[发明专利]基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型氧化物高温超导领域，涉及一种基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层及其制备方法，尤其涉及一种基于IBAD-MgO金属基带的单层CeO₂隔离层及其制备方法。

背景技术

高温超导材料具有零电阻和完全抗磁性等特点，在电力传输、交通运输、医疗设备、新能源等领域有着广阔的应用前景。与商业化的铋系(Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y，简称BSCCO)第一代高温超导线材相比，钇系(YBa₂Cu₃O_7- x，简称YBCO)第二代高温超导带材具有较高的不可逆场和磁场下载流能力、较低的交流损耗等，在强电领域有着潜在的产业化应用前景。 

在第二代高温超导涂层导体的研制中，如何获得具有双轴织构特性的带材是关键。双轴织构可以通过金属基底提供，也可以在制备隔离层时产生。目前有2种主要技术路线：轧制辅助双轴织构基带技术(Rolling Assisted Biaxial Textured Substrate，简称为RABiTS)和离子束辅助沉积技术(Ion Beam Assisted Deposition，简称为IBAD)。其中，IBAD技术路线对基底的选择及其织构无特殊要求，不需使用具有一定取向的双轴织构基底，且基底的晶格常数也不要求与超导薄膜相匹配，利用IBAD技术可以直接在非织构多晶金属基底甚至非晶基底上生长具有立方织构的隔离层，如哈氏合金、不锈钢等都可以作为基底材料。

IBAD技术是利用高能离子束轰击靶材，使其蒸发并沉积到无织构的金属基带上，在沉积过程中同时利用一定取向的辅助离子束去轰击正在生长的薄膜。该技术已被证明是人工控制薄膜取向和织构度最有效的方法之一，也是制备第二代高温超导长带带材一种最有前景的技术路线。IBAD技术路线中，织构层常用的材料有YSZ（钇稳定氧化锆）、GZO（Gd₂Zr₂O₇）、MgO，前两者需要500-1000 nm 厚度才能获得较好的双轴织构度，效率慢，不适用于商业化生产。而MgO只需10 nm左右，其面内织构度最好已达到了6-7°，这使得IBAD技术路线制备隔离层的速度提高了近百倍，能满足第二代高温超导长带带材连续、快速、批量化生产的要求。

然而，IBAD-MgO织构层和REBCO超导层之间存在较大的晶格失配度（7.6%），通过引入与超导层的晶格常数、化学性质、热膨胀系数相匹配的材料作为隔离层可以有效解决这个问题，如CeO₂、LaMnO₃（LMO）、SrTiO₃等。目前，在IBAD-MgO金属基带上，国内外通常采用的氧化物隔离层为双层复合结构，比如：RF-LaMnO₃/RF-MgO/IBAD-MgO、PLD-CeO₂/RF-MgO/IBAD-MgO和PLD-CeO₂/RF-LaMnO₃/IBAD-MgO，即先利用射频磁控溅射（RF）技术在IBAD-MgO金属基带上同质外延MgO隔离层或异质外延LaMnO₃隔离层，然后再采用射频磁控溅射法制备LaMnO₃隔离层或脉冲激光沉积法（PLD）制备CeO₂隔离层。

如图1所示，金属基带上沉积氧化物阻挡层，氧化物阻挡层上沉积BAD-MgO基带，在BAD-MgO基带上采用磁控溅射方法依次外延生长MgO层和LMO（LaMnO₃）层，再在LMO层上沉积超导层。

然而，LaMnO₃/MgO、CeO₂/MgO和CeO₂/LaMnO₃这三种复合隔离层均采用双层结构，使得制备工艺复杂，不利于成膜质量的控制，也不利于降低成本。另外，由于复合隔离层结构中每一层的最佳厚度只需几十到几百纳米，所以在公里级长带的工业化生产中对镀膜工艺的稳定性要求较高。单从工艺研发方面，若能简化复合隔离层结构，减少隔离层数，将会大大降低镀膜成本，提高第二代高温超导带材的性价比。 

发明内容