强电用超导材料的发展现状与展望

超导材料具有常规材料不具备的零电阻、完全抗磁性等宏观量子现象,是典型的量子材料。在强电应用领域,使用超导材料可以实现常规技术无法实现的超强磁场、大容量储能等诸多颠覆性技术,因此,强电用超导材料制备技术一直是国际高技术竞争前沿。本文通过梳理国内外强电用超导材料及其制备技术的发展现状,系统分析和阐明了包括低温超导材料NbTi、Nb_(3)Sn和高温超导材料YBCO涂层导体、Bi-2223带材、Bi-2212线材以及MgB_(2)线材等实用化超导材料在强电应用领域的发展趋势。分析我国强电用超导材料发展存在的问题,我国需要以开发出面向不同强电应用需求的高性能超导材料体系为基础,实现超导材料和强电应用产品的协同发展,推动强电用超导材料制备技术和应用技术的创新水平提升和产业化规模。研究建议,通过国家层面组织“产学研用”联合攻关,实现低温超导材料产业升级,突破高温超导材料批量化制备关键技术的发展思路,实现强电用超导材料的快速发展和应用。

3英寸双面YBCO薄膜的MOCVD制备研究

制备大面积双面YBCO超导薄膜有助于器件集成的发展。基于自研金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在3英寸铝酸镧基片上制备了性能优异的YBCO超导薄膜。使用扫描电子显微镜(SEM)表征了薄膜表面形貌和厚度,结果显示薄膜双面形貌一致,薄膜表面大部分平整,有少量孔洞。双面厚度接近,分别为533 nm和565 nm。X射线衍射(XRD)测试结果表明在大面积薄膜上成分分布均匀,除了(400)-Y_(2)O_(3)和LAO基片衍射峰以外,只存在尖锐的(00l)-YBCO衍射峰,薄膜双面面外扫描半峰宽低于0.3°,面内扫描半峰宽低于0.944°且仅有四个相距90°的独立尖峰,说明薄膜沿基片外延质量好。在77 K温度下分布式临界电流密度(Jc)测试结果表明薄膜具有良好载流能力,双面Jc>2.4 MA/cm^(2),面内均匀性和双面一致性高。在77 K,10 GHz的条件下,使用蓝宝石谐振器测试得到薄膜的微波表面电阻(Rs)为0.188 mΩ。结果表明自研MOCVD系统能够制备高质量、大面积的YBCO高温超导薄膜。

YBCO超导带材研究进展

简要回顾了高温超导带材的发展历史,然后系统地总结了YBCO超导带材的构成、基带、过渡层和超导层的制备方法,并介绍了当前国内外的研究水平和新近取得的进展,尤其是国内最近的重要进展。在此基础之上,对YBCO超导带材的应用和市场前景进行了展望。

大面积YBCO高温超导双面薄膜的生长研究

采用倒筒式直流溅射 (ICS)方法 ,辐射方式加热基片 ,通过电机带动基片旋转 ,在两面同时溅射沉积YBCO高温超导双面薄膜。在加热温度为 85 0℃ ,总压强为 35Pa ,氧氩比为 1∶2 ,靶基距 5 0mm ,基片转速 5～ 40r/min条件下 ,在 2 0mm× 2 0mm的LaAlO3(10 0 )单晶基片上制得两面性能优良且一致性很好的YBCO高温超导双面薄膜。样品两面性能达到 :Tc0 =89 1K ,ΔTc=0 2K ,Jcl=2 6 9MA/cm2 ,Jc2 =2 74MA/m2 (77K ,0T) ,Rsl=0 2 4mΩ ,Rs2 =0 2 9mΩ(77K ,10GHz,0T) ,可满足制作微波器件的要求。

