一种SrTiO 3与LaAlO 3双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜的制备方法技术

一种SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜的制备方法，其步骤如下：将前驱液旋涂于基底上，得到附着于基底表面的前驱膜，前驱膜置于通入干燥氧气的石英管式炉内，于室温下以10℃/min的速率升到150℃；再以1.5～3℃/min的速率升到400℃，并保温10min，当温度高于150℃时将干燥的氧气换成潮湿的氧气，水汽含量为3.1％；然后再以5℃/min的速率升至770～840℃，保温2～3h；其中，在400℃至500℃升温过程中，气氛为干燥的Ar/O2气氛；升至550℃时气氛换为潮湿的Ar/O2；保温的最后30min将湿气换回干燥的Ar/O2气氛；保温完毕后，样品随炉冷却。本发明专利技术解决外加磁场下薄膜钉扎性有限、无法继续提高载流能力的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高温超导材料制备
，具体涉及一种双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜的制备方法。
技术介绍
在众多超导材料中，以钇钡铜氧(YBa2Cu3O7，YBCO)为代表的第二代高温超导涂层导体在液氮温区(77K)具有高的不可逆场(7T)，高的载流能力(可以达到107A/cm2)，低的交流损耗和潜在的价格优势，被认为是最有应用潜力的超导材料。超导材料大多应用于一定外加磁场条件下，但是研究表明，YBCO薄膜在外场作用下其Jc值和外加磁场有如下关系：Jc＝H-α，随着外加磁场强度的增加，YBCO薄膜的临界电流密度(Jc)迅速降低。因此，要实现YBCO涂层导体的大规模应用，提高薄膜在外加磁场下性能，成为研究的关键。其中，进行纳米颗粒掺杂，人为的在薄膜内部引入缺陷作为钉扎中心，可以有效改善YBCO薄膜在磁场下的性能。因此，研究人员希望在薄膜内部引入尽可能多的有效钉扎中心来抑制Jc在外场下的降低。然而，对于单一掺杂的复合薄膜，掺杂量过大会导致颗粒团聚、应力过大等现象，进而破坏YBCO织构。单一纳米颗粒掺杂量达到7％左右，Jc值便达到峰值，继续增大掺杂量，Jc下降，无法进一步提高YBCO在外场下的载流能力。本专利技术提供一种新型的双纳米颗粒的掺杂方法，在不破坏YBCO织构的前提下，有效的提高了薄膜的钉扎能力，提高了YBCO薄膜的场性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决目前外加磁场下薄膜钉扎性有限、无法继续提高载流能力的问题，提供一种新类型的钛酸锶(SrTiO3，STO)与铝酸镧(LaAlO3，LAO)双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜的制备方法。本专利技术所提供的SrTiO3与LaAlO3掺杂相均为钙钛矿结构，SrTiO3与YBCO晶格失配度为1％，LaAlO3与YBCO晶格失配度为-0.86％，SrTiO3和LaAlO3在YBCO晶格内分别形成压应力和拉应力，在引入大量钉扎缺陷的同时，对YBCO形成的应力抵消，因此YBCO薄膜不会因为巨大的应力而破坏结构，可引入更大量的人工钉扎中心。同时SrTiO3和LaAlO3与YBCO晶格失配度都很小，两种掺杂相均易与YBCO形成共格界面，相界面上的原子列要通过膨胀或收缩才能维持很好的结合，产生了弹性应变能，使得较少掺杂量时，便可获得较大的应变量，形成更大的钉扎效应。