直流溅射法制备YBCO带材研究

论文摘要

相对于第一代的Bi系高温超导带材,第二代钇系超导带材具有交流损耗低、性价比高以及在磁场下载流能力强等优点,在工业上具有广阔的应用前景,是高温超导带材的发展方向。由于直流溅射具有方法简单、易于控制以及工艺重复性好等特点,本论文基于直流溅射法在制备有CeO2/YSZ/CeO2（CYC）过渡层的镍钨合金（Ni-5at.%W）基带上开展YBCO涂层导体的制备研究。主要内容如下:1.针对传统倒筒靶溅射速率慢的问题,本论文中采用平面靶溅射提高薄膜沉积速率。通过对低溅射气压和高溅射气压,以及基片与靶同轴和基片旋转等不同条件下制备的YBCO涂层导体的研究发现,提高溅射气压和旋转基片两种方法结合可以很好的消除平面靶负离子反溅射效应。2.采用平面靶直流溅射法制备YBCO涂层导体,研究了基片温度和溅射气氛对薄膜结构、表面形貌以及性能的影响,其最佳工艺条件为加热温度650℃,总压75Pa,氧氩比为1:2。在此条件下制备的薄膜为c轴单一取向,面内外半高宽分别为5.2°和3.5°,Jc为0.75 MA/ cm2。3.为了实现带材的连续制备,本论文对卷绕方式制备YBCO涂层导体进行了初步研究。通过增加薄膜厚度可以提高承载电流的能力,但厚度的增加会导致YBCO薄膜临界电流密度降低,采用多层膜制备方法可优化薄膜结构和性能。实验发现,在YBCO薄膜超过一定厚度时,薄膜的临界电流密度随厚度的增加而降低。通过对比实验结果,我们验证了采用多层膜制备方法能使薄膜的结构、表面和性能得到优化,其中4层的YBCO薄膜表面均方根粗糙度小于10nm,Jc为0.13 MA/ cm2,此方法的工艺条件有待进一步优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 超导材料简介
• 1.2 高温超导带材的应用
• 1.3 高温超导带材的发展
• 1.3.1 第一代铋系高温超导带材
• 1.3.2 第二代钇系高温超导带材
• 1.4 第二代钇系高温超导带材的制备
• 1.4.1 金属基带的选择
• 1.4.2 缓冲层的选择
• 1.4.3 超导层的制备方法
• 1.5 YBCO 涂层导体研究现状
• 1.6 论文的选题依据和研究方案
• 第二章 实验方法和表征
• 2.1 直流溅射制膜技术
• 2.2 实验装置
• 2.3 薄膜的表征方法
• 2.3.1 X 射线衍射分析
• 2.3.2 原子力显微镜
• 2.3.3 扫描电子显微镜
• 2.4 YBCO 薄膜的电性能分析
• 第三章 平面靶溅射YBCO 薄膜的工艺研究
• 3.1 平面靶溅射的特点
• 3.2 倒筒靶溅射的特点
• 3.3 对平面靶溅射工艺的改进
• 3.3.1 提高薄膜沉积时的气压
• 3.3.2 基片旋转形成离轴模式
• 第四章 金属基带上YBCO 涂层导体的工艺研究
• 4.1 CYC 缓冲层表征
• 4.2 基片温度的影响
• 4.2.1 基片温度对结构的影响
• 4.2.2 基片温度对表面形貌的影响
• 4.2.3 基片温度对性能的影响
• 4.3 溅射气氛的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 卷绕方式下YBCO 涂层导体生长初探
• 5.1 单层膜的制备研究
• 5.2 多层膜对YBCO 结构和性能的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果