專利名稱：雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超導(dǎo)材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及超導(dǎo)帶材的制備方法。
背景技術(shù)：
1986年高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)引起了全世界科學(xué)界極大的興趣和關(guān)注。人們對(duì)其材料組成、結(jié)構(gòu)特征、性能、應(yīng)用等各方面進(jìn)行了廣泛深入的研究。超導(dǎo)體具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如零電阻、完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))和超導(dǎo)隧道效應(yīng)(約瑟夫森效應(yīng))等，利用這些性質(zhì)可在科研和生產(chǎn)上發(fā)展許多有重要價(jià)值的器件，如強(qiáng)磁體、超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)、 高效電動(dòng)機(jī)和無(wú)損耗傳輸電能系統(tǒng)等。高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)使超導(dǎo)體的工作溫度從液氦溫區(qū) (4. 2K)提高到液氮溫區(qū)(77K)，使超導(dǎo)體的實(shí)用前景更加廣闊。高溫超導(dǎo)材料在強(qiáng)電上的應(yīng)用一直是一個(gè)重要的方向，各國(guó)政府對(duì)高溫超導(dǎo)帶材的研究投入了巨大的人力和物力。第一代鉍系高溫超導(dǎo)帶材(BSCCO/222;3)已進(jìn)入實(shí)用性階段，但是其在強(qiáng)磁場(chǎng)下難以得到高的臨界電流密度J。，并且昂貴的銀的大量使用也使其在降低工業(yè)成本上受到限制。因此，各國(guó)政府將研究開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到一種在柔性金屬基帶上涂以YBC0/123薄膜的涂層導(dǎo)體(Coated Conductor，稱CC導(dǎo)體或第二代高溫超導(dǎo)帶材)上。YBCO帶材比鉍系帶材載流水平更高、磁場(chǎng)下超導(dǎo)性能更好、價(jià)格更便宜，是一個(gè)極具應(yīng)用前景的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。目前第二代高溫超導(dǎo)帶材采用的金屬基帶主要以Ni和Ni基合金為主。若直接在 Ni基帶上沉積YBCO薄膜，由于M與TOCO之間的互擴(kuò)散易使帶材電性能惡化，機(jī)械性能變差，使用價(jià)值降低。且M與YBCO之間的相容性較差，在M基帶上不能直接制備結(jié)構(gòu)良好的 YBCO膜層。因而需要在M基帶上制備與YBCO兼容性較好的氧化物過(guò)渡層以改善YBCO薄膜的性能。由于需要阻擋擴(kuò)散和緩并晶格失配，緩沖層薄膜應(yīng)具備一定的厚度，這就需要高沉積速度；同時(shí)為了滿足應(yīng)用方面的需要，需要制備的第二代超導(dǎo)帶材越長(zhǎng)越好；同時(shí)，為了承載更大的電流強(qiáng)度，就需要制備兩面一致性好的雙面超導(dǎo)帶材；而對(duì)于工業(yè)化的要求， 如何在長(zhǎng)基帶上快速連續(xù)制備雙面氧化物過(guò)渡層薄膜成為急需解決的技術(shù)問(wèn)題。此外，研究表明，YBCO晶粒間的晶界夾角對(duì)超導(dǎo)性能有很大影響，YBCO面內(nèi)外晶界角大于4°時(shí)，超導(dǎo)性能急劇下降。由于超導(dǎo)帶材中YBCO晶粒間夾角在緩沖層上外延生長(zhǎng)，因此改善緩沖層面內(nèi)外織構(gòu)是另一個(gè)需要解決的問(wèn)題。目前對(duì)于這類薄膜的制備，可以采用脈沖激光沉積、磁控濺射、電子束共蒸發(fā)等真空方法，以及溶膠-凝膠、金屬有機(jī)物沉積、電泳沉積、液相外延法等非真空方法。但無(wú)論是從連續(xù)性、兩面一致性或者沉積速度上面，都存在著不足，為此需要尋找一種能夠解決上述問(wèn)題的方法。中國(guó)專利200610020898. 4公開了一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法， 其靶材方向垂直于基帶表面，在沉積薄膜的兩面一致性上有所欠缺，而且在緩沖層面內(nèi)外織構(gòu)也要比本專利所制備的有所差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種用于高速、連續(xù)制備雙面第二代高溫超導(dǎo)帶材緩沖層的方法，使用該方法可以實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)帶材緩沖層的快速、連續(xù)制備，使用該方法制備出的薄膜具有良好的兩面一致性，單面均勻性好，取向度高，表面平整度高。