[发明专利]超导带材用双面LaMnO3缓冲层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超导材料技术领域，特别涉及超导带材缓冲层的制备方法。

背景技术

超导体具有许多独特的性质，如零电阻、完全抗磁性（迈斯纳效应）和超导隧道效应（约瑟夫森效应）等，利用这些性质可在科研和生产上发展许多有重要价值的器件，如强磁体、超导量子干涉器件（SQUID）、高效电动机和无损耗传输电能系统等。1986年高温超导体的发现使超导体的工作温度从液氦温区（4.2K）提高到液氮温区（77K），使超导体的应用前景更加广阔。

第一代铋系高温超导带材（BSCCO/2223）已进入实用性阶段，但是其在强磁场下难以得到高的临界电流密度J_c，并且昂贵的银的大量使用也使其在降低工业成本上受到限制。因此，各国政府将研究开发的重点转移到一种基于柔性金属基带的YBCO(钇钡铜氧)/123薄膜的涂层导体(Coated Conductor，称CC导体或第二代高温超导带材)上。YBCO带材相比第一代的铋系带材载流水平更高、磁场下超导性能更好、价格更便宜，极具应用前景，成为高温超导领域的研究热点。

第二代高温超导涂层目前主要的技术路线为离子束辅助沉积(IBAD)和轧制辅助双轴织构基带(RABiTS)两种。其中，IBAD技术路线具有制备效率高、工艺稳定以及制备的带材载流能力高等优点，因而成为了世界上研究机构普遍关注的热点内容。IBAD技术路线由多层结构组成，其中常用的基带为哈氏合金基带，但是如果直接在哈氏合金基带上沉积YBCO薄膜，由于Ni与YBCO之间的互扩散易使带材电性能恶化，基带发生氧化，机械性能变差，使用价值降低；哈氏合金基带的表面平整度难以达到IBAD技术工艺的要求；Ni与YBCO之间的相容性较差，且哈氏合金基带没有较好的织构取向，难以形成良好结构的YBCO膜层。因此需要在哈氏合金基带上制备多层结构过渡层薄膜。目前，IBAD技术常用的体系结构模板是哈氏合金（Hastelloy）/氧化铝（Al₂O₃）/氧化钇（Y₂O₃）/氧化镁（IBAD-MgO）/氧化镁（epi-MgO）/锰酸镧（LaMnO₃）/钇钡铜氧（YBCO），其中，LaMnO₃与YBCO晶格常数接近，作为YBCO的生长模板，通过晶格匹配使超导层获得双轴织构，直接决定着YBCO薄膜的质量。因此，要求LaMnO₃缓冲层具有良好的织构和平整、致密的表面，这对于获得高超导性能的超导层是至关重要的。常用的制备LaMnO₃缓冲层的方法主要有脉冲激光沉积（PLD）、射频磁控溅射（RF-Sputtering）和直流反应溅射（DC-Sputtering）等。但是，PLD成本较高，不能大面积制备薄膜，不利于大规模工业生产；射频溅射频率为13.56MHz，需要复杂的阻抗匹配，需要采用成本较高的陶瓷靶材，沉积速率慢；直流磁控反应溅射技术虽然沉积速率快，成本较低，但是由于在反应气体作用下靶材表面中毒极易出现弧光放电，打火甚至灭弧，不利于长带材的稳定连续制备。因此需要寻找一种沉积速率快并且能够稳定连续大面积制备长带材的方法。

此外，超导电流载流能力是衡量带材性能最重要的指标，直接决定带材的应用前景。超导电流载流能力由超导层厚度和临界电流密度共同决定，但是超导层厚度增加会导致临界电流密度J_c显著下降，这就限制了超导层的厚度。目前的研究一方面致力于不减少临界电流密度情况下增加超导层厚度；另一方面致力于不增加膜厚的情况下增加超导层的临界电流密度。但是由于YBCO薄膜生长机制及金属基带非单晶结构的限制，在这两方面的研究工作都遇到较大困难。因此，需要寻找一种能够解决上述问题的超导带材的制备方法。

专利号为ZL201110091978.X的中国专利公开了《双面超导带材缓冲层的连续制备方法》，该方法能够实现超导带材缓冲层的连续卷绕沉积。由于长靶材的制作难度大，并且对装置有一定的要求，因此该系统采用的是小尺寸的金属靶材。该系统的金属靶材尺寸小（长为48毫米，宽为32毫米，厚度为4毫米），采用直流溅射并且承载的溅射功率低（40W～60W），等离子体对靶材的刻蚀以及形成的等离子体与反应气氛的反应速率均较慢，是一个趋于静态的沉积过程，这就导致该方法制备缓冲层的速率低、制备效率低；并且，金属靶材的尺寸较小，工艺制备窗口范围较窄，对获得高质量薄膜有一定的限制，也不利于大面积长带材的快速、稳定、连续制备。

发明内容