化学溶液法制备高性能YBa2Cu3O7-δ超导薄膜的快速分解过程研究

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YBa2Cu3O7-δ(YBCO)涂层导体具有优异的有场载流特性和力学性能,在电力、交通、军事、医疗等领域有广泛的应用前景。近年来,化学溶液法因无需真空设备、价格低廉、操作简单且能制备出性能较高的YBCO薄膜受到广泛关注。化学溶液法制备YBCO涂层导体的大规模工业化生产受制于YBCO超导薄膜制备过程中较慢的分解速率。高质量的YBCO薄膜要求分解后的前驱膜表面平整、无裂纹和褶皱等缺陷。而采用传统化学溶液法要想得到平整、无缺陷的前驱膜,分解过程通常需要超过10小时,效率偏低,不利于化学溶液法制备YBCO薄膜的工业化生产。目前,无氟化学溶液法快速制备YBCO薄膜的临界电流密度Jc(77 K,0 T)普遍在1 MA/cm2左右,明显低于慢速分解制备的薄膜性能。因此,研究无氟化学溶液法制备YBCO薄膜的快速分解过程,以提升YBCO薄膜的Jc非常重要。本文在课题组研发的无氟高分子辅助化学溶液沉积(PA-CSD)法的基础上对前驱膜的干燥温度、时间,分解过程中的升温速率、氧气流量以及水浴温度等工艺参数进行研究,总结出上述参数与YBCO非晶态前驱膜和准单晶薄膜的结构和性能间的关系,初步探讨了经历快速分解的前驱膜形成机理和高性能结晶膜的外延机制。本文优化的工艺参数如下:干燥工艺参数为135℃保温25 min,快速分解工艺是以15℃/min的升温速率升温至480℃,氧气流量500 ml/min,水浴温度15℃,分解过程耗时是传统分解方式的二十分之一。相对于慢速分解,尽管本文快速分解得到的YBCO分解膜表面不够平整,但没有大量CuO颗粒聚集,提高了前驱膜的成分均匀性。由于较快的分解速率造成薄膜内部应力集中,导致薄膜表面出现凹陷和凸起,造成一小时成相后的YBCO薄膜表面出现裂纹、孔洞和c轴织构生长不完全等缺陷。通过进一步延长成相时间,可以基本消除这些缺陷,最终得到高度c轴织构,晶粒连结性好,Tc为93.3 K,Jc(77 K,0 T)高达3.1 MA/cm2的YBCO薄膜。此外,研究表明Co3+掺杂可以提高基于快速分解工艺的YBCO超导薄膜的平整度、致密度,有望得到性能更加优异的YBCO薄膜。
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