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二代高温超导带材缓冲层的制备

2021-10-31 来源:榕意旅游网
第41卷第l8期 2013年9月 广州化工 VoI_41 No.18 Guangzhou Chemical Industry September.2013 一 一II I、. 同吉 日 Inn 超导带材缓冲层的制备 王醒东 (富通集团有限公司,浙江 富阳311400) 摘 要:超导材料的发展是超导技术得以应用的前提,带材是超导材料最为常见的使用形式。超导带材由基板、缓冲层、 超导层和保护层组成,其中缓冲层作为基板与超导材料的中间层,对超导带材的性能有重要影响。本文介绍了常见的缓冲层材料, 归纳了缓冲层最为常见的几种制备方法,主要包括有离子束辅助沉积技术、倾斜基底沉积法和溅射法三种,并总结了缓冲层未来 的发展重点与方向。 关键词:钇钡铜氧带材;缓冲层;离子束辅助沉积;倾斜基底沉积;溅射 中图分类号:TM26 文献标识码:A 文章编号:1001—9677(2013)18—0032—03 The Preparation for Buffer Layer of 2G High Temperature Superconducting Tapes - WANG Xing一如, (Futong Group Co.,Ltd.,Zhejiang Fuyang 3 1 1400,China) Abstract:The development of superconducting material was the prerequisite for the application of superconducting technology,and the tape was the most common use forms of superconducting materia1.Superconducting tape consisted of substrate,buffer layer,superconducting layer and protective layer,as the middle layer between substrate and superconducting material,and the buffer layer had important influence on the performance of the superc0nducting tape. The common buffer layer materials were introduced,the most common several kinds of preparation methods were summarized including the ion beam assisted deposition technique,substrate deposition method and sputtering,and the focus and direction of future development for buffer layer were finally pointed out. Key words:YBCO tapes;buffer layer;IBAD;ISD;sputtering 在电能日益紧张的背景下,超(特)高压输电已成为解决现 有输电方式损耗过高的方法之一。但超(特)高压输电对绝缘、 使用空间条件要求很高,终端的结构复杂、制作难度大。对于 部分附属部件,必须进口,从各方面增加了超(特)高压输电的 难度与成本。超导技术是解决目前输电损耗高、环境污染严重 的另一种有效途径。利用高温超导材料(以液氮为制冷剂,以下 可以防止基板与超导层材料间发生反应,又可以将基板或自身 的织构传递给超导层,是超导带材中非常重要的组成部分。 1缓冲层材料 常见的缓冲层材料包括CeO:、Y:O,及Y:O 稳定化的ZrO 、 MgO 。缓冲层材料的晶格参数必须与超导层相接近,才能 作为超导带材的缓冲层。表1给出了室温下常见缓冲层材料的相 提到的超导材料均指高温超导材料)制成的超导电缆,占地空 间小,在尺寸与传统电缆相同的情况下,传输电流却是后者的 数倍。此外,还避免了传统发、输电方式环节所产生的污染问 题,是一种节能、环保的输电方式。