倒筒式直流溅射法生长大尺寸双面YBCO高温超导薄膜

采用倒筒式直流溅射结合辐射加热方法对无源微波器件用的Y1 Ba2 Cu3O7-x(YBCO)双面薄膜生长进行了研究 ,实验结果表明 :直流非磁控溅射可以制备性能良好的薄膜 .通过基片绕支撑杆和基片表面法线旋转 ,实现了在 (10 0 )LaAlO3基片两面同时原位沉积厚度均匀的YBCO薄膜 .生长出的 2 5 .4mm(linch)高质量的YBCO双面薄膜 ,两面的Tc0 分别为 90 .3K和 90 .4K ,超导转变宽度均为 0 .8K ,两面的微观表面电阻 (Rs)随温度变化一致 ,Rs(77K ,10GHz)分别为 3 3 0 μΩ和 40 0 μΩ .在直径 3 0mm的基片上 ,薄膜的厚度均匀性良好 ,其厚度起伏在 10 %以内 .薄膜面内的Tc0 分布在 90K附近 ,Rs 都分布在 1mΩ以内 。

大面积双面高温超导薄膜研究进展

大面积双面YBa2Cu3O7-δ高温超导薄膜具有优异的微波电学性能,在高端微波器件与电路中有着重要的应用。本文主要结合我们的工作介绍国内外大面积双面超导薄膜的研究工作进展,并着重结合器件应用要求进行相关讨论。

超高真空中SrTiO_3薄膜同质外延生长的过程研究

在超高真空下利用激光分子束外延 (LMBE)方法基于SrTiO3 (10 0 )单晶基片同质外延SrTiO3 薄膜。通过反射式高能电子衍射 (RHEED)对生长过程进行原位监测 ,发现对基片的预热处理明显有利于改善其晶面结构 ,当在其上同质外延Sr TiO3 薄膜时 ,容易实现单晶层状生长模式 ,并得到原子级平整度的铁电薄膜。

原子层热电堆热流传感器研制及其性能测试

针对高超声速风洞试验中对高频热流脉动的测试需求,研制了一种基于横向热电效应的原子层热电堆(Atomic Layer Thermopile,ALTP)热流传感器。利用弧光灯热流传感器标定系统对其进行静态标定,获得ALTP热流传感器的灵敏度系数约为8.24μV/(kW·m^-2),优于国外同尺寸敏感元件的ALTP热流传感器6.90μV/(kW·m^-2)的灵敏度系数;利用激波风洞试验,并通过与薄膜热电阻热流传感器对比,初步获得ALTP热流传感器的响应时间上限,响应时间小于0.20μs。

TFA-MOD方法制备YBCO涂层导体的研究进展

第2代高温YBCO涂层导体具有重要的应用前景,目前在世界范围内正展开制备YBCO涂层导体的研究。本文介绍了国际上用三氟乙酸盐-金属有机沉积(TFA-MOD)的方法制备YBCO涂层导体的工艺过程和主要进展情况,讨论了前驱溶液的合成和涂后热处理方法,以及YBCO超导层的形成机理。

TFA-MOD方法制备YBCO超导薄膜生长研究

TFA-MOD方法是制备YBCO涂层导体的最有应用前景的方法之一。本文采用TFA-MOD方法在LaAlO3单晶基片上生长YBCO薄膜并系统地研究了高温退火不同的停留时间对其影响。XRD分析表明退火时间较短时仍有明显的YBCO(00l)取向,但也有其它杂相峰存在,而延长退火时间可以使杂相峰消失而得到纯的且强度更高的YBCO(00l)取向。SEM分析表明未完全结晶的YBCO薄膜表面晶粒大小不一致,而且气孔较多。而结晶良好的YBCO薄膜表面平整致密,空洞较少。随着退火时间的增加YB-CO颗粒尺寸在增大。但是,退火时间太长,会有大的空洞,甚至出现裂纹。超导电性能测试表明,随着退火时间的增加超导临界电流(Ic)在增加,但是退火时间达到60min后,Ic即达到最大值,表明60min就能使前驱膜在该实验条件下完全的结晶形成取向良好的YBCO薄膜,YBCO薄膜的生长速度达到0.16nm/s。

外延薄膜生长的实时监测分析研究

利用反射式高能电子衍射(RHEED)在超高真空中对SrTiO3(100)、LaAlO3(100)、Si(100)单晶基片进行分析,讨论了衍射花样与晶体表面结构的对应关系,计算出表面的晶体学参数,同时采用激光分子束外延技术同质外延生长SrTiO3薄膜,根据RHEED衍射图样及强度振荡曲线实时监控薄膜的生长。

