[发明专利]钇系高温超导薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高温超导微电子材料与器件领域及涂层导体制备技术领域，具体涉及一种钇系高温超导薄膜的制备方法。

背景技术

钇系高温超导，包括钇钡铜氧，镱钡铜氧，钕钡铜氧等，钆钡铜氧，镝钡铜氧等。钇系高温超导是一种可在液氮温区应用的高温超导材料。钇系高温超导薄膜以其优良的电磁特性，尤其是在高场下具有比第一代铋系带材更高的临界电流密度，一方面可应用于微电子器件等弱电领域，制成各种高、精、尖的电子器件，比如超导量子干涉仪（SQUID），约瑟夫森结（Josephson junctions）、超导耦合天线（Superconducting Coupled Antenna）、超导红外探测器（Superconducting Infrared Detector）以及超导滤波器（Superconductive Microwave Filter）；另一方面也可应用于电力等强电领域，如电网系统上的故障限流器（Fault Current Limiter），及具有重要商业潜力的第二代高温超导带材——涂层导体的超导层等。

钇系高温超导的化学表达式可以写成：REBa₂Cu₃O_7-δ，简写为REBCO。其中，RE包括了Y，Gd，Nd，Dy等元素中的一种或多种。钇系高温超导中研究开发最多的是钇钡铜氧，其化学式为YBa₂Cu₃O_7-δ，简写为YBCO。目前，用于制备REBCO/YBCO薄膜的方法主要有：脉冲激光沉积法（PLD）、磁控溅射法（MS）、电子束蒸发镀膜法（EBED）、热共蒸发镀膜法（TED）、离子束辅助沉积法（IBAD）、倾斜衬底沉积法（ISD）、金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）、及金属有机物化学液相沉积法（MOD）和溶胶凝胶法（Sol-Gel）等化学溶液沉积法（CSD）。其中，前六种方法属于原位的物理制膜技术，无需后续的退火热处理，但均需要涉及价格昂贵的真空设备；而后四种方法属于化学法制膜技术，设备简单，且易于控制金属离子的化学计量比，易于大规模生产。化学法中，MOD，Sol-gel等CSD法受到人们的极大重视，尤其是三氟醋酸盐-金属有机物沉积法（TFA-MOD）和无氟化学溶液法（Fluorine-Free CSD）已成功用于制备YBCO超导薄膜。后续，研究者还开发了兼有TFA-MOD和Fluorine-Free CSD二者优点的低氟MOD溶液镀膜技术。不管TFA-MOD，Fluorine-Free CSD，还是最新研发的低氟MOD溶液镀膜技术，在前驱溶液合成以后，后续都涉及到类似的制备加工工艺。该制备加工工艺总体包括三个步骤：a）镀膜及烘干，b）预处理；c）终处理。在整个工艺流程中，涉及到多种气体的使用，包括氮气或氩气，氧气，水蒸气等等。并且，在热加工过程中，气体的来回切换使得工艺过程复杂，并涉及到复杂的气路系统。现有的热处理过程中，往往采用了一定的氧氮混合气或氧氩混合气。这种混合气体中，要求氧气的含量是氮气或氩气的万分之一左右。不仅这种混合气体的成本是单纯的氮气或氩气价格的10倍以上。且热处理过程中的气体来回切换降低了工艺的稳定性，重复性及可操作性。

发明内容

本发明的目的是提供一种钇系高温超导薄膜的制备方法，解决了现有热处理过程中混合气体成本高及气体来回切换降低工艺稳定性的问题。

本发明所采用的技术方案是，钇系高温超导薄膜的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用钇系超导薄膜用前驱溶液制备凝胶薄膜，然后将凝胶薄膜干燥，得到凝胶干膜；

步骤2，将步骤1得到的凝胶干膜转入石英管式炉中进行热分解；

步骤3，将经过步骤2处理的凝胶干膜通入干氮气，温度升至600～650℃时将气氛切换成H₂O/H₂O₂/N₂混合气氛或H₂O/H₂O₂/Ar混合气氛后升温至740～790℃保温，然后将气氛切换成干氮气保温后冷却，当温度降至400～500℃后将气氛切换成干氧气并保温，最后冷却至室温后将气氛关闭，即得到钇系高温超导薄膜。

本发明的特点还在于，

步骤1中，凝胶薄膜的制备过程为：将钇系超导薄膜用前驱溶液结合浸渍提拉、旋转涂覆或喷墨打印法在铝酸镧、钛酸锶单晶基片或带有缓冲层的NiW合金带材上制备得到凝胶薄膜；凝胶薄膜的干燥是在空气下，低于100℃下干燥5～20min。