我国已计划将超导输电与 超(特)高压输电并行发展。 超导材料是超导电缆的电流载体。考虑到超导电缆的长距 离应用,要求超导电缆中的超导材料必须以带材(截面为矩形 或圆形)的形式进行应用。超导带材的制备工艺复杂,对设备 要求高,难度很大,所以目前世界上能生产超导带材的厂家并 不多。按照超导材料的种类,分为一代超导带材(1G)和二代超 导带材(2G)” ,前者由铋锶钙铜氧元素组成,统称为铋(Bi) 系超导带材;后者由钇钡铜氧元素组成(缩写为YBCO),称为 关参数(为了便于对比,列出了YBCO材料的相关参数)。 表1常见缓冲层材料的结构及相关参数 Table 1 The structure and related parameters of common buffer layer materials 材料囊薹嚣 /irYBCO m /n m d二代超导带材。由于YBCO超导带材性能的优越性及更广的使 用范围,其越来越受到关注。 YBCO超导带材具有多层结构,包括基板、缓冲层、超导 层、保护层。其中缓冲层和保护层根据实际应用的需要,可能 又包含多层不同的材料。缓冲层是超导层与基板的中间层,既 第41卷第18期 王醒东:二代高温超导带材缓冲层的制备 33 续表 图1 IBAD原理示意图 Fig.1 Principle diagram for IBAD 缓冲层具有阻止化学反应(如基底中的金属原子进入超导 2.2倾斜基底沉积法(Inclined Substrate Deposition) 层或超导层中的氧原子向基底扩散)和传递织构的功能。YBCO 简称ISD,是一种很有潜力的新方法。ISD法首次报道于 超导层只有在一定的晶格取向下才表现出较高的载流能力。织 1996年。与IBAD法不同,ISD法没有辅助离子源,其利用电 构的好坏对超导层的性能有重要影响。如织构在基底上形成, 子束或其他激发源将原材料激发,基底本身与激发源成一定角 则通过缓冲层将基底上的织构传递至超导层;如缓冲层自身具 度,从而直接在基底上得到具有一定取向的缓冲层。ISD法沉 有择优的晶格取向,则缓冲层自身就为超导层的生长提供了模 积速率较快,可达10 I ̄m/s。Balachandran等 利用ISD法在 板。 哈氏特洛伊金属基板上(Hastelloy,尺寸1 em×0.5 em× 缓冲层通常具有多层结构,如包括籽晶层、阻隔层和模板 0.5 txm)制备了MgO缓冲层,沉积速率最高达到10 I ̄m/s。通 层。籽晶层是生长单晶的种子,也叫晶种;阻隔层的作用是防 过表征发现,MgO与基板成55。,夹角半高峰宽约9。。随后利 止各层材料间原子的相互扩散。模板层即为超导层的生长提供 用脉冲激光沉积法(PLD)在MgO上沉积了YBCO超导层,77 K 模板。 自场条件下,临界电流密度约2×10’A/cm 。 缓冲层层数越多,制备的难度越大。目前,简化缓冲层的 Dtirrschnabel等 利用ISD法,在Hastelloy—C276金属板 结构也是研究的重点。 上沉积了MgO薄膜。利用SEM、AFM和TEM对所得薄膜形貌 2缓冲层的制备方法 等进行了表征。结果表明,在MgO厚度在800 nm的情况下, 薄膜面长度和面高度分别为71 nm和18 nm。 现有YBCO超导带材的缓冲层一般由多层结构组成,各层 可能采用不同的制备方法。但从整体上看,主要有离子束辅助 沉积法、倾斜基底沉积法、溅射法和和电子束蒸发法等 。 在缓冲层制备过程中,通常采用以上多种方法的综合。 2.1 离子束辅助沉积法 瓤 英文全称为Ion Beam Assisted Deposition,简称IBAD法, 即通过离子束的二次作用,使缓冲层具有双轴织构。主要过程 为,将含有缓冲层靶材材料蒸发至基板上,然后利用辅助离子 束对沉积层进行蚀刻,通过控制辅助离子束的角度,使得沉积 图2 ISD法工作原理 层具有一定的择优取向(主要为立方织构)。IBAD法是目前制 Fig.2 The operating principle of ISD method 备缓冲层主流方法,用来制备其中的某一层或多层。在早期的 缓冲层材料研究中,利用IBAD法制备钇稳定化的氧化锆 2.3溅射法(Sputte ̄ng) (YSZ)作为缓冲层受到了广泛的关注,但IBAD—YSZ耗时长, 以高能粒子轰击某种材料制成的靶材表面,使靶材中的原 制备1 m~1 m厚的YSZ,需要20 h,成本太高。如何提高缓 子或分子从本体中逸出。