异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法技术

本发明专利技术提供了一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，根据金属靶材的特点进行初始组分蒸镀；在高真空状态下由靶材蒸发出来的纳米颗粒到达衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜，经过沉积后，前驱膜输送到不同氧分压的低压气氛，再加以不同的温度进行晶化和外延生长。本发明专利技术方法实现不同熔点及升华温度的多元金属元素共蒸发，能根据组成元素的特点选取该元素的蒸发技术和条件，而动态基带能实现前驱组分的均匀性；后期氧化处理始于高度细化的、纳米级的前驱组分，后期晶化生长成核中心多，生长快速且密度比较高；此外，通过控制氧分压，能实现在较低温度下进行反应热处理，即可在较低温度下实现晶化和外延生长，制备方法简单。

【技术实现步骤摘要】
异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法
本专利技术涉及一种超导材料的制备方法，特别是涉及一种超导带材连续化制备的方法，应用于高温超导材料制备

技术介绍
多元金属氧化物薄膜，包括高温超导(REBaCuO，RE＝RE＝Y,Gd,Dy等稀土元素)、庞大巨磁阻(LaSrMnO)、压电陶瓷(PZT)、铁电材料等，具有很多功能性和广泛的应用。例如具有基于ReBa1Cu2O7-δ(REBaCuO，)高温超导体的第二代高温超导带材，这种新型电力材料的结构包括了金属基带、氧化物缓冲层、铜基氧化物、REBaCuO超导层和金属保护层。第二代高温超导带材是指以REBCO-123系超导材料为主的稀土类钡铜氧化物超导涂层导体。它由金属合金基带、种子层、阻挡层、帽子层、稀土钡铜氧超导层、保护层以及稳定层等构成。与第一代Bi系高温超导带材相比，第二代高温超导带材具有更高的不可逆场、更高的超导转变温度和更高的临界电流密度，可以在较高的温度和磁场下应用，是各国高温超导领域研发的焦点。多元金属氧化物外延薄膜为各种器件应用的基础材料，这些材料含有多种金属元素，在薄膜制备时存在难以客服的困难，即不同金属元素的熔点和升华温度的区别和特点。除此之外，常归的单一制备技术往往存在组分结构不均匀、元素扩散严重、表面粗糙度大、孔洞、二次相等缺陷，特别是多层涂敷后结构容易恶化，晶体取向下降，而且晶体取向和致密性不高等现象也容易出现，所以在制备方式上存在多种技术路线共存的局面。为了提升大面积、长尺度的薄膜制备效率和性能，需使用创新工艺加以改进，成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，主要解决普遍存在的组分结构不均匀、元素扩散严重、表面粗糙度大、孔洞、二次相等缺陷，可实现不同熔点及升华温度的多元金属元素共蒸发，可根据组成元素的特点选取该元素的蒸发技术和条件，动态基带可实现先驱组分的均匀性，后期氧化处理始于高度细化的、纳米级的前驱组分，后期晶化生长成核中心多，生长快速且密度比较高，此外，通过控制氧分压，可实现在较低温度下进行反应热处理，即可在较低温度下实现晶化和外延生长，特别是克服了多层涂敷后结构容易恶化，晶体取向下降等技术问题。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于，采用超导带材前驱膜沉积过程与超导相转变过程的两步法完成，包括如下步骤：a.在超导带材前驱膜沉积过程中，采用反应共蒸发的制备方法，进行多元金属共沉积，以不同的金属靶材作为蒸发源，在沉积过程中，控制带材衬底的输送方式，进行带材动态沉积REBCO薄膜，从而在带材衬底上制备超导带材前驱膜，其中RE为稀土元素；b.在超导相转变过程中，将在所述步骤a中完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在氧化反应装置中的不同区段分别通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境，用以获得不同氧分压的低压气氛，并在氧化反应装置中的不同区段施加不同的温度，对在带材衬底上形成的超导带材前驱膜进行晶化处理，实现超导相转变的外延生长，从而在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，在进行反应共蒸发时，将不同的金属靶材分别置于坩埚中，根据不同金属靶材的金属元素的熔点和升华温度不同，使用电子枪、热蒸发和离子束蒸发方法中的任意一种真空薄膜制备方法或者任意几种方法的组合式真空薄膜制备方法，进行初始组分蒸镀；在真空状态下，由金属靶材蒸发出来的纳米颗粒到达衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜；在超导带材前驱膜沉积过程中，使衬底保持匀速运动，以保证沉积金属元素均匀分布。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，终保持在不高于10-5Torr的高真空条件下进行。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，对带材衬底实施冷却。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，采用卷对卷收放的带材衬底的输送方式，使带材衬底匀速通过预沉积区域，进行超导带材前驱膜沉积；并在所述步骤b超导相转变过程中，使动态基带同步通过氧化反应装置的热处理腔室，完成超导相转变过程，实现长程制备多元金属氧化物外延薄膜。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，在蒸发腔上方的沉积区域采用带材双向多股控制，走带系统对带材张力大小、走带距离及走带速度进行设定，从而实现百米级长带材沉积，实现长程超导带材的制备。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，对二元金属靶材、三元金属靶材或者更加多元金属靶材进行共蒸发，其中二元金属靶材分别记作M1、M2，或者三元金属靶材分别记作M1、M2、M3，或者对元金属靶材分别记作M1、M2…Mn，即n≥4，并根据金靶材分别进行沉积，并对沉积速率进行实时监控，通过沉积自反馈来控制沉积配比，利用反应共蒸发方法进行多元金属共沉积。