氧化铈缓冲层的稳定化生长与调控机理研究

Large-scale application of YBCO coated conductors depends on the reduction of its production costs. Chemical solution method is a key technology for developing of coated conductors. This project aims to study nucleation and growth mechanism of (001)-oriented ceria buffer layers by chemical solution method. The influence of elements doping for growth behavior and the crack formed on CeO2 buffer layers and the role of lattice strain for growth behavior and microstructure on CeO2 buffer layer are explored. The relationship between oxygen vacancy concentration and formation of crack is established.The main factors on preparation of high quality CeO2 buffer layers will be revealed. It is elucidated that the stably growth mechanism of (001)-oriented CeO2 buffer layers by chemical solution methods in order to tune the growth of CeO2 buffer layers. And based on above conclusion, the influence law of CeO2 as buffer layer on microstructure and superconducting properties of superconducting layer will be investigated. The results will lay the foundations on buffer layers for coated conductor of low-cost preparation technologies.

YBCO涂层导体的大规模应用依赖于其制备成本的降低,化学溶液法是制备低成本涂层导体的主要技术。本项目通过研究化学溶液法制备(001)晶面取向的CeO2缓冲层形核和生长机制，探索元素掺杂对CeO2缓冲层生长行为及裂纹形成的影响和晶格应变对CeO2缓冲层生长行为及微观组织的作用规律，建立氧空位浓度与裂纹形成的关系模型，揭示影响生成高质量CeO2缓冲层的主要因素，阐明化学溶液法制备(001)晶面取向CeO2缓冲层的稳定生长机制，达到对CeO2缓冲层的生长调控。并在此基础上研究CeO2缓冲层对超导层微观组织和超导性能的影响规律。研究结果将为低成本涂层导体的缓冲层制备提供技术基础支撑。

本项目主要研究了化学溶液法制备（001）晶面取向的CeO2缓冲层的形核和生长机制。首先，针对传统前驱液不稳定、薄膜易出现非取向生长的问题，课题组成功开发了一种新型前驱液用于制备氧化铈薄膜，提高了新型前驱液的稳定性。采用新型前驱液可以在较低成相温度制备出锐利织构和光滑表面的氧化铈缓冲层，有利于获得c轴取向氧化铈缓冲层。同时课题组进一步优化了CeO2薄膜制备工艺参数（气体流速和热处理气氛）。结果表明，较高流速有利于形成单相，也有利于获得较平整的薄膜；热处理气氛对CeO2取向生长具有重要影响，高氧分压不利于CeO2（00l）面取向生长；获得了化学法制备氧化铈生长机制。其次，详细研究了掺杂对CeO2薄膜生长行为的影响。结果表明，随着掺杂离子半径减小，缓冲层晶格常数减小；掺杂元素的离子半径大有利于薄膜的面外织构锐化，不利于降低薄膜的表面粗糙度；由掺杂产生的应变有利于薄膜的c轴织构生长。同时发现掺入纳米银颗粒可以促进氧化铈薄膜的生长，改善氧化铈薄膜的织构和形貌。CeO2+0.1%Ag薄膜具有良好的织构和光滑的表面，适合用于作为涂层导体缓冲层。第三，研究了晶格失配对氧化铈薄膜生长行为的影响。结果表明，衬底与CeO2薄膜之间的晶格失配大，CeO2 (002)衍射峰的半高宽增大，晶粒生长速度降低。衬底与CeO2薄膜之间的晶格失配小，有利于薄膜织构度增加。薄膜表面粗糙度与晶格失配并没有明确依赖关系。在此基础上，研究了缓冲层对YBCO超导层织构和性能的影响规律，缓冲层CeO2的面内扫描半高宽越小，超导层的Jc性能越高。最后，优化了YBCO超导层制备工艺，获得超导层缺陷形貌形成规律和低氟超导层外延生长机制。薄膜表面褶皱形貌的形成与分解反应产生的应力有关；高升温速率下，薄膜剧烈热解导致应力增加，形成褶皱。通过调节氟含量可以改变YBCO的外延生长模式，前驱液中的氟含量在氟含量15%-25%范围内，将有利于YBCO超导层的取向形核和异质外延生长。研究结果对于充分认识氧化铈的取向形核和生长具有重要意义，同时研究结果为低成本的涂层导体制备技术的发展奠定基础。