制作高温超导器件的表面改性方法技术

制作高温超导器件的表面改性方法，含有采用载能粒子束轰击预先形成的材料表面的步骤，其特征在于：用于增加材料表面的平整度，改变被加工材料的组织结构的载能粒子束能量在５－５００００ｅＶ，入射角在５－８５度。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
一种，涉及高温超导器件的制作方法，尤其涉及一种最终可提高器件超导性能的载能粒子束表面改性方法。
技术介绍
高温超导器件发展至今已取得了令人瞩目的成果.现在，以铜氧化物粉末装管技术(OPIT)为特征的铋(Bi)系线材已经成功实现了产业化，千米级线材可以在世界范围内从几个公司方便得到。这种技术是先把材料压制成型，然后在高温下烧结、生长，但最终产品的表面常常比较粗糙，还可能存在孔洞、空隙和裂纹等缺陷，从而降低其超导性能。与此同时，具有良好高场性能的YBCO高温超导覆膜导体研究也取得了重要成就。采用真空技术生长在单晶基底上的高温超导覆膜导体已经获得了有限的电子学应用，如高温超导滤波器制作。然而，采用的单晶基底却并不适合于大规模的导体应用领域，如电力传输、磁能存储、电动机等等，为此通常采用金属基底。由于金属基底通常不具有和单晶基底一样满足超导膜外延生长所要求的双轴取向度，在超导薄膜外延生长前，通常在金属基底上预先生成一层或多层中间过渡层。以便建立起适合超导膜外延生长的双轴织构和阻止金属基底原子向超导膜的扩散(会损害超导膜的性能)。这样高温超导器件中的高温超导薄膜通常是一种多层结构，其中包括基底、中间过渡层(阻挡层)和高温超导膜本身。影响高温超导薄膜超导性能的首先是超导膜本身的质量，其中包括膜的平整度、外延取向、缺陷分布及晶界性质，并且随着膜厚度的增加，超导膜的表面变粗糙，取向发生改变，从而影响后续膜或多层膜的生长；其次是基底和阻挡层的质量，由于高温超导膜的织构通常是通过基底和阻挡层“传递”形成，所以提高基底和阻挡层的平整度和织构有利于改善整个高温超导薄膜的超导性能。另外一种可能的方案是外延超导膜的织构由阻挡层来提供，而不管基底的织构和表面状况，显然，此时阻挡层的织构和表面质量变得尤为重要。因此，在制备高温超导器件的过程中控制材料表面的平整度和组织结构对制成高质量的高温超导器件具有非常关键的作用。目前，制备YBCO高温超导材料的工艺有很多，主要分为两大类一类是真空工艺，主要有离子束辅助沉积法(IBAD)、轧制辅助双轴织构法(RABiTS)、修饰偏正喷溅法(MBS)、倾斜基底沉积法(ISD)、脉冲激光沉积法(PLD)、溅射法、电子束蒸发法(e-beam evaporation)和金属有机化学气相沉积法(MOCVD)等；已经提出了几种方案用于促进在不能提供外延模板(template)的衬底上双轴取向晶体的生长。一种方案是倾斜基底沉积法(ISD)。这种方法不需要织构的基底，通过调整基底与气相源轴线的倾角，获得双轴取向的缓冲层生长。但为了获得要求的双轴取向度，需要沉积一层厚膜(对于YSZ，大约1μm)。另外一种在柔性金属基带上制备超导带的方法是离子束辅助沉积法(IBAD)。IBAD工艺在薄膜沉积的同时，采用一束倾斜的离子束对沉积膜进行轰击，从而获得双轴取向的阻挡层。这个工艺的优点是几乎可以在任何基底上形成要求的双轴取向阻挡层。但与此同时，与ISD一样，为了获得要求的双轴取向度，也需要沉积厚的薄膜。但IBAD工艺的低沉积速率，使得这种技术不适合于实际的工业应用。另外一种方法是轧制辅助双轴织构法(RABiTS)。这种工艺采用金属轧制和热退火技术直接在金属基带上诱发双轴取向，但热处理过程中一般需要较高的温度(对于Ni，是900-1200℃)和较长的处理时间(对于Ni，可长达10小时)，而且热处理结束后，金属的表面都比较粗糙，需要额外的电化学抛光处理，这些对于实际的应用都形成了困难。总体来说，真空方法的优点是形成的材料具有较好的平整度和织构，缺陷少，临界电流密度Jc高，其缺点是生产成本较高，生产效率较低，这样就难以实现大规模的导体应用，如电力传输、磁能存储、电动机等。另一类是非真空工艺。制备高温超导覆膜导体的非真空方法一般包括溶胶凝胶法(sol-gel)、气溶胶/喷雾热分解法(Aerosols/spray pyrolysis)、金属有机物沉积法(MOD)、电泳法(electrophoresis)、液相外延法和丝网印刷法等。与真空方法的高生产成本、低生产效率相比，非真空工艺的特点是容易操作、生产周期短、成本低廉，更加适合于大规模工业化生产。下面简要介绍几种非真空方法(1)溶胶-凝胶法美国专利(US6,235,402)等提出溶胶-凝胶法，它是采用浸蘸涂覆工艺使溶解了预制粉的溶液形成薄膜，然后进行烘干和热处理，其典型的工艺流程如下①sol的制备——先驱母料(一般为硝酸盐、醇盐、乙酸盐等)的溶解；②gel的制备——蒸发溶液去除大部分溶剂，再溶解形成gel；③浸涂(dip coating)或旋涂(spin coating)；④加热分解、氧化以形成所需的膜。