简介概要

射频溅射法在CeO2/YSZ/Y2O3/NiW衬底上制备YBCO超导层

来源期刊：稀有金属2007年第2期

论文作者：刘慧舟杨坚屈飞张华

关键词：YBCO; 溅射; 衬底; 织构;

摘要：用射频溅射的方法在强立方织构的CeO2/YSZ/Y2O3/NiW衬底上制备了YBCO超导层. 温度、气压等因素对超导层的外延生长有重要影响. 在基片温度大于780 ℃, 气压在11～160 Pa之间, 都有NiWO4化合物生成;在退火吸氧过程中, 金属基底被氧化. 最终在温度780 ℃, 气压100 Pa的条件下, 制备出了纯(00l)取向的YBCO薄膜, 其平面内φ扫描半高宽小于10°, 超导转变温度为87.2 K, 传导电流为11 A.

稀有金属 2007,(02),245-247 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.02.023

射频溅射法在CeO₂/YSZ/Y₂O₃/NiW衬底上制备YBCO超导层

杨坚刘慧舟屈飞

摘要：

用射频溅射的方法在强立方织构的CeO2/YSZ/Y2O3/NiW衬底上制备了YBCO超导层。温度、气压等因素对超导层的外延生长有重要影响。在基片温度大于780℃, 气压在11¹60 Pa之间, 都有NiWO4化合物生成;在退火吸氧过程中, 金属基底被氧化。最终在温度780℃, 气压100 Pa的条件下, 制备出了纯 (00l) 取向的YBCO薄膜, 其平面内φ扫描半高宽小于10°, 超导转变温度为87.2 K, 传导电流为11 A。

关键词：

YBCO;溅射;衬底;织构;

中图分类号： TM26

作者简介：杨坚 (E-mail: yangjian@grinm.com) ;

收稿日期：2006-08-10

基金：国家重点基础研究发展计划 (“973计划”) (2006CB601005);北京有色金属研究总院青年基金资助项目;

YBCO Superconducting Layer on CeO₂/YSZ/Y₂O₃/NiW Substrates by RF Magnetron Sputtering

Abstract：

The YBCO superconducting layers were deposited by RF magnetron sputtering on biaxially textured Ni-W substrates, using CeO2/YSZ/Y2O3 buffer layer architecture.The factors, such as substrate temperature, pressure had great influence on the epitaxial growth of YBCO.The NiWO4 peaks were observable during YBCO deposition at the substrate temperature over 780 ℃, sputtering pressure from 11 Pa to 160 Pa.In addition, the metallic substrates began to be oxidized in the process of annealing.At 780 ℃ under the total pressure of 100 Pa, the pure (00l) orientation film was obtained, and the full width half maximum (FWHM) of the φ-scan of YBCO was less than 10°.The critical temperature of YBCO film was 87.2 K, and its transport current was 11 A.

Keyword：

YBCO;sputtering;substrate;texture;

Received： 2006-08-10

YBa₂Cu₃O_7-x超导材料具有高的不可逆场, 更适合在高温高场下使用, 所以作为第二代高温超导带材的YBCO涂层导体得到了各国科学家的广泛关注 ^[1,2,3,4] 。但由于YBCO超导体弱连接严重, 要达到可供实用化的高临界电流密度, 就必须使YBCO 材料高度织构并克服与金属基底材料之间的相互扩散问题。目前主要有两种方法可解决以上问题。一种是1991年日本的Iijima等 ^[5] 首先采用的离子束辅助沉积技术 (IBAD) , 即在多晶金属基底上先沉积一层或几层高度织构且化学性质稳定的缓冲层, 然后外延生长YBCO 薄膜; 另一种是1996年美国Oak.Ridge国家实验室 (ORNL) Norton等 ^[6] 发明的轧制辅助双轴织构衬底法 (RABiTS) , 将金属基带轧制成具有良好的立方织构, 然后直接外延生长缓冲层和YBCO 薄膜。

目前, YBCO涂层导体一般是三层结构: 即基底、缓冲层和YBCO超导层。其中超导层是涂层导体最重要的部分, 它的质量直接关系到承载电流的大小 ^[7,8] 。从沉积方法来说, 几乎所有的薄膜制备工艺都已被用来制备YBCO超导层。物理方法包括脉冲激光沉积 (PLD) 、电子束蒸发、磁控溅射等。化学方法包括液相外延 (LPE) 、化学气相沉积 (CVD) 、金属有机沉积 (MOD) 等。本文采用溅射法制备YBCO超导层。

1 实验

试验选用射频溅射的方法在具有强立方织构的CeO₂/YSZ/Y₂O₃/NiW衬底上制备YBCO薄膜, 靶材是Φ64 mm×4 mm的平面靶。背底真空优于1.1×10^-2 Pa, 溅射气氛为Ar/O₂混合气体 (Ar/O₂=3/1) , 控制基片温度720～820 ℃, 溅射气压11～160 Pa, 溅射功率110～130 W, 沉积时间180 min, 退火温度490 ℃, 退火时间0～60 min。用XRD系统对薄膜的取向和微观结构进行衍射分析, 用感应法和四引线法对薄膜的超导转变进行测量。

