將步驟(2)中第二前驅溶液滴在步驟(3)得到的多層非晶薄膜表面,采用旋轉涂膜機均勻涂覆于基片上,旋涂速率為3000rpm,時間為30s,將涂覆有液膜的基片置于管式燒結爐中,從室溫以3°C /min的速率升溫至500°C保溫15min,氣氛為空氣,然后讓爐自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜。重復旋涂和退火工藝3次,即可制得平整表面的樣品O圖1是實例一制備的SiO2薄膜的X射線衍射Θ -2 Θ掃描圖。它在44. 5。,51. 8。和75°存在三個很微弱的衍射峰,是基底Ni的111、200和220衍射峰,無SiO2衍射峰存在,表明SiO2為非晶態(tài)。圖2是實例一的Hastelloy基片的原子力顯微鏡(AFM) 二維和三維立體圖,其表面粗糙,均方根粗糙度(rms)為26. 3nm。圖3為實例一制備的SiO2薄膜的AFM 二維和三維立體圖,rms為1. 36nm,相比Hastelloy基片的表面粗糙度降低了一個數(shù)量級以上。實施例二 化學溶液法制備SiO2薄膜用于高溫超導涂層導體基底平坦化的方法,具體實施步驟如下(I)將1. 04g正硅酸乙酯溶于IOml異丙醇中,在室溫磁力攪拌下完全溶解混合均勻,加入5ml甲醇并加熱至4(T50°C磁力攪拌,進行減壓蒸餾除水,最后加異丙醇定容至20ml,即配制形成的無水SiO2第一前驅溶液,Si離子摩爾濃度為O. 25mol/l。(2)取步驟(I)中無水SiO2前驅液4ml,加入異丙醇溶劑進行稀釋,并定容至50ml,即配制形成的無水SiO2第二前驅溶液,Si離子摩爾濃度為O. 02mol/l。(3)將步驟(I)中第一前驅溶液滴在哈氏合金(Hastelloy)基片表面,采用旋轉涂膜機均勻涂覆于基片上,旋涂速率為3000rpm,時間為30s,將涂覆有液膜的基片置于管式燒結爐中,從室溫以2V /min的速率升溫至450°C保溫20min,氣氛為空氣,然后讓爐自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜。重復旋涂和退火工藝14次,得到15層非晶薄膜。(4)將步驟(2)中第二前驅溶液滴在步驟(3)得到的多層非晶薄膜表面,采用旋轉涂膜機均勻涂覆于基片上,旋涂速率為3000rpm,時間為30s,將涂覆有液膜的基片置于管式燒結爐中,從室溫以2V /min的速率升溫至450°C保溫20min,氣氛為空氣,然后讓爐自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜。重復旋涂和退火工藝9次,即可制得平整表面的樣品O圖4為實例二制備的SiO2薄膜的AFM 二維和三維立體圖,rms為1. 15nm。
權利要求
1.高溫超導涂層導體基底平坦化方法,其特征在于,包括下述步驟(1)無水前驅液制備將硅源與溶劑按預定比例完全溶解混合均勻,加入溶劑體積1/3^1/2的甲醇,并加熱至4(T50°C攪拌,低壓蒸餾除水;然后停止低壓蒸餾和加熱,僅攪拌;最后通過加入溶劑進行定容,形成第一前驅溶液,第一前驅溶液的Si離子摩爾濃度為O.2-0. 8mol/l ;通過加入溶劑稀釋第一前驅溶液,得到第二前驅溶液,其Si離子摩爾濃度為 O. 02-0. 2mol/l ;所述硅源為正硅酸乙酯或正硅酸丙酯,所述溶劑為異丙醇,或乙醇,或乙醚;(2)旋涂將第一前驅溶液滴在基片表面,涂覆一層均勻液膜于基片上;退火將涂覆有液膜的基片從室溫以2 10°C /min的速率升溫至45(T550°C燒結,保溫l(T30min,氣氛為空氣,然后自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜;反復重復旋涂和退火工藝,直到薄膜表面均方根粗糙度小于5nm大于2nm,得到多層非晶薄膜;(3)旋涂均勻涂覆一層第二前驅溶液的液膜于基片上;退火從室溫以2 10°C/min的速率升溫至45(T550°C燒結,保溫l(T30min,氣氛為空氣,然后自然降溫至室溫,得到單層氧化物非晶薄膜;反復重復旋涂和退火,使薄膜表面均方根粗糙度小于2nm。
2.如權利要求1所述的高溫超導涂層導體基底平坦化方法,其特征在于,所述步驟(2)中,基片為哈氏合金基片或不銹鋼基片或Al2O3陶瓷基片,表面均方根粗糙度大于20 lOOnm。
3.如權利要求1所述的高溫超導涂層導體基底平坦化方法,其特征在于,所述步驟(2)和步驟(3)中,旋涂速率為200(T4000rpm,時間為2(T60s。
全文摘要
高溫超導涂層導體基底平坦化方法,屬于高溫超導材料制備技術領域。本發(fā)明包括下述步驟(1)無水前驅液制備將硅源與溶劑按預定比例完全溶解混合均勻,加入甲醇,加熱攪拌,低壓蒸餾除水;定容,形成無水前驅溶液;(2)涂覆第一前驅溶液滴在基片表面,旋涂,退火;(3)均勻涂覆第二前驅溶液的液膜于基片上,旋涂,退火,使薄膜表面均方根粗糙度小于2nm。本發(fā)明所制備的非晶層薄膜不僅可以起到平整基片的作用,還可以在高溫超導涂層導體結構中起著阻隔擴散的作用。
文檔編號C01B33/145GK103008210SQ20121053216
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權日2012年12月11日
發(fā)明者郭培, 熊杰, 陶伯萬, 程崛, 楊科, 趙曉輝, 李言榮 申請人:電子科技大學