溶胶凝胶工艺成本低廉、快速高效，并且杂质含量少、成分均匀、制备温度低，能够适合大规模生产，是一种简单的制备工艺。但凝胶热处理过程中易产生沉积，所制备的薄膜表面较粗糙，存在孔洞、裂纹以及第二相等缺陷。目前利用此法制备的高温超导膜的承载电流还不能满足工业应用的要求。(2)气溶胶/喷雾热分解法美国专利(US6,261,704)提出气溶胶/喷雾热分解法，该法的基本工艺是先将铜酸盐类(一般为硝酸盐、醇盐、乙酸盐等)按比例溶解于硝酸水溶液中，然后将它制成气溶胶，用喷雾装置将该气溶胶喷到已加热到一定温度的衬底上(Ni、Al、Cu等衬底)，喷雾后的样品放到区熔炉中进行区熔处理，最后在特定气氛下进行烧结。该法需要特殊的喷雾装置，使其成本较其他非真空工艺高，并且所制备的薄膜表面一般较粗糙，膜中存在缺陷。目前利用此法所制备的高温超导薄膜还难以实用化。(3)金属有机物沉积法金属有机物沉积工艺，P.C.McIntyre，Journal of Applied Physics，71(4)，1868(1992)是一种从液相溶液中形成均匀薄膜的方法。一般工艺流程为将醋酸盐化合物按照严格的化学计量比溶于先驱母料中，然后把该溶液溶于有机溶剂中，把制备好的溶液通过浸涂或旋涂沉积在光滑的衬底表面上，最后在高温下经干燥、充氧处理得到所需的材料。该工艺一般以SrTiO3、LaAlO3或蓝宝石单晶为衬底材料。该法具有沉积过程短、成本低等优点，并且易于控制最终产物成分，可在不规则衬底上形膜，适合于大规模生产。但是，利用MOD法很难制成工业所需的厚膜，易产生沉积物，制备的薄膜表面通常较粗糙，薄膜中存在缺陷。(4)电泳沉积法该方法L. D.Woolf etc，Applied Physics Letter，58(5)，543(1991)是采用电化学的方法，利用电场将悬浮在溶液中的带电预制粉沉积在衬底表面。它的一般工艺流程为将预制粉溶解在丙酮中制成悬浮体，然后将覆银的氧化铝平板做阴极基底，把不锈钢丝网浸于悬浮体中制成阳极，在悬浮体中放入添加剂并加上一定的电极电压进行覆膜。该法具有沉积速率高、操作简单等优点，但所制备的薄膜的微观结构较差，表面较粗糙，薄膜中存在缺陷，致密度很低，其成分不易控制，使得所达到的临界电流密度较低，难以满足工业应用要求。(5)液相外延法美国专利(US6,008,162)提出液相外延法，即在高温下将BaO-CuO熔融氧化物采用顶端籽晶熔融生长法制备出性能良好的超导膜。该法可在常压下形成薄膜，且膜的化学计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.制作高温超导器件的表面改性方法，含有采用载能粒子束轰击预先形成的材料表面的步骤，其特征在于用于增加材料表面的平整度，改变被加工材料的组织结构的载能粒子束能量在5-50000eV，入射角在5-85度。2.根据权利要求1所述的制作高温超导器件的表面改性方法，其特征在于对于MgO材料所使用的粒子束的入射角是35-85度。3.根据权利要求1所述的制作高温超导器件的表面改性方法，其特征在于对于CeO2材料所使用的粒子束的入射角是45-85度。4.根据权利要求1所述的制作高温超导器件的表面改性方法，其特征在于对于冷轧Ni基片材料，所使用的粒子束的入射角在10-80度之间。5.根据权利要求1所述的制作高温超导器件的表面改性方法，其特征在于对于YBCO材料所使用的粒子束的入射角是5-85度之间。6.根据权利要求1所述的制作高温超导器件的表面改性方法，其特征在于所述的材料是下述各种金属的任何一种Ni、NiO、Ni合金、Cu、Cu合金、Ag、Ag合金、Fe、Fe合金、Mg、Mg合金，合金材料的纯度优于99％，金属合金的合金祖份至少是0.01wt.％。7.根据权利要求1所述的制作高温超导器件的表面改性方法，其特征在于所述的材料是下述各种半导体材料的任何一种Si、Ge、GaAs、InP、InAs、InGaAs、CdS、GaN、InGaN、GaSb、InSb。8.根据权利要求1所述的制作高温超导器件的表面改性方法，其特征在于所述的材料是下述氧化物材料中的任何一种SrTiO3、LaAlO3、Y2O3、RuO2、CeO2、MgO、ZrO2、SiO2、Al2O3、钇稳定氧化锆(YSZ)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩征和，王三胜，吴铠，刘梦林，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：