專利名稱：a軸取向的釔鋇銅氧超導(dǎo)厚膜的氧氣氛控制制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種a軸取向的釔鋇銅氧超導(dǎo)厚膜的氧氣氛控制制備方法，通過生長(zhǎng)氣氛的改變來控制厚膜的生長(zhǎng)取向，在特定的熔體以及較寬的溫度范圍內(nèi)得到a軸取向的釔鋇銅氧超導(dǎo)厚膜。屬于高溫超導(dǎo)材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在高溫超導(dǎo)材料(High Temperature Superconductor，簡(jiǎn)稱HTS)的實(shí)際應(yīng)用中，合理控制超導(dǎo)層的生長(zhǎng)取向具有重要的意義，比如在制備涂層材料和電子器件中的超導(dǎo)層時(shí)，都需要人為地控制其取向。一般來說，這些應(yīng)用中主要涉及到Y(jié)Ba2Cu3Oz(簡(jiǎn)稱YBCO、釔鋇銅氧)膜的兩種取向，既a軸取向和c軸取向。因?yàn)閅BCO晶體在ab面方向的相干長(zhǎng)度和在c軸方向的相干長(zhǎng)度存在著較大的差異，所以使得這兩種取向的YBCO具有不同用途。比如，沉積在具有緩沖層的金屬基底上c軸取向的YBCO載流層用于電流傳輸，而a軸取向的YBCO膜適合制造約瑟夫瑟(Josephson)結(jié)器件。液相外延生長(zhǎng)(Liquid PhaseEpitaxy，簡(jiǎn)稱LPE)是在現(xiàn)有的襯底材料(或種膜材料)上通過外延生長(zhǎng)具有單結(jié)晶性能的厚膜材料，是一種非常有前途的材料制備技術(shù)。因此通過控制液相外延的生長(zhǎng)條件來有效的改變YBCO厚膜的生長(zhǎng)取向也是非常有意義的。在大氣環(huán)境下，T.Kitamura使用液相外延方法，在富銅的熔劑中(Ba/Cu原子比為3∶6.5)通過改變生長(zhǎng)溫度從而在(110)取向的NdGaO3(NGO)單晶基片上得到完全不同取向的YBCO厚膜，在接近YBCO的包晶反應(yīng)溫度(Tp)的區(qū)間中是純a軸取向厚膜的生長(zhǎng)，而在相對(duì)較低的生長(zhǎng)溫度區(qū)間得到純c軸取向的厚膜。但是，在Ba/Cu原子比為3∶5的熔劑中，改變生長(zhǎng)溫度始終只能得到純c軸厚膜[T.Kitamura，M.Yoshida，Y.Yamada，Y.Shiohara，I.Hirabayashi，and S.Tanaka，Crystalline orientation of YBa2Cu3Oyfilm prepared by liquid-phase epitaxial growthon NdGaO3substrate，Applied Physics Letters 66(1995)1421-1423.]。
在YBCO的晶體生長(zhǎng)中，Ba/Cu原子比為3∶5的熔劑因?yàn)槠淠軌蚍€(wěn)定保持內(nèi)部鋇銅比例的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，而且此種熔劑所合適的溫度范圍也便于實(shí)現(xiàn)接近熱力學(xué)平衡的生長(zhǎng)。在前人所掌握的技術(shù)當(dāng)中，無法在Ba/Cu原子比為3∶5的熔劑中生長(zhǎng)純a軸的厚膜，而通過改變?nèi)蹌┙M分的手段來改變生長(zhǎng)取向在操作上較為復(fù)雜。因而尋找其他簡(jiǎn)便的途徑來控制YBCO厚膜生長(zhǎng)取向在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種a軸取向的釔鋇銅氧超導(dǎo)厚膜的氧氣氛控制制備方法，利用簡(jiǎn)便而成本低廉的辦法，得到按照設(shè)計(jì)取向生長(zhǎng)的高質(zhì)量準(zhǔn)單晶超導(dǎo)厚膜。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明利用液相外延生長(zhǎng)裝置，在純氧氣氛中得到高結(jié)晶品質(zhì)的a軸取向的YBCO厚膜。按照3∶5的鋇銅原子比例配置Ba-Cu-O粉末，經(jīng)研磨煅燒后，放在Y2O3坩堝內(nèi)加熱熔化，得到Y(jié)-Ba-Cu-O熔體。將密閉熔爐里的氣氛環(huán)境改變?yōu)?00％的純氧氣氛，并且把坩鍋內(nèi)熔體溫度調(diào)整到低于YBCO包晶熔化溫度5-20K，在取向?yàn)?110)的單晶鎵酸釹基片上液相外延得到高質(zhì)量的a軸YBCO厚膜。本發(fā)明僅僅通過氣氛環(huán)境中氧含量的改變，使得在原本處于大氣環(huán)境下不適合a軸取向厚膜生長(zhǎng)的3∶5熔體環(huán)境中能在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)得到a軸YBCO厚膜。
