[发明专利]一种纳米结构超导复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导复合薄膜，具体地说是一种纳米结构超导复合薄膜及其制备方法。

背景技术

1911年超导的发现和1986年高温超导材料(HTS)的成功开发是20世纪科技进步的重大成就之一，也是近代科学研究的一个重要领域。高温超导材料在液氮温区的超导转变温度，使它在通讯、医疗卫生、材料的无损检测、显微技术和地球物理等领域具有诱人的应用前景。随着科学技术的日益发展，生活水平的不断提高，对超导材料的需求越来越大，其应用领域也越来越宽，因而制备和获取高性能超导体成为各国科学家研究的主要对象。高温超导材料及相关超导电子元件的应用技术已部分产业化并在一些领域中得到了成功运用。目前被广泛关注的高温超导材料中的YBa₂Cu₃O_7-δ(简写为YBCO)成为研究得最多、最成熟的高温超导薄膜。YBCO由于其本征的一系列优势，比如结构稳定、安全无毒、超导临界转变温度较高(Tc＝92K)，能承载较大电流等，被认为是最具有应用潜力的超导材料。

然而由于YBCO所承载的临界电流密度(Jc)随着外加磁场的增加而显著下降，而超导材料通常又是在外加磁场下应用的，因此提高磁场中的载流能力是目前超导带材领域最受关注的课题，以期最终实现大规模YBCO超导材料的实用化。研究人员一直在通过不同的材料制备技术来提高超导材料的Jc。截至目前提高超导材料Jc最有效的方法是在超导材料中人工引入一定形态的非超导异相纳米结构，该纳米结构在超导材料中形成有效钉扎中心。如，专利CN 102491740A公开了一种钐掺杂的钇钡铜氧超导薄膜及其制备方法，该超导薄膜通过在Ba位掺Sm引入离子缺陷作为钉扎中心，可提高超导薄膜在外加磁场下的临界电流密度。但是，其制备过程中需要先配置不同浓度掺杂的前驱液，之后涂覆、热解、晶化处理。整个制备过程工艺复杂、成本高；且一旦前驱液配置成功，所制备的超导薄膜的体积分数就难以改变，即：无法制备掺杂浓度实时可调的超导薄膜。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种纳米结构超导复合薄膜，该纳米结构超导复合薄膜在外场和自场下均具有较高的临界电流密度。

本发明的目的之二就是提供一种纳米结构超导复合薄膜的制备方法，该制备方法可实现对超导薄膜中杂质浓度的实时调节，即可实现对缺陷钉扎浓度、密度以及缺陷钉扎尺寸和形状等微结构的调控，最终提高超导复合薄膜在自场和外场下传载电流的能力。

本发明的目的之一是这样实现的：一种纳米结构超导复合薄膜，所述纳米结构超导复合薄膜是通过磁控与脉冲激光共沉积工艺将超导材料与非超导纳米材料共同沉积在基片上而形成；所述基片为SrTiO₃(钛酸锶，简写为STO)、LaAlO₃、MgO或柔性金属基带等；所述超导材料为REBa₂Cu₃O_7-x(RE＝Y、Gd、Nd、Sm等稀土元素)或(LaSr)₂CuO₄等，所述非超导纳米材料为MgO、CeO₂、Y₂O₃、BaZrO₃和BaSnO₃中的一种或两种及两种以上的组合。

所述纳米结构超导复合薄膜的厚度为10～10000nm。

优选的，所述基片为SrTiO₃基片，所述超导材料为YBa₂Cu₃O_7-x，所述非超导纳米材料为MgO；且所述纳米结构超导复合薄膜中MgO与YBa₂Cu₃O_7-x的体积比为1:90～1:100。

本发明提供了不同种类的纳米结构超导复合薄膜，这些超导复合薄膜是通过磁控与脉冲激光共沉积工艺将超导材料与非超导纳米材料共同沉积在基片上而形成，即：本发明通过磁控和脉冲激光共溅射方法，在同一套物理气相沉积系统中充分发挥磁控溅射和脉冲激光沉积各自的优势，进而实现纳米结构掺杂超导复合薄膜的制备。通过改变脉冲激光溅射功率、频率以及磁控溅射功率、靶基距等溅射参数，可以形成不同浓度掺杂的超导复合薄膜，而且制备过程中可实时调节掺杂浓度。因此，本发明可以方便有效地实现对超导复合薄膜中缺陷钉扎的浓度、密度以及缺陷钉扎的尺寸和形状等微结构的调控，最终提高超导复合薄膜在自场和外场下传载电流的能力。