[发明专利]一种制备大尺寸高温超导单晶体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及高温超导材料的制备，尤其涉及一种制备大尺寸高温超导单晶体的方法。

背景技术

自从REBa₂Cu₃O_7-δ（简称RE-Ba-Cu-O或REBCO，其中RE=Y、Sm、Gd、Nd等）高温超导体被发现以来，就引起了人们的广泛关注。第一，由于传统的BCS理论无法完全解释REBCO高温超导体的超导机制，因此世界范围内的物理学家需要高质量的高温超导单晶体，探索高温超导缘由；第二，由于其具有完全抗磁性、高临界电流密度和高冻结磁场等特性，REBCO超导体在诸如磁悬浮力、磁性轴承、飞轮储能和永磁体等方面有许多潜在的应用；第三，由于高温超导单晶体固有的高结晶品质、高纯度和低缺陷等特性，REBCO超导单晶体在诸如靶材和器件研发等方面也有广泛的应用前景。

顶部籽晶提拉法（简称提拉法）被普遍认为是一种极具潜力的REBCO高温超导单晶体的制备方法。在顶部籽晶提拉REBCO高温超导单晶体的过程中，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REBCO超导单晶体的生长。由于顶部籽晶提拉法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晶体具有低缺陷、高平整度、高结晶性能等特点。另外，由于顶部籽晶提拉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。

根据研究表明，为了获得大尺寸的REBCO高温超导单晶体，主要考虑两个方面。一是晶体的生长时间，一是晶体的生长速度。

在现有技术中，对于第一方面，长时间的晶体生长会产生以下主要问题：第一，溶液在坩埚中的量会由于一定程度的浸润性爬出坩埚而减少，这会造成液面的下降而影响晶体的品质；第二，液面会因为长时间处于过饱和状态且溶质又不能及时消耗而产生浮游物，这很可能会造成多晶的发生；第三，随着晶体尺寸的变大，液面附近的温场也会发生变化，从而影响晶体生长的液面温度。

对于第二方面，现有技术的技术方案主要为：第一，在纯氧环境中进行生长；纯氧气氛能够提高RE元素在Ba-Cu-O溶剂中的溶解度，从而能够提高晶体的生长速度，但是这种方法操作起来比较繁琐而且相较于空气气氛，成本也较高。第二，在前驱溶液中增加第二稀土元素，例如Sm或Nd等。但是这种方法尽管Sm或Nd比Y具有更高的溶解度，SmBCO或NdBCO单晶体的生长速度也较YBCO快，但是这并没有解决YBCO单晶体的快速生长问题；另外，在Y-Ba-Cu-O溶液中引入Sm或Nd元素也可以提高生长速度，但是得到的样品有Sm或Nd元素的掺杂，最终影响到YBCO单晶体的晶格结构。

因此，本领域的技术人员致力于探寻一种提高REBCO高温超导单晶体生长速度的方法，用于制备大尺寸高温超导单晶体。

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方便、高效的提高REBCO高温超导单晶体生长速度的方法，用于制备大尺寸高温超导单晶体。

为实现上述目的，本发明提供了一种制备大尺寸高温超导单晶体的方法，包括以下步骤：

（a）将BaCO₃粉末和CuO粉末进行配料，获得BaCO₃+CuO粉料，BaCO₃+CuO粉料中的Ba和Cu的摩尔比为0.3～0.8；

（b）对步骤（a）所得的BaCO₃+CuO粉料进行预处理；

（c）烧结步骤（b）预处理后的BaCO₃+CuO粉料，制得Ba-Cu-O粉末；

（d）将步骤（c）所得的Ba-Cu-O粉末加入到RE₂O₃材料的坩埚中加热至第一温度，并继续保温，获得RE-Ba-Cu-O溶液；

（e）将步骤（d）所得的RE-Ba-Cu-O溶液冷却至第二温度；

（f）使用REBCO/MgO薄膜作为籽晶，将REBCO/MgO薄膜籽晶的表面接触步骤（e）中冷却后的RE-Ba-Cu-O溶液，采用顶部籽晶提拉-缓冷工艺生长REBCO单晶体；

顶部籽晶提拉-缓冷工艺是指：首先REBCO/MgO薄膜籽晶在第二温度的RE-Ba-Cu-O溶液提拉法保温生长10～20小时，然后设置RE-Ba-Cu-O溶液的缓冷速度为0.2～2.0℃/h，所得REBCO单晶体再继续提拉法生长50～100小时。