高效率MOCVD制备高温超导膜研究

YBCO high temperature superconductive (HTS) tapes have important applications in high power electrical devices and high-field magnet system because of its excellent electromagnetic characteristics. But the high price has limited its application. Based on Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), which is a potential large scale production technique for the deposition of superconducting thin film, we propose to calculate the gas flow velocity field, temperature distribution, particle diffusion rate, and the deposition rate distribution in different reaction chambers by computational fluid dynamics numerical simulation and obtain MOCVD process parameters influence. Combined with our electrical resistance direct heating technology, in which the current is inlet from the edge of tape with elastic electrode brush, we will develop compact reaction chambers with several millimeters in one dimension. In such a system, we will mainly investigate the experimental condition influence on thin film deposition rate, raw material utilization, superconductive, properties, and homogeneity. After that, further optimization will be accomplished and high performance low cost double-sided YBCO HTS tape samples will be prepared.

YBCO高温超导带材在大功率电力装备和强场磁体制备上具有非常重要的意义，但其性价比仍然是大规模应用的主要障碍。金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在规模化制备YBCO超导层方面具有明显的优势。本项目在现有的基带自加热技术基础上，通过流体动力学仿真模拟改善反应器结构，开展系统的实验研究，探索反应腔尺寸引起的气体流动变化、反应过程中的成分变化、薄膜沉积带来的温度变化等规律，找到解决薄膜高性能、沉积高速率、原料高利用率和带材高均匀性相矛盾问题的方法，以获得高性能低成本的双面高温超导带材的MOCVD制备技术。

YBCO高温超导带材在大功率电力装备和强场磁体制备上具有非常重要的意义，但其性价比仍然是大规模应用的主要障碍。因此，通过本项目的支持，我们对YBCO高温超导薄膜的MOCVD高效制备进行了深入研究。首先通过分析设备气流、温度及反应过程的稳定性对超导薄膜生长的影响，对实验室自搭建的MOCVD系统进行了优化，保证了薄膜生长的均匀性和可靠性。然后，基于不同喷淋形式，我们对MOCVD沉积工艺进行了探究，分析了沉积速率、沉积温度、有机源配比之间的相互影响规律，阐明了YBCO超导薄膜的均匀高效外延生长机制，提高了超导薄膜的制备效率。由于采用了新型的通电自加热装置，分析了单次厚膜沉积方式的局限性，提出了超导薄膜多次沉积方案，解决了反应温度与沉积厚度之间的矛盾，同时结合掺杂研究进一步提升了带材性能。最后，基于超导带材的双面高效MOCVD制备技术，我们设计并搭建了单晶基底上双面超导薄膜MOCVD沉积系统，完成了一次性多片2英寸双面超导薄膜的高效均匀性制备。通过以上研究，超导带材的金属有机源利用率提高至31%，双面沉积速率提升至2 μm/min，临界电流达到609 A/cm；2英寸双面YBCO超导薄膜（单面厚度500 nm）制备成本降低至45元/片，单片制备时间缩短至16 min；通过横向项目向松山湖材料实验室进行了技术成果转移，设计并搭建了一套双面高温超导膜设备。总之，本项目的研究成果可为高质量双面YBCO超导薄膜的高效制备奠定重要基础。