本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法，包括下述步驟1、雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法，其特征在于，包括下述步驟1)將含鎢5%的鎳基合金雙軸織構(gòu)基帶安裝在第一轉(zhuǎn)盤和第二轉(zhuǎn)盤之間；2)將金屬釔靶分別安置在對(duì)靶上，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤之間的基帶平面的法線與相對(duì)的對(duì)靶上的金屬釔靶連線垂直；3)將生長(zhǎng)室抽背底真空至5. OX 10-4 以下，對(duì)基帶進(jìn)行加熱，使溫度最終保持在 600°C 660°C，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氬氫混合氣體，并使生長(zhǎng)室內(nèi)保持2 3 氬氫混合氣體， 再充入1. 2 X IO"3到2. 5 X 10 的水蒸氣；4)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)第一轉(zhuǎn)盤或者第二轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)基帶勻速運(yùn)動(dòng)；5)開啟輝光，濺射金屬釔靶材，在基片上沉積IO3薄膜；6)關(guān)閉濺射，停止對(duì)基片加熱，得到制得的IO3薄膜。進(jìn)一步的，基帶運(yùn)動(dòng)方向與金屬釔靶連線垂直。所述氬氫混合氣體由摩爾比為 96%的Ar和4%的H2組成。步驟3)的溫度保持620°C，生長(zhǎng)室(9)內(nèi)保持2. 5Pa氬氫混合氣體。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明采用了可以卷繞基帶的轉(zhuǎn)盤，可以連續(xù)制備任意長(zhǎng)度的長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層；2、本發(fā)明將基帶豎直放置，讓其上下勻速運(yùn)行，能夠避免水平運(yùn)行時(shí)由于重力作用產(chǎn)生的基帶彎曲和過(guò)大拉力導(dǎo)致的基帶變形，使沉積薄膜均勻性更高；3、本發(fā)明采用對(duì)靶離軸濺射沉積薄膜，可實(shí)現(xiàn)雙面同時(shí)沉積，提高了工作效率，同時(shí)也保證了沉積薄膜的兩面一致性。4、本發(fā)明采用離軸濺射，基帶與靶材成90度夾角，提高了雙面緩沖層面內(nèi)外織構(gòu)。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明所述一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法所用的一種帶有上、下兩個(gè)轉(zhuǎn)盤的對(duì)靶離軸磁控濺射裝置結(jié)構(gòu)示意圖。1-下轉(zhuǎn)盤；2-基帶；3-加熱電阻絲；4-對(duì)靶；5-輝光；6-反應(yīng)氣體進(jìn)氣閥；7-工作氣體進(jìn)氣閥；8-上轉(zhuǎn)盤；9-生長(zhǎng)室；10-熱電偶；11-排氣孔。圖2是利用本發(fā)明所述一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法所制備的超導(dǎo)帶材氧化物過(guò)渡層IO3薄膜的X射線衍射(XRD) θ-2 θ掃描圖譜。其中X軸表示2 θ角 (單位是度)，Υ軸表示計(jì)數(shù)強(qiáng)度(單位是count/second)。由圖2可知，利用本發(fā)明制備的 Y2O3薄膜具有(004)單一取向。
圖3是利用本發(fā)明所述一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法所制備的超導(dǎo)帶材氧化物過(guò)渡層IO3薄膜的(00 峰的X射線衍射儀ω掃描圖譜。其中X軸表示θ 角(單位是度)，Υ軸表示計(jì)數(shù)強(qiáng)度(單位是count/second)，由圖3可知，其半高寬(FWHM) 為1.4°，表明具有良好的面外織構(gòu)。圖4是利用本發(fā)明所述一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法所制備的超導(dǎo)帶材氧化物過(guò)渡層IO3薄膜的(111)面的X射線衍射儀φ掃描圖譜。其中X軸表示Phi角 (單位是度)，γ軸表示計(jì)數(shù)強(qiáng)度(單位是coimt/second)，由圖4可知，其半高寬為3. 8°， 表明具有良好的面內(nèi)織構(gòu)。