[发明专利]高温超导涂层导体双层缓冲层结构及其动态沉积方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种高温超导涂层导体双层缓冲层结构的制备方法，属于超导材料技术领域。

背景技术

基于双轴织构和薄膜外延技术发展起来的高温超导涂层导体，由于克服了晶界间的弱连接和岛状生长机制而产生的大量位错钉扎中心，在液氮温区具有极高的临界电流密度和不可逆场。它突破了第一代Bi系材料只适用于直流和低温的限制，使高温超导在电力工程中的广泛应用变为可能，因此成为目前实用超导材料的研究热点。

高温超导涂层导体技术是在金属基底上辅以缓冲层生长双轴织构的钇钡铜氧YBa₂Cu₃O_7-x（YBCO）超导层，以获得液氮温区高的、无损耗的超导载流能力。实现双轴织构是高温超导涂层导体的最关键技术。人们已发展了如下三种技术来实现超导层的双轴织构：离子束辅助沉积（IBAD）、基体倾斜沉积（ISD）、辊轴再结晶技术（Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate, RABiTS）。其中，离子束辅助沉积（IBAD）和基体倾斜沉积（ISD）可在常规的无取向多晶金属基体（如普通的不锈钢片）上生长具有双轴织构的缓冲层，然后在缓冲层上外延生长超导层。辊轴再结晶技术（Rolling Assisted Biaxially Textured Substrate, RABiTS）则把柔性的金属基底进行机械变形，之后经退火再结晶处理，以实现金属基底的双轴织构，供缓冲层及超导层外延生长。

根据实现织构技术不同，金属基底可分为两类，即通过RABiTS技术制备的织构金属基体和用于离子束辅助沉积和基体倾斜沉积技术的非织构金属基体。其中，抗氧化、磁性和机械性能是选择金属基底材料的基本要素，同时金属基底还应具有与缓冲层及超导层相近的热膨胀系数。在众多的金属基底材料中，镍及其镍基合金在一定高的处理温度下具有很高双轴织构和抗氧化性。目前在RABiTS技术路线中应用较广泛的是Ni基合金，如Ni-5at%W。

缓冲层在涂层导体中既是超导层外延生长的织构基底，也是克服金属基体元素扩散和与YBCO可能反应的阻挡层，是获得高质量涂层导体的最为关键性因素之一。这就要求缓冲层与超导层和金属基底要有较小的晶格失配度，且能够形成致密无裂纹的薄膜，有效阻碍金属基底被氧化及阻碍基底金属原子向超导层扩散，且不与金属基底和超导层反应，这就导致了缓冲层往往由多层和多种材料组合而成。目前在RABiTS路线中普遍使用的是一种三层的缓冲层结构Y₂O₃/YSZ/CeO₂，其中三氧化二钇Y₂O₃由于其在金属基底上很好的亲和性和外延生长的能力成首先生长的一层，成为后面各层外延生长的种子层；YSZ被称作钇稳定的氧化锆，它是在结构不稳定的二氧化锆掺杂一定比例的钇（Y）元素（一般掺杂原子比率3%）稳定结构，实现缓冲层外延生长传递织构及金属基底和超导层原子扩散的作用，被称作为阻挡层；缓冲层氧化铈（CeO₂）其是缓冲层结构的最上面一层，要求其要和上面的超导具有良好的晶格匹配并有很好的化学稳定性，被称作为帽子层。目前这三种结构虽然能够满足最终超导层的外延生长，但是复杂的三层结构却增加了沉积工艺和批量化制备的成本。因此需要使用简化的缓冲层结构来简化制备工艺，同时使用更有效的薄膜沉积的方法。

直流反应磁控溅射法是一种十分高效的缓冲层沉积技术，通过单元或多元金属靶体溅射时的氧化反应可获得需要的氧化物缓冲层。从大规模工业生产的要求来看, 物理气相沉积中的反应磁控溅射沉积技术具有明显的优势, 这是因为: (1)反应磁控溅射所用的靶材料(单元素靶或多元素靶) 和反应气体(氧、氮等) 通常很容易获得很高的纯度, 因而有利于制备高纯度的缓冲层薄膜; (2)反应磁控溅射中调节沉积工艺参数, 可以制备化学配比或非化学配比的缓冲层薄膜, 从而达到通过调节薄膜的组成来调控缓冲层特性的目的; (3)反应磁控溅射沉积过程中基底温度一般不会有很大的升高, 而且成膜过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热; (4)反应磁控溅射适于制备大面积均匀薄膜,其较快的沉积速率使百米量级缓冲层长样的工业化生产易于实现。

针对现有技术所存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的实验经验，积极研究改良，提出了本发明双层氧化物缓冲层结构的及其制备方法的技术方案。

发明内容