基于溅射法快速沉积YBCO带材超导层研究

For the second generation of high temperature superconducting strip practical application of the cost, efficiency and superconductor performance, this project carried out a novel technology, which is based on magnetron sputtering, for preparing of YBCO superconducting layer. Constituting metals such as Y, Ba and Cu will be deposited on LaMnO3 buffered IBAD-MgO templates at low temperatures. Then, the amorphous precursor film will be transferred to a hot zone of a tube furnace with lower oxygen pressure zone and subsequently moved into higher oxygen pressure zone for conversion into the YBCO phase. The main content contains several points as below:(1)fabricate YBCO superconducting layers through sputtering and post-annealing technology, And find out the relationship between the sputtering parameters and crystalline structure, morphology and superconductor properties of the deposited films;(2)study the epitaxial growth mechanism of superconducting layers, get results to investigate the phase formation process and impurity phase distribution;(3) Pinning center formation mechanism and the pinning mechanism will be studied by doping Re element base on sputtering technology.

针对第二代高温超导带材实用化遇到的成本、效率、性能制约因素，本项目基于磁控溅射技术的YBCO超导层快速制备，即先沉积YBaCu非晶薄膜在制备了LaMnO3缓冲层的IBAD-MgO基底，后将非晶薄膜在高温低氧区和高氧区快速退火形成超导薄膜。主要研究以下内容：（1）合金靶溅射后氧化退火制备YBCO超导层，明确溅射工艺参数与沉积薄膜的物相、微观形貌、超导性能间的关联；（2）研究YBCO前驱体薄膜氧化退火过程中的超导层外延机理，，揭示薄膜的物相演变规律、二次相分布情况；（3）研究基于溅射法掺杂Re元素制备超导层钉扎中心形成机制以及钉扎作用机理。

低成本制备ReBCO超导层是目前第二代高温超导带材实用化遇到的主要制约因素，本项目提出了基于磁控溅技术的YBCO超导层快速制备方法Sputter-DR技术，即先沉积YBaCu非晶薄膜在制备了LaMnO3缓冲层的IBAD-MgO基底，后将非晶薄膜在氧气氛下快速退火形成超导薄膜。通过对合金靶材、叠层靶材的验证实验，带材加热技术的应用，高温氧化退火工艺的系统研究，主要研究成果与创新点如下：（1）设计了YBaCu叠层靶制备Sputtering-DR技术前驱体薄膜，通过反复对比成份数据，将合金薄膜成分控制在1：2：3附近；（2）设计了易氧化靶材的保护系统，并将其应用在前驱体薄膜的制备中，以保护易氧化的Ba靶；（3）将独特的基带电阻自加热技术应用在Sputtering-DR技术中，该加热方法能在几秒时间内将基带加热至850oC以上高温，解决了氧化后退火技术中的加热难题；（4）完成了前驱体薄膜氧化后退火工艺研究，明确了薄膜氧化过程中的成相规律以及外延机制。本项目采用Sputtering-DR技术制备的YBCO超导薄膜，面外半高宽最优为1.5o，面内半高宽最优为3.4o，临界电流密度达到1.08MA/cm2，达到了其他方法制备的超导带材的结构与载流能力。以上研究成果表明了Sputtering-DR技术具有应用在第二代高温超导带材的潜力，可应用于高性价比高温超导带材的实用化批量生长，具有很高应用潜能和推广价值。在本课题资助下，目前已发表15篇SCI论文，申请相关的专利4项，培养研究生4名研究生。