圖5是利用本發(fā)明所述一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法所制備的超導(dǎo)帶材氧化物過(guò)渡層IO3薄膜的(111)面的X射線衍射儀極譜。由圖4可知，極點(diǎn)收斂為4個(gè)點(diǎn)，并且極點(diǎn)為4重對(duì)稱，表明所制備的IO3為立方結(jié)構(gòu)，并具有良好的面內(nèi)織構(gòu)。圖6是利用本發(fā)明所述一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法所制備的超導(dǎo)帶材氧化物過(guò)渡層IO3薄膜的原子力顯微鏡(AFM) 2 μ m區(qū)域內(nèi)表面形貌的平面圖。圖7是利用本發(fā)明所述一種雙面長(zhǎng)超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法所制備的超導(dǎo)帶材氧化物過(guò)渡層IO3薄膜的原子力顯微鏡(AFM) 2 μ m區(qū)域內(nèi)表面形貌的三維立體圖。由圖6、7可知，本發(fā)明所制備的IO3薄膜表面平整、無(wú)裂紋。圖8是1米長(zhǎng)基帶上IO3薄膜ω掃描兩面半高寬分布圖。由圖8可知，本發(fā)明所制備的IO3薄膜兩面一致性及單面的均勻性都相當(dāng)?shù)暮?。圖9是1米長(zhǎng)基帶上IO3薄膜φ掃描兩面半高寬分布圖。由圖9可知，本發(fā)明所制備的γ2ο3薄膜兩面一致性及單面的均勻性都相當(dāng)?shù)暮谩?br> 具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 本發(fā)明具體實(shí)施方式
提供的是一種基于低溫沉積金屬并進(jìn)行原位高溫氧化處理制備第二代高溫超導(dǎo)帶材氧化物過(guò)渡層薄膜的方法，其具體步驟如下第一步將含鎢5%的鎳基合金雙軸織構(gòu)基帶安裝在兩轉(zhuǎn)盤1，8之間，基帶寬為10 毫米，厚度為ο. 1毫米。通過(guò)帶有轉(zhuǎn)速控制器的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤1或者8勻速運(yùn)動(dòng)，由此帶動(dòng)基帶勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)下轉(zhuǎn)盤1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可帶動(dòng)基帶2勻速向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)上轉(zhuǎn)盤8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 可以帶動(dòng)基帶2勻速向上卷繞?；鶐г谇惑w5卷繞過(guò)程中，基帶表面保持與金屬靶材成90 度夾角。第二步將金屬釔(Y)靶(長(zhǎng)為48毫米，寬為32毫米，厚度為4毫米)安置在對(duì)靶4上，加熱電阻絲3對(duì)基帶進(jìn)行加熱，采用熱電偶10讀取腔體內(nèi)溫度。轉(zhuǎn)盤1、8，對(duì)靶4， 基帶2，加熱電阻絲3，熱電偶10均放置在生長(zhǎng)室9。反應(yīng)氣體進(jìn)氣管及閥門6 —直通入生長(zhǎng)室的內(nèi)部，而工作氣體進(jìn)氣管及閥門7則通入對(duì)靶4附近，右部開口接真空泵11 (機(jī)械泵和分子泵)。第二步用真空泵11將生長(zhǎng)室9抽背底真空至5. 0 X IO-4Pa以下，利用加熱電阻絲 3對(duì)基帶2進(jìn)行加熱，使溫度最終保持在620°C，通過(guò)熱電偶10來(lái)讀取溫度，然后從進(jìn)氣管 7向生長(zhǎng)室9內(nèi)充入氬氫混合氣體(Ar96+H24% )，并使生長(zhǎng)室9內(nèi)保持2. 5Pa氬氫混合氣體，從進(jìn)氣管6充入1. 2 X IO"3 2. 5 X 10 的水蒸氣。
第三步開啟對(duì)靶4輝光5，保持濺射功率40W 60W，濺射金屬釔靶材，使NiW5% 雙軸基片上沉積IO3薄膜。第四步基帶勻速通過(guò)輝光區(qū)域后，關(guān)閉濺射，停止對(duì)基片加熱，同時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣管 6、7，停止分子泵和機(jī)械泵，取出制得的IO3薄膜。將以上制得的IO3薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和表面形貌分析的儀器如下X射線衍射儀(XRD)，型號(hào)為英國(guó)Bede Dl System ；原子力顯微鏡(AFM)，型號(hào)為日本 SEIKO SPA-300HV。