[发明专利]第二代高温超导带材用的简化CeO2/LaZrO3复合隔离层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型氧化物高温超导领域，尤其涉及一种第二代高温超导带材用的简化CeO₂/LaZrO₃复合隔离层及其制备方法。

背景技术

第二代高温超导带材的基本价格主要由金属基带、复合隔离层和超导层三部分组成。其中柔软金属基带的作用是使稀土氧化物超导层获得支撑从而获得各类超导电力器件制造所要求的优良机械性能。金属基带主要使用镍基合金带。

在双轴织构镍-钨合金基带上制备稀土氧化物（REBCO）超导层时，由于镍-钨金属基带与稀土氧化物超导层之间会发生化学互扩散，进而破坏超导电性，故不能直接在金属基带上镀超导层。隔离层的作用除阻挡金属基带与超导层之间的化学元素户扩散外，还为超导层的外延生长提供晶格模版。另外，若隔离层材料的热膨胀系数差异较大，会在已镀隔离层薄膜中产生微裂纹。因此，选择隔离层材料时，必须同时满足化学匹配、晶格匹配和热匹配这3项条件。因为很难找到同时满足上述3项条件的单一隔离层材料，因此一般需要沉积多层氧化物层以便满足制备高质量稀土氧化物超导层的要求。已经实验证明的解决办法是在金属基带上先镀化学性能非常稳定的氧化物复合隔离层，然后再镀稀土氧化物超导层。如图1和图2所示，目前通常采用的氧化物隔离层为三层复合结构（帽子层/缓冲层/种子层），比如CeO₂/YSZ/CeO₂和CeO₂/YSZ/Y₂O₃。与镍-钨金属基带直接接触的第一层氧化物（CeO₂或Y₂O₃）称为种子层。种子层的功能相当于为后续的外延生长提供模板。中间层YSZ（Yttria-stabilized zirconia，缩写为YSZ，化学名称为钇稳定氧化锆）称为隔离层，它的功能是阻挡镍-钨金属基带中金属原子向超导层内扩散。虽然隔离层YSZ能很好地阻挡化学互扩散，但由于它的晶格常数与稀土氧化物的晶格常数失配度较大，故直接在YSZ上制备的超导层其超导性能较差。为了改善REBCO与YSZ之间的晶格失配度，需要在YSZ缓冲层之上再镀一层CeO₂层，称为帽子层。由于CeO₂与REBCO之间的晶格失配度非常小，故在CeO₂帽子层上制备的REBCO超导层具有很好的结晶性和面内织构度。所以，REBCO超导层具有很高的临界电流密度，大于1×10⁶安培/平方厘米（在77K，自场条件下）。按以上结构制备的高温超导带材载流能力超过100安培，可满足各类器件应用的基本要求。目前美国、日本等国的公司（American Superconductor Corporation，Sumitomo Electric Industrial）采用磁控溅射技术制备上述复合隔离层。

然而，CeO₂/YSZ/CeO₂和CeO₂/YSZ/Y₂O₃这两种复合隔离层均采用三层结构，使得成膜工艺复杂，不利于降低成本。另外由于复合隔离层结构中每一层的最佳厚度只有几十到一百多纳米，所以在公里级长度的工业化生产中对镀膜工艺的稳定性要求较高。 除了增加在线监控设备提高产品成品率外，就工艺研发本身而言，简化复合隔离层结构，减少隔离层层数将会大大降低镀膜成本， 提高第二代高温超导带材的性价比。