Gd/Yb和稀土含量对GdYbBCO薄膜微观结构和性能的影响

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REBCO高温超导薄膜因其具有高临界转变温度、高载流能力和高不可逆场等优势一直以来都是超导领域的重点研究对象。在以往的工作中,我们系统地研究了各种不同稀土以及稀土组合的REBCO薄膜在(10~77K,0~5T)环境下的超导性能,发现在低温和高场的环境中,GdYbBCO薄膜相比于其他REBCO薄膜具有更优越的超导性能。而国内外的诸多研究成果都表明稀土含量和稀土类型都将显著地影响REBCO薄膜在77K磁场下的性能。因此,本论文进行了 MOCVD-GdYbBCO薄膜超导性能的研究优化工作。首先,我们进行了 MOCVD系统的调试及工艺优化工作,其主要目的是将MOCVD系统调试至最佳状态,探寻出最好的工艺条件:1)增加喷淋孔密度分布,使喷淋孔的排列规律性,在有效抑制热对流的同时可以形成良好的喷射效果。2)最佳的走带速度为5cm/min。3)最佳的化学源浓度为0.125mol/L。4)最佳的喷淋间距为45mm。5)最佳的张力范围是0.2~0.3N。MOCVD系统状况良好的前提下,进行Gd/Yb和稀土含量对GdYbBCO薄膜性能及微观结构的影响研究工作。比较不同Gd/Yb和稀土含量的GdYbBCO薄膜在(40~77K,0~5T)环境下的超导性能,利用扫描电镜、XRD等分析手段对薄膜的组分、表面形貌、物相组成等进行了系统的表征。归纳总结出不同Gd/Yb和稀土含量对GdYbBCO薄膜性能影响的规律,并对GdYbBCO薄膜在低温下的磁通钉扎机制进行了一定的探讨。针对不同Gd/Yb和稀土含量对GdYbBCO薄膜性能影响研究,主要得出以下结论:1)在零场条件下,所有样品的最佳稀土含量为1.3。77K时,GdBCO系列的薄膜Jc性能最佳,YbBCO系列的薄膜Jc性能最差,随着温度的降低,GdYbBCO(Gd/Yb=1)系列薄膜Jc性能逐渐上升,在40K时实现全面反超,而GdBCO系列薄膜Jc性能在逐渐下降。2)在(77K,1T)条件下,Gd1.2BCO、Gd1.3BCO 薄膜性能最优,Yb1.1BCO、Yb1.2BCO薄膜的性能最差,所有的薄膜在c轴方向都没有出现显著增强的磁通钉扎现象。3)在B//c时,(40K~65K,1~5T)条件下,Gd0.65Yb0.65BCO薄膜的性能都是最优的,并且在c轴方向出现了显著的加强峰。3T时的c轴峰是最显著的,1T和5T的峰强度较弱。5)XRD物相和SEM形貌分析都可以证明:稀土含量和Gd元素比例的增加都会抑制Ba-Cu-O相生成。同时,当Yb元素多时,薄膜中过量的稀土主要以RE2O3相的形式存在,随着Gd元素比例的增加,RE2O3相的形成受到抑制,过量的稀土主要以RE211相和固溶体Gd1+yBa2-yCuO7-x相的形式存在。6)Gd0.65Yb0.65BCO薄膜中同时存在RE2O3相、Ba-Cu-O相和RE211相,但Ba-Cu-O相在c方向的磁通钉扎作用是Gd0.65Yb0.65BCO薄膜JcB//c性能优势的主要原因,同时Ba-Cu-O相在65K及以下时才逐渐转化为占据主导作用的钉扎中心。
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