因此，相比传统的单一纳米颗粒掺杂，SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂可在维持YBCO织构的同时，引入更大量的应变作为钉扎中心，从而更有效的提高YBCO外场下的载流能力。本专利技术提供的SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜的制备方法，包括步骤如下：(1)制备SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合前驱液：1)制备YBCO前驱液：按Y:Ba:Cu＝1:2:3的化学计量比称取四水合乙酸钇、四水合乙酸钡和四水合乙酸铜；将四水合乙酸钇、四水合乙酸钡溶解于去离子水中，然后按照四水合乙酸钇和三氟乙酸摩尔比为1:8加入三氟乙酸，经60℃水浴搅拌3h后将所得的溶液置于旋转蒸发仪上蒸馏，蒸馏温度为60℃，然后将得到的白色粉末加入无水甲醇重新溶解，得到Y和Ba盐的前驱液A；将四水合乙酸铜和α-甲基丙烯酸按摩尔比为1:4加入到无水甲醇中，在90℃下充分回流反应后，在旋转蒸发仪上进行3次蒸馏，蒸馏温度为40℃，蒸干后用无水甲醇溶解，得到Cu盐的前驱液B；混合前驱液A和B，在40℃下蒸馏，蒸干后加入无水甲醇重新溶解，反复蒸馏3次，得到蓝色凝胶G；最后用无水甲醇定容，得到YBCO前驱液。2)制备SrTiO3掺杂的YBCO复合前驱液：按步骤1)所述制备蓝色凝胶G；将乙酸锶、钛酸四丁酯和乙酰丙酮按照摩尔比为1:1:1溶解于一定量丙酸中，得到SrTiO3前驱液；将SrTiO3前驱液滴入蓝色凝胶G中，用无水甲醇定容，得到掺杂摩尔比为20％的SrTiO3前驱液。3)制备LaAlO3掺杂的YBCO复合前驱液：按照Y:Ba:Cu:La:Al＝1:2:3:0.2:0.2的化学计量比称量四水合乙酸钇、四水合乙酸钡、乙酰丙酮镧和乙酰丙酮铝，溶解于去离子水中，然后按照四水合乙酸钇和三氟乙酸摩尔比为1:8加入三氟乙酸，经60℃水浴下搅拌3h后将所得溶液置于旋转蒸发仪上蒸馏，蒸馏温度为60℃，然后将得到的白色粉末加入无水甲醇重新溶解，得到Y和Ba盐的前驱液A1；将四水合乙酸铜和α-甲基丙烯酸按摩尔比为1:4加入到无水甲醇中，在90℃下充分回流反应后，在旋转蒸发仪上进行3次蒸馏，蒸馏温度为40℃，蒸干后用无水甲醇溶解，得到Cu盐的前驱液B1；混合前驱液A1和前驱液B1，在40℃下低压蒸馏，蒸干后加入无水甲醇重新溶解，反复蒸馏3次，得到蓝色凝胶，最后用无水甲醇定容，得到掺杂摩尔比为20％的LAO前驱液。4)混合步骤1)步骤2)步骤3)制备的三种前驱液，得到STO摩尔含量为1％～10％和LAO摩尔含量为1％～5％的不同比例掺杂量的双掺杂复合YBCO前驱液。(2)前驱液涂覆：将步骤(1)制备的前驱液旋涂于基底上，得到附着于基底表面的前驱膜；所述基底为LAO单晶基片或CeO2/YSZ/Y2O3/Ni5W衬底；旋涂转数为4000～6000rpm，旋涂时间为1～2min。(3)热处理：将步骤(2)所得前驱膜置于通入干燥氧气的石英管式炉内，于室温下以10℃/min的速率升到150℃。再以1.5～3℃/min的速率升到400℃，并保温10min，当温度高于150℃时将干燥的氧气换成潮湿的氧气，水汽含量为3.1％。然后再以5℃/min的速率升至770～840℃，保温2～3h。其中，在400℃至500℃升温过程中，气氛为干燥的Ar/O2气氛；升至550℃时气氛换为潮湿的Ar/O2，水汽含量为7.4％，O2分压为150PPM～500PPM；保温的最后30min将湿气换回干燥的Ar/O2气氛。