本發(fā)明采用100％的純氧生長(zhǎng)氣氛來實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)的控制，實(shí)現(xiàn)a軸取向的YBCO厚膜的生長(zhǎng)。不僅可以在YBCO厚膜的液相外延中提高生長(zhǎng)速率，而且能夠有效控制厚膜的織構(gòu)取向。
本發(fā)明的方法具體步驟如下1)用BaCO3+CuO的粉末進(jìn)行配料，控制Ba/Cu原子比為0.6；2)對(duì)BaCO3+CuO粉末進(jìn)行研磨，然后在850-950℃保溫45-50小時(shí)進(jìn)行煅燒，燒結(jié)成均勻的Ba-Cu-O粉末；
3)將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y2O3坩堝內(nèi)，將熔爐加熱至YBCO的包晶熔化溫度以上40-50K，并保溫20-30小時(shí)使Ba-Cu-O粉末均勻熔化，得到Y(jié)-Ba-Cu-O熔體；4)將熔爐里的氣氛環(huán)境改變?yōu)?00％的純氧氣氛，并且保持熔爐的密閉以及氣流的穩(wěn)定性；5)將Y-Ba-Cu-O熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下5-20K，作為外延生長(zhǎng)溫度；6)用單面拋光的(110)取向的鎵酸釹單晶基片作為生長(zhǎng)襯底，采取液相外延法生長(zhǎng)YBCO厚膜，生長(zhǎng)時(shí)間3-5分鐘，得到厚度為10-20微米a軸取向的釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)厚膜。
本發(fā)明中利用了Y2O3坩堝的部分Y元素溶解在Ba-Cu-O熔體中，從而提供生長(zhǎng)YBCO厚膜過程中所需的Y元素。生長(zhǎng)過程中由提拉裝置控制生長(zhǎng)襯底的上下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，具體是由提拉桿連接著一片(110)取向的單晶鎵酸釹基片，可旋轉(zhuǎn)和提拉。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)純氧氣氛的程序易操作，氧氣氛控制方法能在鋇銅比例為3∶5的熔劑環(huán)境中，在5-20K的溫度范圍內(nèi)得到a軸取向的YBCO厚膜，并且具有良好的外延取向以及結(jié)晶品質(zhì)。在原本處于大氣環(huán)境中無法生長(zhǎng)出a軸取向厚膜的Ba∶Cu＝3∶5的Ba-Cu-O熔體中，本方法通過增加氣氛環(huán)境中的氧含量從而也增加熔體中的氧含量，從根源上促進(jìn)a軸取向晶粒的形核與生長(zhǎng)，從而得到純a軸取向的YBCO厚膜。另外，本發(fā)明所采用的純氧氣氛中的液相外延過程具有高沉積速率(μm/min量級(jí))和低成本(氣體成本和低純度要求)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，本發(fā)明也適用于制備其他類型的a軸取向的稀土鋇銅氧REBCO高溫超導(dǎo)厚膜，如釹鋇銅氧NdBCO、釤鋇銅氧SmBCO以及混晶REBCO厚膜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1使用(110)取向的NGO基片液相外延生長(zhǎng)a軸取向的YBCO超導(dǎo)厚膜
1)用BaCO3+CuO的粉末進(jìn)行配料，控制Ba/Cu原子比為O.6；2)對(duì)BaCO3+CuO粉末進(jìn)行研磨，然后在850℃保溫50小時(shí)進(jìn)行煅燒，燒結(jié)成均勻的Ba-Cu-O粉末；3)將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y2O3坩堝內(nèi)，將熔爐加熱至YBCO的包晶熔化溫度以上50K，并保溫20小時(shí)使Ba-Cu-O粉末均勻熔化，得到Y(jié)-Ba-Cu-O熔體；4)將熔爐里的氣氛環(huán)境改變?yōu)?00％的純氧氣氛，并且保持熔爐的密閉以及氣流的穩(wěn)定性；5)將Y-Ba-Cu-O熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下5K，作為外延生長(zhǎng)溫度；6)用單面拋光的(110)取向的鎵酸釹單晶基片作為生長(zhǎng)襯底，采取液相外延法生長(zhǎng)YBCO厚膜，生長(zhǎng)時(shí)間3分鐘，得到厚度為10微米a軸取向的釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)厚膜。