2 结果与讨论

论文主要研究了基底温度, 压强和退火时间对YBCO外延生长的影响。图1是不同基底温度下制备的YBCO薄膜的X射线θ～2θ扫描图 (溅射气压100 Pa, 退火温度490 ℃, 退火时间30 min) 。从图中可看出, 温度在720～820 ℃之间变化时, 薄膜均是较纯的 (00l) 取向, 但基底均被氧化。当温度较低时, YBCO (00l) 衍射峰强度很弱, 且有些峰有分叉, 表明薄膜的结晶效果不好。随着温度的升高, YBCO (00l) 衍射峰强度增加, 在780 ℃时, 达到最大值。温度继续升高, YBCO (00l) 衍射峰强度反而降低。温度较高时, O₂渗入金属衬底, 并与之反应生成NiWO₄的化合物。

图2是不同气压下制备的YBCO薄膜的X射线θ～2θ扫描图 (基底温度780 ℃, 退火温度490 ℃, 退火时间30 min) 。可以看出, YBCO (00l) 各衍射峰的强度先随气压的增大而增强, 随后又随气压的继续增大而减弱, 且不同气压下都不可避免NiO (111) 和NiWO₄ (100) 的生成。这是因为溅射制备YBCO薄膜时, 存在负氧离子对薄膜的反溅射和溅射原子的沉积两个过程。当气压较低时, 可能是负氧离子反溅射作用明显, 导致YBCO较薄, 衍射峰强度较低。气压增大, 负氧离子的能量降低, 对薄膜的反溅射效果减弱, YBCO厚度增加, 衍射峰强度显著增大。但气压过大时, 沉积原子被散射次数增加, 导致溅射速率下降, 衍射峰强度再次减弱。

图3是不同退火时间下制备的YBCO薄膜的X射线θ～2θ扫描图 (基底温度780 ℃, 气压100 Pa, 退火温度490 ℃) 。从图中可以看出, YBCO薄膜未退火的 (00l) 衍射峰所对应的角度比退火后 (00l) 对应的角度小。计算粗略得到未退火时YBCO的c轴长度为1.179 nm, 大于YBCO块材的c轴长度1.168 nm, 表明薄膜中氧含量不足。退火后YBCO的c轴长度为1.164 nm, 接近理论值, 表明薄膜已经充分吸氧。此外, 还可发现NiWO₄是在溅射过程中产生的, 而NiO是在退火过程中生成的, 且吸氧和退火时间的长短关系不大。

图1 不同温度下制备的YBCO薄膜的X射线θ～2θ扫描图

Fig.1 XRD θ～2θ scans of YBCO films deposited at (1) 720 ℃, (2) 750 ℃, (3) 780 ℃, (4) 820 ℃

图2 不同气压下制备的YBCO薄膜的X射线θ～2θ扫描图

Fig.2 XRD θ～2θ scans of YBCO films deposited at (1) 11 Pa, (2) 40 Pa, (3) 100 Pa, (4) 160 Pa

图3 不同退火时间下制备的YBCO薄膜的X射线θ～2θ扫描图

Fig.3 XRD θ～2θ scans of YBCO post annealed for (1) 0 min, (2) 30 min, (3) 60 min

最终在温度780 ℃, 气压100 Pa, 490 ℃下退火30 min的条件下制备了性能良好的YBCO薄膜。图4是YBCO薄膜的X射线φ扫描图, 4个衍射峰的半高宽分别为7.2°, 9.8°, 8.0°, 9.5°, 表明薄膜具有良好的平面内外延性质。图5和6分别是YBCO薄膜的R-T转变曲线和I-V曲线, T_co=87.2 K, ΔT_c=0.9 K, 传导电流接近11 A。图7是YBCO薄膜的原子力 (AFM) 扫描图像, 扫描面积为19 μm×19 μm, 平均表面粗糙度约48 nm。

图4 YBCO薄膜的X射线φ扫描图

Fig.4 XRD φ-scan of YBCO film

图5 YBCO薄膜的R-T转变曲线

Fig.5 R-T characteristic of YBCO film

图6 YBCO薄膜的I-V曲线

Fig.6 I-V property of YBCO film

图7 YBCO薄膜的AFM扫描图像

Fig.7 AFM micrograph of YBCO film

3 结论

用射频溅射的方法在具有强立方织构的CeO₂/YSZ/Y₂O₃/NiW基底上成功地制备出了高质量的YBCO超导层。合适的温度、气压和退火时间保证了薄膜的外延生长。但在沉积温度较高时, 有NiWO₄化合物生成; 在YBCO退火吸氧过程中, 金属基底被氧化。最终得到的YBCO薄膜的平面内φ扫描半高宽小于10°, 超导转变温度为87.2 K, 传导电流为11 A。