專利名稱：使用NGO單晶基板制備a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫超導(dǎo)材料的制備方法，尤其涉及一種使用NGO單晶基板制備a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的方法。
背景技術(shù)：
自從高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以來，大量的晶體工作者投入到了高品質(zhì)膜的基礎(chǔ)研究和制備領(lǐng)域。由于REBa2Cu3Ox(簡稱REBCO、RE123、稀土鋇銅氧，其中RE代表稀土元素)具有高于液氮溫度的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，其在低于轉(zhuǎn)變溫度Tc的溫度環(huán)境下表現(xiàn)出邁斯納效應(yīng)和零電阻效應(yīng)等特性。正是由于REBCO高溫超導(dǎo)材料的這些重要特性，REBCO超導(dǎo)厚膜在諸如限流器、帶通濾波器等超導(dǎo)器件方面具有許多潛在的應(yīng)用。材料的應(yīng)用取決于材料的性能，而材料的結(jié)構(gòu)決定了材料的性能，進而影響了材料在實際中的應(yīng)用。一般來說，由于REBCO超導(dǎo)晶體的晶格常數(shù)在兩個方向a軸和b軸近似相等，因而REBCO超導(dǎo)厚膜具有兩種取向，即a軸取向和c軸取向。c軸取向的REBCO高溫超導(dǎo)厚膜在電力運輸方面有重要的應(yīng)用，而a軸取向的REBCO高溫超導(dǎo)厚膜在約瑟夫森結(jié)器件方面有至關(guān)重要的應(yīng)用。更確切地說，約瑟夫森結(jié)結(jié)器件的設(shè)計與開發(fā)，離不開高品質(zhì)的a軸高溫超導(dǎo)膜的制備。液相外延(Liquid Phase Epitaxy, LPE)被普遍認為是一種極具潛力的REBCO超導(dǎo)厚膜的制備方法。在液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜的過程中，籽晶被固定在連接桿上緩慢靠近飽和溶液表面，作為唯一的形核點誘導(dǎo)REBCO超導(dǎo)厚膜的生長。由于LPE的生長條件接近平衡態(tài)，使用薄膜材料作為籽晶誘導(dǎo)生長得到的厚膜具有低缺陷、高平整度、高結(jié)晶性能等特點。另外，由于LPE在非真空條件下進行，因而這種方法具有制備成本低等優(yōu)點。并且與一般的成膜技術(shù)相比，LPE具有較快的生長速度。c軸REBCO膜用液相外延是很容易獲得的，但是a軸REBCO厚膜在空氣環(huán)境下相當(dāng)難以制備。主要原因是一方面，a軸REBCO厚膜在空氣環(huán)境下的生長窗口非常小，常規(guī)手段很難獲得純a軸膜的生長窗口 ；另一方面，a軸膜需要在很小過飽和度的條件下才能在與 c軸膜競爭生長中占優(yōu)勢，而實際中很難達到接近平衡態(tài)那樣小的過飽和度。可見，探索用于獲得a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜生長窗口的方法顯得至關(guān)重要。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于探尋一種液相外延生長REBCO超導(dǎo)膜的方法，用于液相外延生長純a軸取向的高品質(zhì)REBCO超導(dǎo)厚膜。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜的方法，探索使用鎵酸釹(NdGaO3, NG0)單晶基板作為籽晶，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長a軸取向的REBCO超導(dǎo)厚膜。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種使用NGO單晶基板制備a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的方法，具體步驟以下包括
I、將BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaC03+Cu0粉料，BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 3-0. 8 ；2、對步驟I所得的BaC03+Cu0粉料進行預(yù)處理；3、燒結(jié)步驟2預(yù)處理后的BaC03+Cu0粉料，制得Ba-Cu-O粉末；4、將步驟3所得的Ba-Cu-O粉末加入到RE2O3材料的坩堝中加熱至第一溫度，并繼續(xù)保溫，獲得RE-Ba-Cu-O溶液；5、步驟4所得的RE-Ba-Cu-O溶液冷卻至第二溫度；6、使用NGO單晶基板作為籽晶，將所述NGO單晶基板的表面接觸步驟5中冷卻后RE-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜。進一步地，步驟2所述的預(yù)處理包括以下工序 a、對所述BaCO3CuO粉料進行濕磨以獲得BaC03+Cu0漿料，濕磨時間為2_4小時；b、烘干工序a所得的BaC03+Cu0漿料。進一步地,工序a所述的濕磨時,在所述BaC03+Cu0粉料中加入的液體選自無水乙醇和水中的一種。進一步地，步驟3所述的燒結(jié)為將經(jīng)過所述預(yù)處理的所述BaC03+Cu0粉料在890-91 (TC 保溫 40-50 小時。