论文摘要：化学溶液法制备钙钛矿型及烧绿石型缓冲层的研究

摘 要
      YBa2Cu3O7-δ(YBCO)涂层导体与第一代高温超导材料Bi-2223/Ag相比，由于在77 K具有良好磁场载流性能、较高不可逆场、低交流损耗及高性价比等优点，在工业上有着广阔的应用前景。低成本、高性能的YBCO涂层导体制备技术成为目前实用高温超导材料的研究热点。但是，直接在柔性金属基带上制备超导薄膜存在着晶格失配和互相扩散等问题，因此必须制备过渡层薄膜。涂层导体缓冲层承担着织构传递和化学阻隔两大任务，缓冲层的特性直接影响YBCO层的超导性能，所以选择并制备低成本和高质量的缓冲层是涂层导体制备技术的关键环节。
   研究发现，钙钛矿型及烧绿石型的化合物是目前最理想的缓冲层材料。从低成本和规模化生产的角度考虑，化学溶液沉积(CSD)是最具产业化前景的功能层制备技术。本论文开展了采用化学溶液法制备钙钛矿型及烧绿石型缓冲层的研究，重点研究了单缓冲层的制备工艺，选择了两大类材料—具有钙钛矿结构的氧化物La2CuMnO6(LCMO)和具有烧绿石型结构的氧化物Nd2Zr2O7(NZO)作为缓冲层的候选材料。利用热分析(TG-DSC)等分析手段对前驱物和前驱液进行了分析，用X射线衍射技术(XRD)、原子力显微镜(AFM)以及扫描电镜(SEM)等分析手段对缓冲层晶粒取向和表面形貌等方面进行了研究，通过所获得的结果对缓冲层的制备工艺进行了优化和改进。
首先用固相法、化学溶液法法制备了LCMO缓冲层材料的块材，并通过对其结构及形貌分析，确定了化学溶液法法制备这些块材的最佳工艺条件。研究发现，固相法晶粒尺寸不均匀，晶粒分布不致密，平均晶粒尺寸达到500 nm；而CSD法以La(CH3COO)3·1.5H2O、Cu(CH3COO)2·1.0H2O和Mn(CH3COO)2·4.0H2O为前驱体，在较低温度(最低温度达900 ºC)和短时间(3 h)热处理就可得到立方相La2CuMnO6，与固相法比较，降低了热处理温度，缩短了反应时间。在最佳热处理条件下，样品中的晶粒分布均匀致密，晶粒平均尺寸约为200 nm。这为化学溶液法制备LCMO缓冲层薄膜的热处理工艺的选择做好了准备。而在Nd2Zr2O7(NZO)固态法块材的制备过程中，发现在不同气氛、时间和温度下制得的样品中均出现Nd2O3相，很难得到纯的Nd2Zr2O7相，所以Nd2Zr2O7固态法块材的制备工艺还有待于进一步的研究。
利用金属有机物沉积技术(MOD)在SrTiO3(STO)和YSZ单晶基片上分别制备了LCMO和NZO缓冲层，通过一系列的条件实验确定了各缓冲层的最佳的前驱体(乙酰丙酮钕和乙酰丙酮锆)及制备工艺。研究发现，获得高度c轴织构的La2CuMnO6薄膜的最佳晶化温度、时间、气氛、衬底及总离子浓度分别为1000 ºC、3 h、空气、STO(100)及1.0 mol/l，最佳工艺条件下制得的LCMO薄膜表面较平整、均匀、无裂纹、无孔洞粗糙度只有7.704nm。利用TFA-MOD法
  
在LCMO上沉积的YBCO也呈现出非常好的c轴织构，很强的(00l)衍射峰；临界转变温度Tc=90 K，对YBCO薄膜进行液氮温区和零场下临界电流密度Jc测试，临界电流密度Jc=1.8 MA/cm2，薄膜表面无裂纹，无明显的针状晶粒，无孔洞，晶粒尺寸大约为100 nm，分布均匀且排列致密，因此，La2CuMnO6作为缓冲层具有潜在优势。另外，通过比较不同热处理工艺所制备Nd2Zr2O7薄膜研究发现，低温热处理温度和热处理时间对Nd2Zr2O7缓冲层c轴织构的形成具有重要影响。结果表明，获得了高度c轴织构的NZO薄膜的最佳温度、时间、气氛、衬底及总离子浓度分别为500 ºC、1 h及1000 ºC、3 h、Ar-4%H2、YSZ(100)及1.0 mol/l。
 
 

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