保温完毕后，样品随炉冷却至500℃，将气氛换成干燥的O2，并在500℃保温3h，使YBCO完成吸氧相变，转变为超导相；得到双纳米颗粒掺杂的复合YBCO薄膜。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术是一种新型YBCO复合薄膜，其纳米颗粒掺杂相可以起到有效的钉扎作用，提高外场下的导电能力。(2)本专利技术提供的两种掺杂相分别在YBCO晶格内引入压应力和拉应力，对应的两种局部晶格畸变均能产生很好的钉扎效应，使薄膜总的钉扎能力增强；而在整体结构上，两种应力相互抵消，防止薄膜内部因应力过大而造成开裂，使得钉扎水平进一步提高。(3)本专利技术所采用的两种掺杂相与YBCO晶格失配度的绝对值都小于等于1％，掺杂相与YBCO相易形成共格界面，相界面上的原子列要通过膨胀或收缩才能维持很好的结合，产生的弹性应变能较大，使得较少掺杂量时，便可获得较大的应变量，形成更大的钉扎效应。(4)本专利技术采用成本低廉的金属有机盐化学溶液法，在前驱溶液中引入掺杂物，后经涂覆和热处理，得到具有双纳米颗粒掺杂的YBCO薄膜。相比现在广泛使用的物理沉积技术，具有设备简单、成本低廉、薄膜成分易控制并可以随意改变掺杂物配比等优点，易于实现大规模制备。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步详说。附图说明图1、实施例1获得的SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜与单一掺杂SrT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)制备SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合前驱液：1)制备YBCO前驱液：按Y:Ba:Cu＝1:2:3的化学计量比称取四水合乙酸钇、四水合乙酸钡和四水合乙酸铜；将四水合乙酸钇、四水合乙酸钡溶解于去离子水中，然后按照四水合乙酸钇和三氟乙酸摩尔比为1:8加入三氟乙酸，经60℃水浴搅拌3h后将所得的溶液置于旋转蒸发仪上蒸馏，蒸馏温度为60℃，然后将得到的白色粉末加入无水甲醇重新溶解，得到Y和Ba盐的前驱液A；将四水合乙酸铜和α‑甲基丙烯酸按摩尔比为1:4加入到无水甲醇中，在90℃下充分回流反应后，在旋转蒸发仪上进行3次蒸馏，蒸馏温度为40℃，蒸干后用无水甲醇溶解，得到Cu盐的前驱液B；混合前驱液A和B，在40℃下蒸馏，蒸干后加入无水甲醇重新溶解，反复蒸馏3次，得到蓝色凝胶G；最后用无水甲醇定容，得到YBCO前驱液；2)制备SrTiO3掺杂的YBCO复合前驱液：按步骤1)所述制备蓝色凝胶G；将乙酸锶、钛酸四丁酯和乙酰丙酮按照摩尔比为1:1:1溶解于丙酸中，得到SrTiO3前驱液；将SrTiO3前驱液滴入蓝色凝胶G中，用无水甲醇定容，得到掺杂摩尔比为20％的SrTiO3前驱液；3)制备LaAlO3掺杂的YBCO复合前驱液：按照Y:Ba:Cu:La:Al＝1:2:3:0.2:0.2的化学计量比称量四水合乙酸钇、四水合乙酸钡、乙酰丙酮镧和乙酰丙酮铝，溶解于去离子水中，然后按照四水合乙酸钇和三氟乙酸摩尔比为1:8加入三氟乙酸，经60℃水浴下搅拌3h后将所得溶液置于旋转蒸发仪上蒸馏，蒸馏温度为60℃，然后将得到的白色粉末加入无水甲醇重新溶解，得到Y和Ba盐的前驱液A1；将四水合乙酸铜和α‑甲基丙烯酸按摩尔比为1:4