生长温度对PLD原位生长SrTiO_3薄膜结构与非线性介电性能的影响

采用脉冲激光沉积法 ( PLD ) 制备的Y1B2Cu3O7-x薄膜作为叉指底电极,然后生长 SrTiO3介质薄膜,形成叉指型压控电容结构。通过对 SrTiO3薄膜的原位生长温度与薄膜微观结构及非线性介电性能之间的关系研究,发现随生长温度的升高薄膜晶粒逐步增大然后变小,薄膜的介电常数可调率和本征介电损耗随晶粒大小的增大而增加,而非本征损耗则随晶粒取向的增加而减小。

溶胶–凝胶法制备Pb(Zr_x,Ti_(1–x))O_3薄膜研究进展

Pb(Zrx,Ti1-x)(PZT)铁电薄膜因具有优良的铁电性、压电性、热释电性和声光性能而受到广泛关注,其电、光性能与其制备过程密切相关。简要介绍了PZT薄膜制备工艺流程,系统地从前驱体溶液、摩尔比r(Zr:Ti)、热处理工艺、电极材料以及掺杂改性等五个方面概述了sol-gel法制备PZT薄膜的研究进展,并指出了目前sol-gel法制备PZT铁电薄膜研究中存在的一些问题以及未来的研究方向。

低温热处理条件对TFA-MOD方法制备的YBCO薄膜的影响研究

目前，三氟乙酸．金属有机沉积（简称TFA-MOD）方法是制备YBaECU307-6（简称YBCO）涂层导体最有应用前景的方法之一。系统地研究了TFA-MOD过程中低温热处理条件（升温速率和气氛）对在LaAlO3单晶基片上生长的YBCO薄膜的影响。研究结果表明，低温热处理的气氛为纯02时，200～250℃区间的分解速度不能太快，否则YBCO薄膜就不均匀和致密，薄膜中会出现较多的孔洞，薄膜的面外取向性也较差，从而影响薄膜的超导性能，然而过慢的分解速度也会使薄膜表面有较大的CuO析出物。分解速度为0．08℃／min时才可以得到结构和超导性能良好的YBCO薄膜。同时研究也发现在低温热处理过程中如果采用Ar和2．5％O2混合气氛则可以减弱三氟乙酸盐分解的剧烈程度，从而使低温热处理的分解速度提高到0．8℃／min，得到的YBCO薄膜同样具有较好的面外取向性和超导性能。

锆合金包壳的碘致应力腐蚀研究进展

论述了锆包壳产生碘致应力腐蚀的原因,综述了碘致应力腐蚀的开裂机理和碘致应力腐蚀的影响因素,指出碘致应力腐蚀的影响因素包括:温度、微结构、碘分压和化学因素。

多元氧化物电子薄膜材料的单胞生长模式与界面应力诱导效应的研究

多元氧化物薄膜,特别是ABO_3钙钛矿结构的薄膜由于有铁电、压电、热释电和超导等特性和在多功能电子器件上的广泛应用而成为电子功能材料研究的热点．该文利用激光分子束外延和磁控溅射等薄膜制备技术,采用反射式高能电子衍射(RHEED)对薄膜的生长进行原位实时的检测分析,确定了在不同的工艺条件下氧化物薄膜的层状、层岛混合和岛状生长模式。优化了薄膜的生长条件,实现了对薄膜生长模式的有效控制,绘制出SrTiO_3、BaTiO_3等薄膜的生长模式图谱。测量计算了薄膜的表面活化能和沉积粒子在表面的有效扩散率,发现氧化物薄膜表面的生长运动单元具有活化能小、迁移时间长等重要特点,采用原子力显微镜(AFM)和掠入射XRD对层状生长薄膜的层厚结构进行了精细测量,提出了氧化物薄膜单胞生长动力学模型,即薄膜生长的主要单元是以B-O八面体为主体的单原胞基团．在此基础上,系统地研究了薄膜生长异质界面应力释放行为和对结构性能的影响,在小失配度、中等失配度和大失配度下体现出的不同生长规律,出现了在临界厚度下的相干外延、应变岛、双晶外延和近重位点阵等现象．最后,通过薄膜和衬底的失配度的选择来调整界面应力的影响,并通过工艺条件来诱导薄膜结构取向,如采用薄膜自外延技术和自缓冲层技术,有效地控制和大幅度改善了铁电薄膜、介电薄膜、超导薄膜和热释电薄膜的微结构和电磁性能。