与周围气体分子不断碰撞后,沉积到 冲层的沉积速率已成为其降低成本、实现工业化制备必须面对 基底上的过程。溅射法可分为直流溅射、交流溅射、反应溅射 的问题。以此为目标,IBAD—MgO得到了发展。S.Hanyu 和磁控溅射四大类。利用溅射法可在基底表面获得金属、合 等 “ 利用IBAD法制备了制备了GdBCO/CeO2/IBAD~GZO/ 金、氧化物等各种薄膜,是一种最为常见的制备薄膜的方法之 IBAD—MgO(3层)和IBAD—MgO(4层)两种结构的缓冲层。结 一。溅射法的特点是:在惰性气氛中进行,常用气体为氩气; 果表明,前者的生产速率达到20 m/h,后者生产速率更是高达 所用基底温度低;制备薄膜纯度高;_丁艺重现性好等。美国超 500 m/h。与另一种形成织构基底的方法不同(轧制辅助双轴 导公司(AMSC)和韩国SuNAM(瑞蓝)公司开发的商用YBCO超 法),IBAD法制备的缓冲层是织构的初始模板,所以该法具有 导带材,均利用溅射工艺制备缓冲层中的一层或多层,见图3。 的优势是基底的选择范围广,很多金属都可以作为超导带材的 文献 中以Ni一5at.%W(Ni一5W)金属带为基底,利用直流 基带。镍合金由于其易获取,在高温下机械性能好以及和缓冲 反应溅射法,以reel—to—reel(卷轴对卷轴)的方式制备了 层、超导层热膨胀系数接近等优点,是目前最常用的基底材 ce Y O (CYO)薄膜。经表征后发现:厚度为350 nm时,得到 料。IBAD法的主要缺点是所用设备复杂、需要高真空系统, 的CYO薄膜致密、表面平滑无裂纹,在CeO,中掺杂Y,可以 成本高。 有效的抑制薄膜中裂纹的m现。Wang等 在CeO,/NiW金属 带上,采用射频溅射法沉积了YSZ薄膜。调查了氧压比和溅射 功率对薄膜表面形貌和粗糙度的影响。经研究表明:①薄膜的 34 广州化工 2013年9月 颗粒尺寸及表面粗糙度随着溅射功率的变大而增加;②氧氲比 不同,得到不同晶格取向的YSZ。 of Second—Generation High—Temperature Superconductor Wire[J]. Sumitomo Electric Technical Review.2006。61:36—4O. 溅射法是目前实验室及工业生产中一种制备薄膜的主要T 艺,现在在光通信、显示技术等光学领域也显示了巨大的需 求。 [3] 周廉,件子钊 中国高温超导材料及应用发展战略研究[M].北 京:化学1:业m版社,2007:41—45. [4] [5] Xu Yongli,Shi Donglu.A Review of Coated Conductor Development [J].Tsinghua Scienee And Technology,2003,8(3):342—369. Y. Sawano,Y. Yoshida,A.Tsuruta,et a1. Super(。0nducting Property ’& ∞onduc h I 一1 l 2一l 8 ∞) RCE DR … of BaHfO3 Doped SmBa2 Cu3 Ov Films Prepared by Ahemating—targets ∞~ Technique on IBAD—MgO[J].Physics Procedia,2013,45:149一 l52. 露 柚。叩|一ME01.,忖一20衄 、 ISAI ̄MtOl一一10tn I 珂 n 墨 SeedI町日 7鼢 [6] J.Y.Yan,Y.D.Sun,D.J.Li,et a1.High—temperature stability of D£ 忡b蛆 {^ J 加 J TiA1N/TiB2 multi—layers grown on A12 O3 substrates using IBAD[J]. Surface and Coatings Technology,2013,229:105—108. 菱 图3 YBCO超导带材结构图 ]- [7] M.Kim,D Lee,Y.Cha,et a1.AnaLysis of ZnO nanorod growlh from inclined column ̄seed layer[J].Microelectronic Engineering,2013, 10:446—449. 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