進一步地，步驟4所述的第一溫度為所述REBCO的包晶溫度以上5_35°C。進一步地，步驟4所述的保溫的時間為20-24小時。進一步地，步驟5所述的第二溫度為所述REBCO的包晶溫度以下40_70°C。進一步地,步驟5所述的冷卻速度為2_5°C /min。進一步地，步驟6所述的頂部籽晶提拉法液相外延生長的工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度為10_30rpm,生長時間為O. 5_4min。進一步地,所述的RE選自Y和Sm中的一種。由此可見，本發(fā)明實現(xiàn)了采用NGO單晶基板作為籽晶，液相外延生長高品質(zhì)a軸的REBCO超導(dǎo)厚膜，由此證明了通過控制生長溫度以及冷卻速率液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜的可行性。由于低的生長溫度以及大的冷卻速率都可以促使溶液的過飽和度急劇增加，從而使得RE-Ba-Cu-O溶液有亞穩(wěn)區(qū)進入到不穩(wěn)區(qū)。溶液狀態(tài)由亞穩(wěn)區(qū)進入不穩(wěn)區(qū)是產(chǎn)生自發(fā)形核的關(guān)鍵，也是獲得高品質(zhì)a軸膜的關(guān)鍵。因為自發(fā)形核不僅增加了溶液的粘度，而且減弱了溶質(zhì)的擴散，所以急劇地降低了溶液的過飽和度。另一方面，低溫抑制了 NGO單晶基板中的釹元素回溶到溶液中，從而進一步降低了溶液的過飽和度。最終，RE-Ba-Cu-O溶液由不穩(wěn)區(qū)進入到接近平衡態(tài)的區(qū)域，從而實現(xiàn)了小過飽和度的獲得，進而實現(xiàn)了高品質(zhì)a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的制備?？梢姡景l(fā)明促進了 REBCO高溫超導(dǎo)器件設(shè)計與研發(fā)領(lǐng)域的發(fā)展，對高溫超導(dǎo)器件的研制開發(fā)具有重要意義。以下將對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖I是使用NGO單晶基板制備a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的示意圖。圖中，I-表示配料過程；2_表示預(yù)處理過程；3_表示燒結(jié)過程；4_表示加熱至第一溫度，并繼續(xù)保溫過程；5_表示冷卻至第二溫度過程；6_表示頂部籽晶提拉法液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜過程。圖2是本發(fā)明實施例I中通過使用NGO單晶基板制備的a軸YBCO高溫超導(dǎo)厚膜的X射線衍射(XRD)圖。
具體實施例方式如圖I所示，在本發(fā)明的一個較佳實施方式中，采用NGO單晶基板制備a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的示意圖，包括步驟取用BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaC03+Cu0粉料；對BaC03+Cu0粉料進行預(yù)處理后燒結(jié)形成Ba-Cu-O粉末；將Ba-Cu-O粉末加入到RE2O3材料的坩堝中加熱至第一溫度，并繼而保溫，獲得RE-Ba-Cu-O溶液；將RE-Ba-Cu-O溶液冷卻至第二溫度；使用尺寸為3mmX IOmm的NGO單晶基板作為籽晶，將NGO的表面接觸RE-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜。
實施例I :采用本發(fā)明的液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜的方法生長了 YBCO超導(dǎo)厚膜，具體步驟為I、取用BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaC03+Cu0粉料，BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。具體BaCO3粉末和CuO粉末的取用量可以根據(jù)所要生長的YBCO超導(dǎo)厚膜進行確定，完成配料后獲得的BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。其中，BaC03+Cu0粉料為由BaCO3粉末和CuO粉末混合后獲得的粉料。2、對經(jīng)過步驟I獲得的BaC03+Cu0粉料進行預(yù)處理，預(yù)處理包括a、在BaC03+Cu0粉料中加入無水乙醇進行濕磨，濕磨時間設(shè)定為3小時，獲得BaC03+Cu0 漿料。b、烘干 BaC03+Cu0 漿料。3、燒結(jié)經(jīng)過預(yù)處理的BaC03+Cu0粉料。將其在900°C保溫48小時，形成均勻的Ba-Cu-O 粉末。4、將經(jīng)過步驟3獲得的Ba-Cu-O粉末加入到Y(jié)2O3材料的坩堝中加熱至1015°C (即YBCO的包晶溫度以上10°C )，并繼而保溫24小時。由此，Ba-Cu-O粉末均勻熔化，獲得Y-Ba-Cu-O 溶液。5、將經(jīng)過步驟4獲得的Y-Ba-Cu-O溶液以3°C /min的冷卻速率冷卻至940°C (即YBCO的包晶溫度以下65°C )。6、采用尺寸為3mm X I Omm的NGO單晶基板作為籽晶，將NGO基板的表面接觸Y-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長YBCO超導(dǎo)厚膜。本實施例中，生長過程中具體工藝參數(shù)為籽晶的旋轉(zhuǎn)速度為16rpm,生長時間為lmin。如圖2所示，通過對外延在NGO單晶基板上的YBCO高溫超導(dǎo)厚膜的取向進行X射線衍射(XRD)表征，發(fā)現(xiàn)厚膜的衍射結(jié)果中沒有(OOL)的峰，只有(HOO)或(OKO)的峰(注(OOL)的峰代表c軸取向，(HOO)或(OKO)的峰代表a軸取向)。也就是說，通過控制生長溫度和冷卻速率，成功地利用液相外延生長出了純a軸的YBCO膜。實施例2
