一种用于制备a轴取向高温超导膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于制备a轴取向高温超导膜的方法，包括以下步骤：a)制备Ba-Cu-O粉末；b)将Ba-Cu-O先驱粉末加入晶体生长炉中的Y2O3坩埚中，加热至第一温度进行保温，获得Y-Ba-Cu-O溶液；c)将溶液以第一降温速度降低至第二温度；d)将溶液以第一升温速度从第二温度升高至第三温度；e)将固定在连接杆的NGO单晶基板作为籽晶材料插入到步骤d)得到的溶液，生长纯a轴取向的YBCO液相外延膜。本发明专利技术采用NGO单晶基板作为籽晶，通过控制第一降温速度、第二温度、第一升温速度以及第三温度以实现外延生长a轴取向YBCO超导厚膜。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，包括以下步骤：a)制备Ba-Cu-O粉末；b)将Ba-Cu-O先驱粉末加入晶体生长炉中的Y2O3坩埚中，加热至第一温度进行保温，获得Y-Ba-Cu-O溶液；c)将溶液以第一降温速度降低至第二温度；d)将溶液以第一升温速度从第二温度升高至第三温度；e)将固定在连接杆的NGO单晶基板作为籽晶材料插入到步骤d)得到的溶液，生长纯a轴取向的YBCO液相外延膜。本专利技术采用NGO单晶基板作为籽晶，通过控制第一降温速度、第二温度、第一升温速度以及第三温度以实现外延生长a轴取向YBCO超导厚膜。【专利说明】
本专利技术涉及一种高温超导材料的制备方法，尤其涉及一种通过调控溶液的冷却过 程以制备a轴取向高温超导膜的方法。
技术介绍
高温超导材料在液氮温度具有优异的超导性能，因此在超导储能、超导电机、核磁 共振、器件研发等领域拥有极其重要的应用价值。高品质膜的基础应用研究吸引了大批材 料物理学家的广泛关注。目前，高温超导体主要包括四大类：9〇K的稀土系、110K的铋系、 12δΚ的铊系和13δΚ的汞系。其中，YB%Cu 30x(简称YBCO、Υ123)具有高于液氮温度的超导 转变温度T。，其在低于转变温度T。的温度环境下表现出迈斯纳效应和零电阻效应等特性， 并且制备工艺相对成熟。 材料的结构决定了材料的性能，进而影响了材料在实际中的应用。一般来说，由于 YBC0超导晶体的晶格常数在两个方向a轴和b轴近似相等，即YBC0晶体结构近似于一个 正四棱柱。因而，YBC0超导厚膜通常表现出两种取向，即a轴取向和 c轴取向。c轴取向的 YBC0高温超导厚膜具有较高的临界电流密度，因而在电力运输方面有重要的应用，而a轴 取向的YBC0高温超导厚膜在约瑟夫森结器件方面有至关重要的应用。 液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE)被普遍认为是一种极具潜力的YBC0超导 厚膜的制备方法。在液相外延生长YBC0超导厚膜的过程中，籽晶被固定在连接杆上缓慢靠 近饱和溶液表面，作为唯一的形核点诱导YBC0超导厚膜的生长。LPE的生长条件接近平衡 态，使用晶格失配度较小的材料作为籽晶诱导生长得到的厚膜具有低缺陷、高结晶性能等 特点。另外，LPE在非真空条件下进行，因而这种方法具有制备成本低等优点。并且与一般 的成膜技术相比，LPE具有较快的生长速度。 根据研究表明，在（110)取向的NdGa03(NG0、镓酸钕）基板上不仅可以外延生长纯 c轴取向的YBC0厚膜，而且可以外延生长纯a轴取向的YBC0厚膜。文献报道了采用液相外 延工艺制备用于约瑟夫森结器件研发所需要的纯a轴取向YBC0厚膜的多种方法。但是，现 有的制备工艺主要存在以下两个问题：第一，在空气中生长纯a轴膜非常困难。以往的报道 中，由于Nd元素在较高温度下的回溶会增大溶液的过饱和度，而 a轴膜的生长需要很小的 过饱和度，较大的过饱和状态只能得到c轴或者a/c轴混合取向的超导膜。基板回溶效应 与过冷度之间不可调和的矛盾使得a轴膜在亚稳区的生长窗口非常小，这给纯a轴膜的制 备带来非常大的困难。另外，尽管在不稳区的生长窗口得到较大扩展，但是由于溶液的自发 形核会在液面出现浮游，这会大大影响a轴膜的品质。第二，虽然在氧气中a轴的生长窗口 在10K以上，但是该方法操作麻烦且成本较高。 传统获得小过饱和状态的方法有三种：1、小的过冷度；2、慢速缓降溶液；3、在生 长温度等待一段时间之后再下籽晶生长。但是研究表明这些方法都无法获得a轴超导膜， 几乎只能得到c轴或者a/c轴混合取向的超导膜，说明这些方法无法实现极小的过饱和状 态，为了获得纯a轴的超导膜，必须想方设法获得极小的过饱和状态。 