[发明专利]一种制备纯a轴取向的YBCO液相外延膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温超导材料的制备方法，尤其涉及一种制备纯a轴取向的YBCO液相外延膜的方法。

背景技术

由于高温超导材料在液氮温度下具有优异的超导性能，因此其在超导储能、超导电机、核磁共振、器件研发等领域拥有极其重要的应用价值。高品质膜的基础应用研究吸引了大批材料物理学家的广泛关注。目前，高温超导体主要包括四大类：90K的稀土系、110K的铋系、125K的铊系和135K的汞系。其中，由于YBa₂Cu₃O_x（简称YBCO、Y123）具有高于液氮温度的超导转变温度T_c，其在低于超导转变温度T_c的温度环境下表现出迈斯纳效应和零电阻效应等特性，并且制备工艺相对成熟。

材料的结构决定了材料的性能，进而影响了材料在实际中的应用。一般来说，由于YBCO超导晶体的晶格常数在两个方向a轴和b轴近似相等，即YBCO晶体结构近似于一个正四棱柱。因而，YBCO超导厚膜通常表现出两种取向，即a轴取向和c轴取向。c轴取向的YBCO高温超导厚膜具有较高的临界电流密度，因而在电力运输方面有重要的应用，而a轴取向的REBCO高温超导厚膜在约瑟夫森结器件方面有至关重要的应用。

液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）被普遍认为是一种极具潜力的YBCO超导厚膜的制备方法。在液相外延生长YBCO超导厚膜的过程中，籽晶被固定在连接杆上缓慢靠近饱和溶液表面，作为唯一的形核点诱导YBCO超导厚膜的生长。由于LPE的生长条件接近平衡态，使用晶格失配度较小的材料作为籽晶诱导生长得到的厚膜具有低缺陷、高结晶性能等特点。另外，由于LPE在非真空条件下进行，因而这种方法具有制备成本低等优点。并且与一般的成膜技术相比，LPE具有较快的生长速度。

根据研究表明，在（110）晶面的NdGaO₃（NGO、镓酸钕）基板上不仅可以外延生长纯c轴取向的YBCO厚膜，而且可以外延生长纯a轴取向的YBCO厚膜。文献报道了采用液相外延工艺制备用于约瑟夫森结器件研发所需要的纯a轴取向YBCO厚膜的多种方法。但是，液相外延生长的a轴取向的YBCO厚膜不仅具有较高的裂纹密度，而且距离实际器件研发所需的高平整度相去甚远。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种液相外延生长高品质（不仅没有裂纹而且具有高的平整度）YBCO超导膜的方法，用于制备约瑟夫森结器件研发所需的高品质纯a轴取向的YBCO高温超导膜。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用镓酸钕（NdGaO₃，NGO）单晶基板作为籽晶，顶部籽晶提拉法液相外延生长无裂纹、高平整度的高品质纯a轴取向YBCO超导膜的方法。

本发明解决上述技术问题的原理和思路是：在传统的实验研究中，一般采用NdGaO₃单晶基板作为籽晶材料，顶部籽晶提拉法液相外延生长YBCO超导厚膜。其中，所选取的NdGaO₃单晶基板的晶面指数为（110），NGO单晶基板的长轴方向的晶向指数为[110]，NdGaO₃单晶基板的短轴方向的晶向指数为[001]。然而，申请人在实验研究中偶然发现，沿着不同晶向垂直插入Y-Ba-Cu-O溶液，NGO基板具有不同的浸润性。其中，对于晶面指数为（110）、长轴方向的晶向指数为[001]、短轴方向的晶向指数为[110]的NdGaO₃单晶基板，当沿着长轴方向插入Y-Ba-Cu-O溶液时，对Y-Ba-Cu-O溶液具有更好的浸润性。因此，本发明利用特定切割方向的NGO籽晶、结合溶液的低过饱和度的控制，液相外延生长具有纯a轴取向的高品质YBCO超导厚膜。

为实现上述目的，本发明提供了一种制备纯a轴取向的YBCO液相外延膜的方法，包括如下工序：

a)制备Ba-Cu-O先驱粉末；

b)将Ba-Cu-O先驱粉末加入到晶体生长炉中的盛放Y₂O₃材料的坩埚中；

c)将工序b)中的盛放Ba-Cu-O先驱粉末和Y₂O₃材料的坩埚加热至第一温度进行保温，获得Y-Ba-Cu-O溶液；

d)在晶体生长炉中，用顶部籽晶提拉法液相外延生长YBCO超导厚膜；

其特征在于，工序d）中的液相外延生长包括以下步骤：