實(shí)施例2使用(110)取向的NGO基片液相外延生長(zhǎng)a軸取向的YBCO超導(dǎo)厚膜1)用BaCO3+CuO的粉末進(jìn)行配料，控制Ba/Cu原子比為0.6；2)對(duì)BaCO3+CuO粉末進(jìn)行研磨，然后在900℃保溫45小時(shí)進(jìn)行煅燒，燒結(jié)成均勻的Ba-Cu-O粉末；3)將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y2O3坩堝內(nèi)，將熔爐加熱至YBCO的包晶熔化溫度以上45K，并保溫24小時(shí)使Ba-Cu-O粉末均勻熔化，得到Y(jié)-Ba-Cu-O熔體；4)將熔爐里的氣氛環(huán)境改變?yōu)?00％的純氧氣氛，并且保持熔爐的密閉以及氣流的穩(wěn)定性；5)將Y-Ba-Cu-O熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下10K，作為外延生長(zhǎng)溫度；
6)用單面拋光的(110)取向的鎵酸釹單晶基片作為生長(zhǎng)襯底，采取液相外延法生長(zhǎng)YBCO厚膜，生長(zhǎng)時(shí)間4分鐘，得到厚度為13微米a軸取向的釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)厚膜。
實(shí)施例3使用(110)取向的NGO基片液相外延生長(zhǎng)a軸取向的YBCO超導(dǎo)厚膜1)用BaCO3+CuO的粉末進(jìn)行配料，控制Ba/Cu原子比為0.6；2)對(duì)BaCO3+CuO粉末進(jìn)行研磨，然后在950℃保溫40小時(shí)進(jìn)行煅燒，燒結(jié)成均勻的Ba-Cu-O粉末；3)將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y2O3坩堝內(nèi)，將熔爐加熱至YBCO的包晶熔化溫度以上40K，并保溫30小時(shí)使Ba-Cu-O粉末均勻熔化，得到Y(jié)-Ba-Cu-O熔體；4)將熔爐里的氣氛環(huán)境改變?yōu)?00％的純氧氣氛，并且保持熔爐的密閉以及氣流的穩(wěn)定性；5)將Y-Ba-Cu-O熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下15K，作為外延生長(zhǎng)溫度；6)用單面拋光的(110)取向的鎵酸釹單晶基片作為生長(zhǎng)襯底，采取液相外延法生長(zhǎng)YBCO厚膜，生長(zhǎng)時(shí)間5分鐘，得到厚度為17微米a軸取向的釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)厚膜。
權(quán)利要求
1.一種a軸取向的釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)厚膜的氧氣氛控制制備方法，其特征在于包括如下步驟1)用BaCO3+CuO的粉末進(jìn)行配料，控制Ba/Cu原子比為0.6；2)對(duì)BaCO3+CuO粉末進(jìn)行研磨，然后在850-950℃保溫45-50小時(shí)進(jìn)行煅燒，燒結(jié)成均勻的Ba-Cu-O粉末；3)將Ba-Cu-O粉末加到放置在熔爐中的Y2O3坩堝內(nèi)，將熔爐加熱至YBCO的包晶熔化溫度以上40-50K，并保溫20-30小時(shí)使Ba-Cu-O粉末均勻熔化，得到Y(jié)-Ba-Cu-O熔體；4)將熔爐里的氣氛環(huán)境改變?yōu)?00％的純氧氣氛，并且保持熔爐的密閉以及氣流的穩(wěn)定性；5)將Y-Ba-Cu-O熔體冷卻至YBCO的包晶熔化溫度以下5-20K，作為外延生長(zhǎng)溫度；6)用單面拋光的(110)取向的鎵酸釹單晶基片作為生長(zhǎng)襯底，采取液相外延法生長(zhǎng)YBCO厚膜，生長(zhǎng)時(shí)間3-5分鐘，得到厚度為10-20微米a軸取向的釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)厚膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種a軸取向的釔鋇銅氧YBCO超導(dǎo)厚膜的氧氣氛控制制備方法，利用液相外延生長(zhǎng)裝置，在純氧氣氛中得到高結(jié)晶品質(zhì)的a軸取向的YBCO厚膜。按照3∶5的鋇銅原子比例配置Ba－Cu－O粉末，經(jīng)研磨煅燒后，放在Y
文檔編號(hào)C04B35/45GK1970849SQ200610117890
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者姚忻, 蔡衍卿 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)