因此，本领域的技术人员致力于探寻一种在亚稳区液相外延生长纯a轴膜的方 法，使得操作简捷成本低廉，以用于制备约瑟夫森结器件研发所需的高品质纯a轴取向的 YBC0高温超导膜。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种使用镓酸钦 (NdGa03, NG0)单晶基板作为籽晶，在空气中采用顶部籽晶提拉法液相外延生长a轴取向 YBC0超导厚膜的方法，该方法的创新之处在于打破传统冷却溶液以获得生长驱动力的工 艺，创造性地提出在溶液冷却以后再升温的工艺，有效降低了溶液的过饱和度，从而获得纯 a轴膜，同时操作简捷成本低廉。 为实现上述目的，本专利技术提供了，包括 以下步骤： a)将BaC03粉末和CuO粉末进行配料，获得BaC03+Cu0粉料，所述BaC0 3+Cu0粉料 中的Ba和Cu的摩尔比为0· 4-0· 7 ; b)对步骤a)所得的BaC03+Cu0粉料进行预处理； c)烧结步骤b)预处理后的BaC03+Cu0粉料，制得Ba-Cu-Ο粉末； d)将步骤c)所得的Ba-Cu-0粉末加入到Y2〇3材料的坩埚中加热至第一温度，并 继续保温，获得Y-Ba-Cu-Ο溶液； e)将步骤d)所得的Y-Ba-Cu-Ο溶液以第一降温速度降低至第二温度； f)将步骤e)所得的Y-Ba-Cu-Ο溶液以第一升温速度升高至第三温度； g)使用晶面指数为（110)的NG0单晶基板作为籽晶，将所述NG0单晶基板垂直插 入步骤f)所得的Y-Ba-Cu-Ο溶液，采用顶部籽晶提拉法液相外延生长YBC0超导厚膜。 进一步地，步骤b)的预处理包括以下工序： ⑴对BaC03+Cu0粉料进行湿磨以获得BaC03+Cu0浆料，湿磨时间为2-4小时； (ii)烘干工序⑴所得的BaC03+Cu0浆料。 进一步地，工序⑴所述的湿磨时，在BaC03+Cu0粉料中加入的液体选自无水乙醇 和水中的一种。 进一步地，步骤c)的烧结为将经过所述预处理的BaC03+Cu0粉料在 890-9l(TC保 温40-50小时。 进一步地，步骤d)的第一温度为YBC0的包晶温度以上5_15°C。 进一步地，步骤d)的保温的时间为30-40小时。 进一步地，步骤e)的第一降温速度为0· 2-0. 5°C /min。 进一步地，步骤e)的第二温度为第三温度以下10-15°C。 进一步地，步骤f)的第一升温速度为3. 0-5. 0°C /min。 进一步地，步骤f)的第三温度为所述YBC0的包晶温度以下25_35°C。 进一步地，步骤g)的顶部籽晶提拉法液相外延生长的工艺参数为：旋转速度为 10-20rpm,下降速度为0· 5-1. 5mm/s，生长时间为10_30s。 技术效果： 本专利技术米用NG0单晶基板作为轩晶，液相外延生长纯a轴取向的YBC0超导厚月莫， 通过控制第一降温速度、第二温度、第一升温速度以及第三温度以实现外延生长a轴取向 YBCO超导厚膜。 专利技术人结合之前的研究成果，现有技术采用的方法可以归结为从平衡温度直接降 到生长温度进而外延生长高温超导膜。而本专利技术提供的方法，本质上可以认为是通过控制 第一降温速度、第二温度、第一升温速度以及第三温度来降低溶液的过饱和状态，然后利用 籽晶诱导生长超导膜。由此，本专利技术一方面避免了低温条件下液面形成的浮游物对超导膜 品质的影响；另一方面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制备a轴取向高温超导膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：a)将BaCO3粉末和CuO粉末进行配料，获得BaCO3+CuO粉料，所述BaCO3+CuO粉料中的Ba和Cu的摩尔比为0.4‑0.7；b)对所述BaCO3+CuO粉料进行预处理；c)烧结步骤b)预处理后的BaCO3+CuO粉料，制得Ba‑Cu‑O粉末；d)将步骤c)所得的Ba‑Cu‑O粉末加入到Y2O3材料的坩埚中加热至第一温度，并继续保温，获得Y‑Ba‑Cu‑O溶液；e)将步骤d)所得的Y‑Ba‑Cu‑O溶液以第一降温速度降低至第二温度；f)将步骤e)所得的Y‑Ba‑Cu‑O溶液以第一升温速度升高至第三温度；g)使用晶面指数为(110)的NGO单晶基板作为籽晶，将所述NGO单晶基板垂直插入步骤f)所得的Y‑Ba‑Cu‑O溶液，采用顶部籽晶提拉法液相外延生长YBCO超导厚膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭林山，王伟，崔祥祥，姚忻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31