加入到无水甲醇中，在90℃下充分回流反应后，在旋转蒸发仪上进行3次蒸馏，蒸馏温度为40℃，蒸干后用无水甲醇溶解，得到Cu盐的前驱液B1；混合前驱液A1和前驱液B1，在40℃下低压蒸馏，蒸干后加入无水甲醇重新溶解，反复蒸馏3次，得到蓝色凝胶，最后用无水甲醇定容，得到掺杂摩尔比为20％的LAO前驱液；4)混合步骤1)、步骤2)和步骤3)制备的三种前驱液，得到STO摩尔含量为1％～10％和LAO摩尔含量为1％～5％的不同比例掺杂量的双掺杂复合YBCO前驱液；(2)前驱液涂覆：将步骤(1)制备的前驱液旋涂于基底上，得到附着于基底表面的前驱膜；所述基底为LAO单晶基片或CeO2/YSZ/Y2O3/Ni5W衬底；旋涂转数为4000～6000rpm，旋涂时间为1～2min；(3)热处理：将步骤(2)所得前驱膜置于通入干燥氧气的石英管式炉内，于室温下以10℃/min的速率升到150℃；再以1.5～3℃/min的速率升到400℃，并保温10min，当温度高于150℃时将干燥的氧气换成潮湿的氧气，水汽含量为3.1％；然后再以5℃/min的速率升至770～840℃，保温2～3h；其中，在400℃至500℃升温过程中，气氛为干燥的Ar/O2气氛；升至550℃时气氛换为潮湿的Ar/O2，水汽含量为7.4％，O2分压为150PPM～500PPM；保温的最后30min将湿气换回干燥的Ar/O2气氛；保温完毕后，样品随炉冷却至500℃，将气氛换成干燥的O2，并在500℃保温3h，使YBCO完成吸氧相变，转变为超导相；得到双纳米颗粒掺杂的复合YBCO薄膜。...

【技术特征摘要】
1.一种SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)制备SrTiO3与LaAlO3双纳米颗粒掺杂YBCO复合前驱液：1)制备YBCO前驱液：按Y:Ba:Cu＝1:2:3的化学计量比称取四水合乙酸钇、四水合乙酸钡和四水合乙酸铜；将四水合乙酸钇、四水合乙酸钡溶解于去离子水中，然后按照四水合乙酸钇和三氟乙酸摩尔比为1:8加入三氟乙酸，经60℃水浴搅拌3h后将所得的溶液置于旋转蒸发仪上蒸馏，蒸馏温度为60℃，然后将得到的白色粉末加入无水甲醇重新溶解，得到Y和Ba盐的前驱液A；将四水合乙酸铜和α-甲基丙烯酸按摩尔比为1:4加入到无水甲醇中，在90℃下充分回流反应后，在旋转蒸发仪上进行3次蒸馏，蒸馏温度为40℃，蒸干后用无水甲醇溶解，得到Cu盐的前驱液B；混合前驱液A和B，在40℃下蒸馏，蒸干后加入无水甲醇重新溶解，反复蒸馏3次，得到蓝色凝胶G；最后用无水甲醇定容，得到YBCO前驱液；2)制备SrTiO3掺杂的YBCO复合前驱液：按步骤1)所述制备蓝色凝胶G；将乙酸锶、钛酸四丁酯和乙酰丙酮按照摩尔比为1:1:1溶解于丙酸中，得到SrTiO3前驱液；将SrTiO3前驱液滴入蓝色凝胶G中，用无水甲醇定容，得到掺杂摩尔比为20％的SrTiO3前驱液；3)制备LaAlO3掺杂的YBCO复合前驱液：按照Y:Ba:Cu:La:Al＝1:2:3:0.2:0.2的化学计量比称量四水合乙酸钇、四水合乙酸钡、乙酰丙酮镧和乙酰丙酮铝，溶解于去离子水中，然后按照四水合乙酸钇和三氟乙酸摩尔比为1:8加入三氟乙酸，经60℃水浴下搅拌3h后将所得溶液置于旋转蒸发仪上蒸馏，蒸馏温度为60℃，然后将得到的白色粉末加入无...

【专利技术属性】
技术研发人员：索红莉，王田田，徐燕，仪宁，李春燕，马麟，刘敏，王毅，孙硕，田民，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11