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b超导相转变过程中，氧化反应装置采用分段式氧化反应管式炉，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行分段热处理。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b超导相转变过程中，在不高于840℃的较低温度下，对衬底上制备的超导带材前驱膜进行反应热处理，即能在较低温度下使超导带材前驱膜实现晶化处理，进行多元金属氧化物薄膜外延生长。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，包括如下步骤：a.启动总电源，启动压缩机，启动水冷机，使导带材前驱膜沉积装置系统启动，开启回填阀回填氮气并打开腔体，以超导带材衬底作为超导基带，焊接超导基带后并放入放卷腔，并将焊接后的超导基带输送到预沉积区域后，关闭腔门；b.启动机械泵以及烘烤装置，随后启动分子泵，并在达到既定真空度后，关闭烘烤装置；c.以不同的金属靶材作为蒸发源，开启反应共蒸发设备，并热蒸发预热蒸发料，观察蒸镀腔真空有无变化，待蒸镀腔的真空稳定后，开启自动蒸镀模式，进行超导带材前驱膜沉积过程；在进行蒸镀的同时，开启超导基带输送系统，调控走带速度与张力，操作在超导基带上进行多元金属共动态沉积，从而在超导基带上制备超导带材前驱膜。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b超导相转变过程中，包括如下步骤：ⅰ.开启氧化反应装置的加热系统，对温度进行梯度设置；ⅱ.打开氧气阀门，对氧气流量进行设定，并分别调节高低氧压，在氧化反应装置中的不同区段通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境；ⅲ.通过超导基带输送系统，将完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行分段热处理，在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜，在完成超导相转变过程后，将带材输送到达收卷腔进行收卷。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b超导相转变过程中，对氧化反应装置的不同区段预设高低不同的氧压后，使前驱膜通过氧化反应装置的腔室进行晶化处理，超导带材首先在低氧压区反应形成氧化物以及复杂的二次相之后，然后在高氧压区迅速转变成超导相，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于，采用超导带材前驱膜沉积过程与超导相转变过程的两步法完成，包括如下步骤：a.在超导带材前驱膜沉积过程中，采用反应共蒸发的制备方法，进行多元金属共沉积，以不同的金属靶材作为蒸发源，在沉积过程中，控制带材衬底的输送方式，进行带材动态沉积REBCO薄膜，从而在带材衬底上制备超导带材前驱膜，其中RE为稀土元素；b.在超导相转变过程中，将在所述步骤a中完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在氧化反应装置中的不同区段分别通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境，用以获得不同氧分压的低压气氛，并在氧化反应装置中的不同区段施加不同的温度，对在带材衬底上形成的超导带材前驱膜进行晶化处理，实现超导相转变的外延生长，从而在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于，采用超导带材前驱膜沉积过程与超导相转变过程的两步法完成，包括如下步骤：a.在超导带材前驱膜沉积过程中，采用反应共蒸发的制备方法，进行多元金属共沉积，以不同的金属靶材作为蒸发源，在沉积过程中，控制带材衬底的输送方式，进行带材动态沉积REBCO薄膜，从而在带材衬底上制备超导带材前驱膜，其中RE为稀土元素；b.在超导相转变过程中，将在所述步骤a中完成超导带材前驱膜制备的带材衬底送入氧化反应装置中进行热处理，在氧化反应装置中的不同区段分别通入不同流量的氧气，使在氧化反应装置中的不同区段腔室内形成不同的氧分压环境，用以获得不同氧分压的低压气氛，并在氧化反应装置中的不同区段施加不同的温度，对在带材衬底上形成的超导带材前驱膜进行晶化处理，实现超导相转变的外延生长，从而在带材衬底上得到多元金属氧化物外延薄膜。2.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，在进行反应共蒸发时，将不同的金属靶材分别置于坩埚中，根据不同金属靶材的金属元素的熔点和升华温度不同，使用电子枪、热蒸发和离子束蒸发方法中的任意一种真空薄膜制备方法或者任意几种方法的组合式真空薄膜制备方法，进行初始组分蒸镀；在真空状态下，由金属靶材蒸发出来的纳米颗粒到达衬底后沉积成非晶态金属前驱薄膜；在超导带材前驱膜沉积过程中，使衬底保持匀速运动，以保证沉积金属元素均匀分布。3.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，终保持在不高于10-5Torr的高真空条件下进行。4.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，对带材衬底实施冷却。5.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，采用卷对卷收放的带材衬底的输送方式，使带材衬底匀速通过预沉积区域，进行超导带材前驱膜沉积；并在所述步骤b超导相转变过程中，使动态基带同步通过氧化反应装置的热处理腔室，完成超导相转变过程，实现长程制备多元金属氧化物外延薄膜。6.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，在蒸发腔上方的沉积区域采用带材双向多股控制，走带系统对带材张力大小、走带距离及走带速度进行设定，从而实现百米级长带材沉积，实现长程超导带材的制备。7.根据权利要求1所述异位多元金属氧化物薄膜外延生长及其连续化制备的方法，其特征在于：在所述步骤a超导带材前驱膜沉积过程中，对二元金属靶材、三元金属靶材或者更加多元金...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡传兵，曲兰雪，鲁玉明，白传易，郭艳群，刘志勇，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31