[发明专利]一种Zr掺杂CeO2过渡层薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温超导材料制备技术领域，具体涉及高温超导涂层导体过渡层的制备技术。

背景技术

将具有陶瓷脆性的高温超导材料制成线、带材是实现其实际应用的重要环节。近几年来，人们采用在多晶韧性金属基带上沉积超导膜以制备高温超导长带材的研究取得了很大的进展，已经制备出长度达到百米级，具有高临界电流的钇钡铜氧(YBa₂Cu₃O_7-δ，简记做YBCO)超导带材，有望进行强电应用。

涂层导体的高温超导层的成分YBCO，由于本身的层状结构，具有极强的各向异性，其载流能力对晶格失配也极为敏感，大的晶格失配角将会形成弱连接，严重影响其超导性能。因此，如何在制备涂层超导线材的过程中降低弱连接，保证其超导性能，一直以来是人们研究的重点内容之一。采用“外延织构”的思路和相应的技术手段是其制备技术中不可或缺的工艺过程。

为了真正的实现高温超导带材的强电应用，将脆性的YBCO超导氧化层涂敷在机械性能优良的金属基带上，能够起到减少或者避免加工、使用过程中的机械损伤、支撑超导层，承载一部分电流，提高其工程电流密度等作用。而就目前而言，NiW合金材料被世界上认为是最有应用前景的金属基带材料。但是由于NiW合金和YBCO超导材料存在一定的晶格失配；此外，在沉积超导层的过程中，NiW合金也会与YBCO有较强的扩散和化学反应，严重地影响YBCO层超导性能。因此，在NiW合金和超导层中间添加一层或多层过渡层材料，起到传递NiW合金基带织构，阻挡金属基带和超导层之间的相互扩散等作用。可以看出，具有一定厚度的高质量的过渡层是保证超导层发挥其超导作用的至关重要的结构。

迄今为止，从制备过渡层的手段上来看，主要有以真空方法为手段的离子束溅射法、脉冲激光沉积法等，和以化学方法为主的金属有机化学气相沉积法、化学溶液方法等。从材料的选择方面，以MgO、CeO₂、Tb₂O₃等为代表的具有结构的简单氧化物；还有以SrTiO₃等为代表的钙钛矿结构的复合氧化物，以及以La₂Zr₂O₇等为代表的烧绿石结构的复合氧化物。

其中CeO₂材料由于与YBCO超导层具有较小的晶格匹配，是作为涂层超导材料的最佳帽子层(cap layer)之一。在方法的选择上，由于化学方法可以避免真空的沉积薄膜的条件，设备简单，成本低廉，是制备廉价涂层超导过渡层的主要方法之一。但是，目前的研究发现采用化学方法制备纯的CeO₂都难以成表面致密平整的厚膜。因此，为了兼顾外延织构，隔离超导层与基板反应的功能，必须制备多层结构的过渡层结构。这样的多层过渡层结构，无论对于材料的选择和搭配，还是过渡层薄膜的制备工艺过程，都给多层涂层超导过渡层的获得带来了很大的复杂性，也提高了涂层超导的制备成本。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种工艺简单，成本低廉，表面致密平整的Zr掺杂CeO₂过渡层薄膜及其制备方法。

本发明所提供的一种Zr掺杂CeO₂过渡层薄膜，是在CeO₂基体中掺杂Zr形成的Ce_1-xZr_xO₂复合氧化物固溶体，其中，0.1≤x≤0.5，膜的厚度为30～250nm。

本发明所提供的一种Zr掺杂CeO₂过渡层薄膜的制备方法，以有机铈盐为主要材料，乙酰丙酮锆为掺杂元素的锆源，采用化学溶液的方法，经过旋涂或者浸涂的方法，将前驱液涂敷到金属基带上或者单晶基板上，再经过热处理工艺，在金属基带上或者单晶基板上制备YBCO涂层导体Ce_1-xZr_xO₂过渡层，具体步骤如下：

1)制备前驱液：将有机铈盐和乙酰丙酮锆，按铈离子与锆离子摩尔比1-x∶x，其中0.1≤x≤0.5，溶解到正丙酸和甲醇或乙酰丙酮中加热搅拌至溶解，铈离子与锆离子总浓度为0.1～1.0mol/L，正丙酸的含量为溶剂总体积的70～100％，获得前驱液；

2)涂敷前驱液：将步骤1)制备的前驱液用旋涂或者浸涂的方式沉积到金属基带或单晶基板上；