[发明专利]利用PLD技术在IBAD-MgO基带上快速制备简化单一CeO2缓冲层的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种用于稀土氧化物高温超导（REBCO）带材的缓冲层及其制备方法，尤其涉及一种利用PLD（脉冲激光沉积）技术在IBAD-MgO基带上快速制备简化单一CeO₂缓冲层的方法。

背景技术

稀土氧化物高温超导体的化学组分为RE₁Ba₂Cu₃O₇（REBCO），其中RE为除Pr以外的稀土族元素。稀土氧化物高温超导系列材料中典型代表为钇钡铜氧（YBa₂Cu₃O_7- x，简称为YBCO) 高温超导材料。稀土氧化物高温超导带材具有高临界电流密度（J_c）、磁场（J_c-B）特性和低价的特点，将来很有可能取代铋系高温超导带材，应用在超导强电技术领域，如电机、马达、变压器、限流器、磁体、超导储能、核磁共振成像等。利用超导带材制备的超导电缆、超导变压器和超导限流器等器件与设备具有体积小、重量轻、效率高和能耗低等优点，在电力、能源、医疗设备、国防装备等多个领域具有广泛的应用前景。故而国外给予了高度关注，美国每年投入研究经费1000万美元，日本每年投入研究经费10亿日元，开发了接近商业化水平的制造和检测设备。我国在过去十年中也作了不少摸索，在YBCO涂层导体研制方面取得了一定成果。

第二代高温超导带材，就是采用各种镀膜手段在很薄（40－100微米）的传统金属基带（镍基合金或不锈钢等合金）上镀一层大约1到几个微米厚的钇钡铜氧高温超导薄膜。直接沉积在金属基带上的YBCO超导膜的超导性能很差，必须在金属基带上加一缓冲层。缓冲层的作用一方面可以诱导YBCO超导膜取向生长，另一方面又可作为隔离层防止YBCO与金属基带反应，并且阻止氧向基带中扩散。这就要求缓冲层与超导层和金属基底要有较小的晶格失配度，且能够形成致密无裂纹的薄膜，有效阻碍金属基底被氧化及阻碍基底金属原子向超导层扩散，且不与金属基底和超导层反应。根据涂层导体技术路线的不同，缓冲层的选材也会有所不同。

目前，涂层导体的技术路线主要以下两种：第一是轧制辅助双轴织构基带（RABiTS）工艺路线。在这个路线中，首先制备出具有良好双轴织构取向的金属基底，然后再采用各种真空或者非真空方法制备缓冲层和超导层，其最大的优越性在于很有希望用于缓冲层和超导层的全化学溶液方法低成本制备。但是由于要求金属基底材料必须首先形成良好的双轴织构取向，金属材料的选择范围受到了很大限制。这样对于实际的应用要求，比如低交流损耗等，其优越性将大大受到影响。第二种是离子束辅助沉积（IBAD）工艺路线。可以在没有任何晶粒外延关系和其他附加过程的条件下成功得到双轴织构薄膜，因而可以任意的选择基带材料以满足机械性能，热稳定性和低磁性的要求。同时需要的工作温度很低，可避免薄膜沉积过程中基带的热损伤。采用这种方法得到的缓冲层的表面质量很高，有利于在其上继续沉积出高质量的薄膜。特别是近年来采用IBAD沉积的MgO在厚度仅为10nm时就能有比较好的双轴织构，因而采用MgO来作为缓冲层有很大的潜力大大减少涂层导线的制备时间，从而使得IBAD工艺可以有效的运用于YBCO涂层导体的制备。

由于采用IBAD工艺生长出的MgO薄膜其织构质量不是足够好，并且特别薄，所以一般需要采用真空或非真空工艺在其上面继续沉积缓冲层，然后再采用真空或者非真空工艺沉积超导层。IBAD-MgO基带上沉积缓冲层的常用典型结构如图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。在这一典型的多层缓冲层结构（MgO层和LMO层）中，若不将多层巧妙地层叠而提高晶面取向度，则作为YBCO超导层正下面的层的取向度无法获得7°以下，从而很难获得临界电流密度高的YBCO超导层。因此，为了降低YBCO超导体的制造成本，需要在尽可能少的缓冲层中达到面内取向度在7°以下。

发明内容

本发明提供的一种利用PLD技术在IBAD-MgO基带上快速制备简化单一CeO₂缓冲层的方法，能够在成为YBCO超导层的高取向度的缓冲层中不使用外延同质MgO就能获得优异的结晶取向性，实现YBCO超导体用缓冲层的制造工艺的简单化和低成本化。