[发明专利]一种在空气中制备a轴取向高温超导膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温超导材料的制备方法，尤其涉及一种在空气中制备a轴取向高温超导膜的方法。

背景技术

由于高温超导材料在液氮温度具有优异的超导性能，因此在超导储能、超导电机、核磁共振、器件研发等领域拥有极其重要的应用价值。高品质膜的基础应用研究吸引了大批材料物理学家的广泛关注。目前，高温超导体主要包括四大类：90K的稀土系、110K的铋系、125K的铊系和135K的汞系。其中，YBa₂Cu₃O_x（简称YBCO、Y123）具有高于液氮温度的超导转变温度T_c，其在低于转变温度T_c的温度环境下表现出迈斯纳效应和零电阻效应等特性，并且制备工艺相对成熟。

材料的结构决定了材料的性能，进而影响了材料在实际中的应用。一般来说，由于YBCO超导晶体的晶格常数在两个方向a轴和b轴近似相等，即YBCO晶体结构近似于一个正四棱柱。因而，YBCO超导厚膜通常表现出两种取向，即a轴取向和c轴取向。c轴取向的YBCO高温超导厚膜具有较高的临界电流密度，因而在电力运输方面有重要的应用，而a轴取向的REBCO高温超导厚膜在约瑟夫森结器件方面有至关重要的应用。

液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）被普遍认为是一种极具潜力的YBCO超导厚膜的制备方法。在液相外延生长YBCO超导厚膜的过程中，籽晶被固定在连接杆上缓慢靠近饱和溶液表面，作为唯一的形核点诱导YBCO超导厚膜的生长。由于LPE的生长条件接近平衡态，使用晶格失配度较小的材料作为籽晶诱导生长得到的厚膜具有低缺陷、高结晶性能等特点。另外，由于LPE在非真空条件下进行，因而这种方法具有制备成本低等优点。并且与一般的成膜技术相比，LPE具有较快的生长速度。

根据研究表明，在（110）取向的NdGaO₃（NGO、镓酸钕）基板上不仅可以外延生长纯c轴取向的YBCO厚膜，而且可以外延生长纯a轴取向的YBCO厚膜。文献报道了采用液相外延工艺制备用于约瑟夫森结器件研发所需要的纯a轴取向YBCO厚膜的多种方法。但是，现有的制备工艺主要存在以下两个问题：第一，在空气中生长纯a轴膜非常困难。以往的报道中，由于Nd元素在较高温度下的回溶会增大溶液的过饱和度，而a轴膜的生长需要很小的过饱和度。基板回溶效应与过冷度之间不可调和的矛盾使得a轴膜在亚稳区的生长窗口非常小，这给纯a轴膜的制备带来非常大的困难。另外，尽管在不稳区的生长窗口得到较大扩展，但是由于溶液的自发形核会在液面出现浮游，这会大大影响a轴膜的品质。第二，虽然在氧气中a轴的生长窗口在10K以上，但是该方法操作麻烦且成本较高。

因此，本领域的技术人员致力于探寻一种有效扩大纯a轴液相外延膜生长窗口的方法，使得操作简捷成本低廉，以用于制备约瑟夫森结器件研发所需的高品质纯a轴取向的YBCO高温超导膜。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种使用镓酸钕（NdGaO₃，NGO）单晶基板作为籽晶，在空气中采用顶部籽晶提拉法液相外延生长a轴取向YBCO超导厚膜的方法，该方法能够有效扩大纯a轴液相外延膜生长窗口，从而有利于纯a轴取向YBCO超导厚膜的制备，操作简捷成本低廉。

为实现上述目的，本发明提供了一种在空气中制备a轴取向高温超导膜的方法，包括以下步骤：

a)将BaCO₃粉末和CuO粉末进行配料，获得BaCO₃+CuO粉料，所述BaCO₃+CuO粉料中的Ba和Cu的摩尔比为0.4-0.7；

b)对步骤a)所得的BaCO₃+CuO粉料进行预处理；

c)烧结步骤b)预处理后的BaCO₃+CuO粉料，制得Ba-Cu-O粉末；

d)将步骤c)所得的Ba-Cu-O粉末加入到Y₂O₃材料的坩埚中加热至第一温度，并继续保温，获得Y-Ba-Cu-O溶液；

e)获得步骤d)所得的Y-Ba-Cu-O溶液后，向所述Y-Ba-Cu-O溶液中加入20-30克步骤c)所得的Ba-Cu-O粉末，并在第一温度继续保温；

f)步骤e)所得的Y-Ba-Cu-O溶液冷却至第二温度；