采用本發(fā)明的液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜的方法生長了 SmBCO超導(dǎo)厚膜，具體步驟為I、取用BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaC03+Cu0粉料，BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。具體BaCO3粉末和CuO粉末的取用量可以根據(jù)所要生長的SmBCO超導(dǎo)厚膜進行確定，完成配料后獲得的BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。其中，BaC03+Cu0粉料為由BaCO3粉末和CuO粉末混合后獲得的粉料。2、對經(jīng)過步驟I獲得的BaC03+Cu0粉料進行預(yù)處理，預(yù)處理包括a、在BaC03+Cu0粉料中加入無水乙醇進行濕磨，濕磨時間設(shè)定為3小時，獲得BaC03+Cu0 漿料。
b、烘干 BaC03+Cu0 漿料。3、燒結(jié)經(jīng)過預(yù)處理的BaC03+Cu0粉料。將其在900°C保溫48小時，形成均勻的Ba-Cu-O 粉末。4、將經(jīng)過步驟3獲得的Ba-Cu-O粉末加入到Sm2O3材料的坩堝中加熱至1075 °C (即SmBCO的包晶溫度以上10°C )，并繼而保溫24小時。由此，Ba-Cu-O粉末均勻熔化，獲得Sm-Ba-Cu-O 溶液。5、將經(jīng)過步驟4獲得的Sm-Ba-Cu-O溶液以2. 5 °C /min的冷卻速率冷卻至1025°C (即SmBCO的包晶溫度以下40°C )。6、采用尺寸為3mm X I Omm的NGO單晶基板作為籽晶，將NGO基板的表面接觸Sm-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長SmBCO超導(dǎo)厚膜。本實施例中，生長過程中具體工藝參數(shù)為籽晶的旋轉(zhuǎn)速度為IOrpm,生長時間為40s。實施例3 采用本發(fā)明的液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜的方法生長了 YBCO超導(dǎo)厚膜，具體步驟為I、取用BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaC03+Cu0粉料，BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。具體BaCO3粉末和CuO粉末的取用量可以根據(jù)所要生長的YBCO超導(dǎo)厚膜進行確定，完成配料后獲得的BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。其中，BaC03+Cu0粉料為由BaCO3粉末和CuO粉末混合后獲得的粉料。2、對經(jīng)過步驟I獲得的BaC03+Cu0粉料進行預(yù)處理，預(yù)處理包括a、在BaC03+Cu0粉料中加入水進行濕磨，濕磨時間設(shè)定為3小時，獲得BaC03+Cu0漿料。 b、烘干 BaC03+Cu0 漿料。3、燒結(jié)經(jīng)過預(yù)處理的BaC03+Cu0粉料。將其在900°C保溫48小時，形成均勻的Ba-Cu-O 粉末。4、將經(jīng)過步驟3獲得的Ba-Cu-O粉末加入到Y(jié)2O3材料的坩堝中加熱至1015°C (即YBCO的包晶溫度以上10°C )，并繼而保溫24小時。由此，Ba-Cu-O粉末均勻熔化，獲得Y-Ba-Cu-O 溶液。5、將經(jīng)過步驟4獲得的Y-Ba-Cu-O溶液以3°C /min的冷卻速率冷卻至940°C (即YBCO的包晶溫度以下65°C )。6、采用尺寸為3mm X IOmm的NGO單晶基板作為籽晶，將NGO基板的表面接觸Y-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長YBCO超導(dǎo)厚膜。本實施例中，生長過程中具體工藝參數(shù)為籽晶的旋轉(zhuǎn)速度為16rpm,生長時間為lmin。實施例4 采用本發(fā)明的液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜的方法生長了 SmBCO超導(dǎo)厚膜，具體步驟為I、取用BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaC03+Cu0粉料，BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。具體BaCO3粉末和CuO粉末的取用量可以根據(jù)所要生長的SmBCO超導(dǎo)厚膜進行確定，完成配料后獲得的BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 6。其中，BaC03+Cu0粉料 為由BaCO3粉末和CuO粉末混合后獲得的粉料。