[发明专利]涂层导体用CeO2薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CeO₂薄膜的制备方法，特别是一种涂层导体用CeO₂薄膜的制备方法。

背景技术

第二代高温超导涂层导体由于在微波和电力等方面广阔的应用前景，成为世界各国竞相开发的焦点。在结构上涂层导体主要由超导层、缓冲层和基底组成，其中缓冲层不但需要提供超导层外延生长的织构基底，同时必须阻挡金属基体元素向超导层的扩散，这就既要求缓冲层的晶粒排列必须具有双轴织构特性，并与超导层的晶格匹配良好，又要求其具有良好的化学稳定性和高致密度等特性。因此高质量的缓冲层制备技术已成为第二代高温超导涂层导体的关键性技术。缓冲层的选材因涂层导体的技术路线不同而主要分为双轴织构金属基带上外延生长(RABiTS)，自氧化外延(Self-Oxidation-Epitaxy)NiO和离子束辅助沉积(IBAD)等。基于RABiTS技术路线的缓冲层是通过外延生长而实现双轴织构的。人们很早就注意到在单晶上外延生长的氧化物薄膜具有高度的面内和面外晶粒织构，因此期望能通过外延薄膜技术制备出高性能的高温超导带材。在柔性基体上实现缓冲层及超导层晶体的双轴织构，即建立所谓的砖墙结构(brick-wall)、形成轨道开关型(railway-switch)的电流通道，是获得适于电力工程应用的涂层导体的基本要求。人们已发展了三种技术来实现缓冲层和超导层的双轴织构，即辊扎再结晶(RABiTS)、离子束辅助沉积(IBAD)和基体倾斜沉积(ISD)。前者是把柔性的金属(例如Ni或Ni基合金)机械变形(压制和辊扎)，后经退火再结晶直接实现晶粒的双轴织构，供之后的氧化物缓冲层(例如RE₂O₃、CeO₂、YSZ等)及超导层(RE123或其多层)外延生长；后两者是在常规的多晶金属基体上(例如普通的不锈钢片)制备出双轴织构的氧化物缓冲层(例如Gd₂O₃、MgO或YSZ等)，然后外延生长超导层。

通过外延生长技术可以获得的缓冲层材料有很多，如：CeO₂、YSZ、Y₂O₃、SrTiO₃、La₂Zr₂O₇等。人们曾经尝试用YSZ、Y₂O₃等材料作为单一的缓冲层，但所得到的结果均不很理想。在众多的缓冲层材料中，CeO₂以其与超导层极佳的匹配度和良好的化学稳定性，成为首选的缓冲层材料之一。CeO₂为面心立方结构。晶格常数5.41，与超导层和衬底的失配率分别为0.52％和8.09％，且有很好的化学稳定性。但由于CeO₂存在厚度效应，即当厚度过大时(约大于50nm)就会出现微裂纹，因此CeO₂通常与其它缓冲层材料组合制成像Y₂O₃/CeO₂、CeO₂/YSZ/CeO₂及La₂Zr₂O₇/CeO₂等类型的缓冲层多层膜结构。其中CeO₂/YSZ/CeO₂已被视为辊轧再结晶(RABiTS)技术路线的标准缓冲层结构。

氧化物缓冲层及RE123超导层的制备方法有脉冲激光沉积(PLD)、脉冲电子束沉积(PED)、离子溅射(Sputtering)、电子束蒸发(EV)、化学气相沉积(CVD)和化学溶剂沉积(CSD)等多种制备方法。其中CSD法与其它方法相比由于不需要高真空系统，是一种较为经济的制备方法，因此最有希望应用于批量化制备涂层导体长带。随着CSD法在RE123超导层和缓冲层上的成功，越来越多的人开始关注缓冲层和超导层的全化学方法制备，这已成为当今涂层导体发展的热点话题之一。解决好空洞、表面粗糟和溶剂稳定性等问题是大家面临的共同难题。通过CSD法成功地制备出高温超导涂层导体长带，将会大大降低第二代高温超导带材的制造成本，对其走向商业化具有重要的意义。