[发明专利]一种提高YBCO超导薄膜生产效率及膜厚的制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于高温超导材料制备技术领域，具体涉及高温超导涂层导体超导薄膜的制备技术。

背景技术

自YBCO超导材料被发现以来，相对于脉冲激光沉积(PLD)及气相沉积(CVD)，使用全溶液法的金属有机盐沉积(MOD)由于其所具备的低成本，低真空条件等优势，一直为世界范围内各实验室竞相追逐的研究热点。然而，为实现YBCO超导材料的大规模稳定化生产，提高薄膜生产效率，超导电性以及环保性仍为目前MOD工艺所面临的几大急需解决的难题。首先，自八十年代末延续至今的传统TFA-MOD制备工艺所选取的前驱溶液中含有大量的F元素，在低温预处理过程中将产生大量HF气体，其缓慢的排出过程严重影响了薄膜的生产效率。为解决这一问题，世界各国均试图采用新型有机盐对三氟乙酸盐进行替代以减少前驱溶液中的氟含量，从而提高生产效率。然而，相对于传统TEA-MOD工艺，低氟前驱溶液由于稳定性较差，沉积所获薄膜的J_C值均有不同程度的下降。鉴于此，只有提高薄膜厚度才能保证其超导性能的稳定，而目前所普遍采用的增厚技术主要通过反复沉积进行多层薄膜的制备实现，这样便使得新前驱溶液所具备的高效率优势难以得到充分发挥。而日本通过对传统TFA-MOD技术进行改进，使薄膜在保证高J_c值的前提下，亦大幅提高了生产效率，但其所选取的前驱盐由于含苯，对人体具有严重危害性，至今尚未在世界范围内得到广泛认可。由此可见，为实现YBCO的大规模工业化，虽然大量研究机构对传统的TFA-MOD技术进行了具有各自针对性的改进，但仍鲜有工艺能够同时满足高生产效率以及低环境污染要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有MOD技术中的问题，提供一种成本低廉，且满足环保要求的低氟YBCO薄膜及其制备方法。

本发明采用成本低廉的MOD化学方法，通过在YBCO前驱液中加入二乙醇胺、再经过涂膜、低温和高温烧结得到具有高厚度的低氟YBCO薄膜。

本发明提供一种提高YBCO超导薄膜生产效率及膜厚的制备工艺，其特征在于，它依次包括以下步骤：

1)低氟YBCO前驱溶液的配制：

A、将醋酸钇和醋酸钡按摩尔比1∶2溶解在去离子水中，再加入二倍于金属阳离子摩尔数的三氟乙酸进行络合，于50℃下蒸发浓缩10分钟得到无色透明胶状液体I；

B、将醋酸铜和丙烯酸按摩尔比1∶2进行混合，于50℃下进行反应，得到蓝色透明溶液II；

C、将溶液I与溶液II混合，使钇，钡，铜的摩尔比达到1∶2∶3；

D、对混合溶液加入与金属阳离子摩尔数等量的二乙醇胺；

E、对混合溶液加入甲醇，使阳离子浓度为1.0-2.0mol/L；

2)薄膜的涂覆：将YBCO前驱溶液通过旋涂或浸涂的方式涂覆到基底上得到凝胶湿膜；

3)低温预烧：将涂覆好的凝胶湿膜进行低温预烧得到前驱非晶膜，首先在干纯氧的气氛下以不大于300℃/小时的速率由室温升至270℃，保温0.5小时后，气氛转变为湿氧，温度以不大于300℃/小时的速率升至400℃；

4)高温烧结：将前驱非晶膜于750-850℃下烧结3小时，烧结过程中，前2小时内，通入氧含量为100-10000ppm的湿Ar/O₂混合气，后1小时内，通入氧含量为100-10000ppm的干Ar/O₂混合气，烧结结束后再继续通入氧含量为100-10000ppm的干Ar/O₂混合气条件下降温，当温度降到500℃时换成纯氧气，并保温1-2小时，随炉冷却得到YBCO薄膜。

其中，当步骤2)中采用旋涂方式将YBCO前驱溶液涂覆到基底上时，涂膜转数为3000-6000转/分钟，涂膜时间为1-3分钟。

步骤3)中所述的湿氧气是通过将氧气通入水浴加热的装有蒸馏水的容器实现的，水浴温度为20-50℃，氧气流量为0.2-1.0升/分钟；

步骤4)中所述的湿Ar/O₂混合气是通过将Ar/O₂混合气通入水浴加热的装有蒸馏水的容器实现的，水浴温度为30-50℃，混合气流量为0.2-1.5升/分钟。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1)相比传统的TFA-MOD工艺，通过采用丙烯酸盐对三氟乙酸盐的替换，此工艺的制备时间及氟化氢排出量均大幅减小，仅相当于之前的1/2，有效提高了YBCO超导薄膜的生产效率及环保性，更具应用前景。