2、對經(jīng)過步驟I獲得的BaC03+Cu0粉料進行預(yù)處理，預(yù)處理包括a、在BaC03+Cu0粉料中加入水進行濕磨，濕磨時間設(shè)定為3小時，獲得BaC03+Cu0漿料。b、烘干 BaC03+Cu0 漿料。3、燒結(jié)經(jīng)過預(yù)處理的BaC03+Cu0粉料。將其在900°C保溫48小時，形成均勻的Ba-Cu-O 粉末。4、將經(jīng)過步驟3獲得的Ba-Cu-O粉末加入到Sm2O3材料的坩堝中加熱至1075°C (即SmBCO的包晶溫度以上10°C )，并繼而保溫24小時。由此，Ba-Cu-O粉末均勻熔化，獲得Sm-Ba-Cu-O 溶液。5、將經(jīng)過步驟4獲得的Sm-Ba-Cu-O溶液以2. 5 °C /min的冷卻速率冷卻至1025°C (即SmBCO的包晶溫度以下40°C )。6、采用尺寸為3mm X IOmm的NGO單晶基板作為籽晶，將NGO基板的表面接觸Sm-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長SmBCO超導(dǎo)厚膜。本實施例中，生長過程中具體工藝參數(shù)為籽晶的旋轉(zhuǎn)速度為IOrpm,生長時間為40s。以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種使用NGO單晶基板制備a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的方法，其特征在于，具體包括以下步驟 (1)將BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaC03+Cu0粉料，所述BaC03+Cu0粉料中的Ba和Cu的摩爾比為O. 3-0. 8 ； (2)對步驟(I)所得的BaC03+Cu0粉料進行預(yù)處理； (3)燒結(jié)步驟(2)預(yù)處理后的BaC03+Cu0粉料，制得Ba-Cu-O粉末； (4)將步驟(3)所得的Ba-Cu-O粉末加入到RE2O3材料的坩堝中加熱至第一溫度，并繼續(xù)保溫，獲得RE-Ba-Cu-O溶液； (5)步驟(4)所得的RE-Ba-Cu-O溶液冷卻至第二溫度； (6)使用NGO單晶基板作為籽晶，將所述NGO單晶基板的表面接觸步驟(5)中冷卻后RE-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟(2)所述的預(yù)處理包括以下工序 (a)對所述BaC03+Cu0粉料進行濕磨以獲得BaC03+Cu0漿料，濕磨時間為2_4小時； (b)烘干工序(a)所得的BaC03+Cu0漿料。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，工序(a)所述的濕磨時，在所述BaC03+Cu0粉料中加入的液體選自無水乙醇和水中的一種。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟(3)所述的燒結(jié)為將經(jīng)過所述預(yù)處理的所述BaC03+Cu0 粉料在 890-91 (TC 保溫 40-50 小時。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟(4)所述的第一溫度為所述REBCO的包晶溫度以上 5-35 °C。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟(4)所述的保溫的時間為20-24小時。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟(5)所述的第二溫度為所述REBCO的包晶溫度以下 40-70°C。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟(5)所述的冷卻速度為2-5°C/min。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，步驟(6)所述的頂部籽晶提拉法液相外延生長的工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度為10-30rpm，生長時間為O. 5_4min。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述的RE選自Y和Sm中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用NGO單晶基板制備a軸REBCO高溫超導(dǎo)厚膜的方法，具體步驟包括BaCO3粉末和CuO粉末進行配料，獲得BaCO3+CuO粉料；BaCO3+CuO粉料預(yù)處理并燒結(jié)，制得Ba-Cu-O粉末；Ba-Cu-O粉末加入到RE2O3材料的坩堝中加熱至第一溫度并保溫，獲得RE-Ba-Cu-O溶液；RE-Ba-Cu-O溶液冷卻至第二溫度；將NGO單晶基板的表面接觸RE-Ba-Cu-O溶液，采用頂部籽晶提拉法液相外延生長REBCO超導(dǎo)厚膜。本發(fā)明證明了通過控制生長溫度及冷卻速率外延生長特定取向REBCO超導(dǎo)厚膜的可行性，探索得到了一種外延a軸取向REBCO超導(dǎo)厚膜的非常規(guī)方法。
文檔編號C30B29/22GK102925976SQ201210439908
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者姚忻, 郭林山, 陳媛媛, 程玲, 許恒恒, 彭波南, 王偉 申請人:上海交通大學(xué)