由以上對(duì)IO3薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌分析可知，采用本發(fā)明裝置能夠快速連續(xù)制備兩面一致性和面內(nèi)均勻性好的雙面長(zhǎng)帶材緩沖層，并且制備得到的緩沖層薄膜具有良好的取向性和高的表面平整度，為后續(xù)膜層的生長(zhǎng)提供了良好的生長(zhǎng)模板。由于具備以上的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)化快速生產(chǎn)的需求。實(shí)施例2本發(fā)明與實(shí)施例1的區(qū)別在于，步驟3)中，對(duì)基帶2進(jìn)行加熱，使溫度最終保持在 660°C，向生長(zhǎng)室9內(nèi)充入氬氫混合氣體，并使生長(zhǎng)室9內(nèi)保持2 氬氫混合氣體。實(shí)施例3本發(fā)明與實(shí)施例1的區(qū)別在于，步驟3)中，對(duì)基帶2進(jìn)行加熱，使溫度最終保持在 660°C，向生長(zhǎng)室9內(nèi)充入氬氫混合氣體，并使生長(zhǎng)室9內(nèi)保持3 氬氫混合氣體。
權(quán)利要求
1.雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法，其特征在于，包括下述步驟1)將含鎢5%的鎳基合金雙軸織構(gòu)基帶安裝在第一轉(zhuǎn)盤(1)和第二轉(zhuǎn)盤(8)之間；2)將金屬釔靶分別安置在對(duì)靶(4)上，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤之間的基帶平面的法線與相對(duì)的對(duì)靶 (4)上的金屬釔靶連線垂直；3)將生長(zhǎng)室(9)抽背底真空至5.OXKT4Pa以下，對(duì)基帶⑵進(jìn)行加熱，使溫度最終保持在600°C 660°C，向生長(zhǎng)室(9)內(nèi)充入氬氫混合氣體，并使生長(zhǎng)室(9)內(nèi)保持2 3 氬氫混合氣體，再充入1. 2 X 10_3到2. 5 X 10_3Pa的水蒸氣；4)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)第一轉(zhuǎn)盤(1)或者第二轉(zhuǎn)盤(8)帶動(dòng)基帶勻速運(yùn)動(dòng)；5)開啟輝光(5)，濺射金屬釔靶材，在基片上沉積IO3薄膜；6)關(guān)閉濺射，停止對(duì)基片加熱，得到制得的IO3薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法，其特征在于，基帶運(yùn)動(dòng)方向與金屬釔靶連線垂直。
3.如權(quán)利要求1所述的雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法，其特征在于，所述氬氫混合氣體由摩爾比為96%的Ar和4%的H2組成。
4.如權(quán)利要求1所述的雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法，其特征在于，步驟3)的溫度保持620°C，生長(zhǎng)室(9)內(nèi)保持2. 5 氬氫混合氣體。
全文摘要
雙面超導(dǎo)帶材緩沖層的連續(xù)制備方法，屬于超導(dǎo)材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括下述步驟1)將基帶安裝在兩個(gè)轉(zhuǎn)盤之間；2)將金屬釔靶分別安置在對(duì)靶上，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤之間的基帶平面的法線與相對(duì)的對(duì)靶上的金屬釔靶連線垂直；3)將生長(zhǎng)室(9)抽背底真空至5.0×10-4Pa以下，對(duì)基帶進(jìn)行加熱，使溫度保持在600℃～660℃，向生長(zhǎng)室內(nèi)充入氬氫混合氣體，并保持2～3Pa，再充入1.2×10-3到2.5×10-3Pa的水蒸氣；4)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)第一轉(zhuǎn)盤或者第二轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)基帶勻速運(yùn)動(dòng)；5)開啟輝光，濺射金屬釔靶材，在基片上沉積Y2O3薄膜；6)關(guān)閉濺射。本發(fā)明采用離軸濺射，基帶與靶材成90度夾角，提高了雙面緩沖層面內(nèi)外織構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L39/24GK102255040SQ201110091978
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者夏鈺東, 張飛, 李言榮, 熊杰, 趙曉輝, 陶伯萬(wàn) 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)