高质量2英寸双面YBCO/MgO薄膜的批量化制备

开展了2英寸(5.08cm)MgO单晶基片上YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜的制备及工艺稳定性研究。通过对基片表面状态的研究,提出了高温退火处理基片的方法,改善了基片的表平整度,大幅度提高了薄膜的取向性以及结晶质量,制备得到的YBCO薄膜具有优越的超导电性,薄膜临界电流密度J(c77K,0T)≈2.5MA/cm2,微波表面电阻R(s10GHz,77K)≈0.16mΩ,能够满足超导滤波器的设计要求。另外,还就工艺的稳定性和可重复性进行了研究,表明电子科技大学已具有小批量化提供大面积双面YBCO样品的能力。

连续生长的双面CeO_2种子层均匀性研究

采用直流反应磁控溅射方法在轧制辅助双轴织构Ni-5at%W基带上,成功连续制备出可用作第二代高温超导带材过渡层的高质量双面CeO2种子层薄膜。X射线衍射表明薄膜均为(00l)方向生长,并存在很强的内面外织构;原子力显微镜表征缓冲层表面连续平整,颗粒致密无裂纹,通过对长样品两面和不同位置研究,表明所制备得到的双面薄膜具有很好的两面一致性和单面均匀性。采用相同的工艺条件生长YSZ中间层以及CeO2模版层得到CeO2/YSZ/CeO23层缓冲层结构。并在其短样上采用直流溅射生长YBCO薄膜进一步验证过渡层薄膜的质量,YBCO薄膜具有较高的结晶质量;其单面临界电流密度Jc达到1.3MA/cm2,双面带材临界电流Ic为113A/cm。在总厚度增加不大的情况下,双面带材的提出,能够使电流承载水平成倍增加,其工程电流密度大幅度增加,并有利于器件小型化。

蓝宝石上射频溅射沉积CeO_2外延缓冲层

研究了基片温度、溅射功率对采用射频溅射沉积在(1102)蓝宝石基片上的CeO2薄膜生长的影响。过低的沉积温度、溅射功率都会导致CeO2薄膜呈[111]取向生长。在基片温度为700~750 ℃,溅射功率为100~150 W,溅射气压为14 Pa下沉积了高质量[00l]取向的CeO2缓冲层。通过X射线衍射和原子力显微镜表征CeO2薄膜的结构和表面形貌。在最优化条件下制备的 CeO2薄膜具有优良的面内面外取向性和平整的表面。在CeO2缓冲层上制得的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)超导薄膜为完全[00l]取向,面内取向性良好,并具有优越的电学性能,其临界转变温度(Tc)为89.5 K,临界电流密度Jc(77 K,0T)约为1.8×106 A/cm2,微波表面电阻Rs(77 K,10 GHz)大约为 0.30 mΩ。

3英寸YBCO/CeO2/Al2O3双面超导外延薄膜的制备研究

采用自制的大面积四靶溅射设备,并结合基片的调速双轴旋转,成功研制出3英寸双面CeO2薄膜及YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜.通过对所制备薄膜的微观结构、表面形貌以及电性能的分析测试,得到的CeO2薄膜与YBCO薄膜具有良好的c轴外延取向,CeO2薄膜的(002)峰与YBCO薄膜的(005)峰FWHM均小于1°.薄膜厚度均匀性良好,厚度起伏在±5%以内.YBCO薄膜Tc分布在88.5～90K,△TC＜1K,Jc＞1×106A/cm2,Rs(10GHz,77K)两面分别为0.53mΩ和0.56mΩ,能较好地满足微波器件研制中的需要.