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文檔簡介
1、新材料產業(yè)NO.92013 YBCO高溫超導薄膜的制備方法及應用文/王醒東富通集團有限公司浙江省光纖制備技術工程技術研究中心新材料產業(yè)NO.92013 #新材料產業(yè)NO.92013 #20世紀80年代,臨界轉變溫度在液氮沸點溫度之上的高溫超導體的發(fā)現掀起了一股新的研究熱潮。現代電子器件,尤其是集成的電子器件基本以薄膜為基礎,高溫超導體的發(fā)現使人們看到了其應用于電子器件的可能性,此后對高溫超導薄膜的制備給予了極大的重視。經過多年的探索,高溫超導薄膜取得了重大進展。在所有高溫超導體中,釔鋇銅氧(YBCO)薄膜受到了更多的重視,得到了快速的發(fā)展。與鉍系、鉈基和汞基高溫超導材料相比1,,YBCO在制備
2、及材料性能方面的優(yōu)勢更為明顯。高溫超導薄膜的廣泛應用將使超導電子學發(fā)生根本性變革,超導材料的特殊性能,有可能大大簡化超導電子器件的結構,拓寬其應用范圍。一、YBCO超導薄膜的制備方法為了得到高性能的YBCO超導薄膜,科研人員幾乎嘗試了一切可能的制膜方法,主要包括脈沖激光沉積法(PLD)、真空蒸發(fā)法、濺射法等物理沉積和以有機金屬化合物氣相沉積(MOCVD)為代表的化學氣相沉積法(CVD)O其中,真空蒸發(fā)法包括電子束/激光束蒸發(fā)、反應蒸發(fā)法、分子束外延法(MBE)等;濺射法又可細分為直流、射頻和離子束濺射等3-現在沉積制膜的過程中,由于沉積時的蒸發(fā)源不同,可分為單靶和多靶共蒸發(fā)6,;按照工藝流程劃
3、分,又可分為原位法和后熱處理法,二者的工藝步驟見圖1。原位法是在高溫下沉積直接得到晶態(tài)薄膜后,在一定氣氛下退火處理得到薄膜的方法;后處理法是先沉積得到非晶態(tài)薄膜,然后再進行高溫晶化處理,最后降溫退火得到薄膜8。由于原位法工藝簡單,所以受到了較多的關注。作為化學法的一種,溶膠-凝膠法是制備薄膜材料最為常用的方法之一;對于YBCO超導薄膜而言,三氟乙酸鹽-金屬有機物沉積法(TFA-MOD)是制備該薄膜的主要方法,已被用于商用YBCO超導帶材的制備,在各國很受重視。PLDPLD是將激光器產生的大功率激光束聚焦并作用于靶材表面,使其表面熔蝕,并形成等離子體羽狀物,這些等離子體羽狀物向受熱基底表面轉移,
4、最后形成薄膜PLD法成膜過程可分為3個階段:激光束與靶材相互作用:等離子體的在氣體氣氛中的傳輸;等離子體在基底表面沉積、成膜,其原理示意圖見圖2。Develos中實驗,以富含鋇(Ba)和銅(Cu)的非化學計量比的Y-Ba-CuO為靶材,采用PLD法沉積了YBCO薄膜。研究發(fā)現,富含的Ba和Cu可以改善薄膜中Ba元素和Cu元素的缺失,顯著減少了薄膜的孔密度,改善了微觀結構,所得薄膜的臨界電流密度(Jc)值超過2MA/cm2(77.3K,0T)。研究還發(fā)現,通過該法制備的薄膜需進行進一步的氧氣氛退火工藝,才能使薄膜得到充分氧化。PLD法的主要特點是:工藝重復性好、化學計量比精確、具有良好的保成分性
5、;襯底溫度要求不高、薄膜均勻性好;激光束能量與功率等易調節(jié)、靶材選擇范圍廣。但PLD法也有不新材料產業(yè)NO.92013 #FRONTlEh前沿新材料產業(yè)NO.92013 # AdvancedMaterialsIndustryFRONTIERFRONTlEh前沿新材料產業(yè)NO.92013 # #AdvancedMaterialsIndustryFRONTlEh前沿新材料產業(yè)NO.92013 # #AdvancedMaterialsIndustry足:一是由于高溫,靶材在激光作用下容易出現滴狀沉積物,必須增加消除液滴的裝置;二是PLD法不能在基底上同時制備雙面薄膜;三是激光源原位去400650V沉
6、積(650850C,0*2后熱處理法47501200沉積退火(650850C,(0)、薄膜jfFRONTlEh前沿新材料產業(yè)NO.92013 #AdvancedMaterialsIndustry圖1原位法與后熱處理法的工藝步驟加熱器觀察窗過于昂貴。MBEMBE是一種在晶體基片上生長高質量晶體薄膜的技術。該方法條件苛刻,通常在高真空或超高真空的環(huán)境下進行。在高真空條件下,物質被加熱升華形成分子束或原子束,在單晶基底上凝結形成薄膜。通過控制分子束或原子束對基底進行掃描,可使分子或原子一層層地長在基片上形成薄膜Cimberle等匹通過MBE法在雙晶鈦酸鍶(SrTiO3,晶格取向100)基底上外延生長
7、了YBC0薄膜。通過反射高能電子衍射和原子力學顯微鏡分析了氧分壓與薄膜生長和形貌的關系,并提出了一種提高氧氣活性的新方法oMBE法的特點是可對單層原子進行精確控制,薄膜均勻度高,但對真空度要求高且沉積速率低(約1000nm/h)o不過,現已發(fā)展出將MBE和PLD法相結合的工藝,以實現優(yōu)勢互補。濺射法濺射法是將原料按需要的比例制成靶材,置于充有惰性氣體的真空系統中,通過高壓放電使氣體電離形成離子流,轟擊靶材。靶材中的原子被高能粒子撞出,在電磁場的作用下沉積在基底表面的過程。濺射的特點是基底溫度低、重現性好、操作簡單,所以廣泛應用于集成電路和半導體器件薄膜的制備。為了緩解沉積時負離子對薄膜質量的影
8、響,一種解決辦法是增加濺射氣壓,讓高能負離子在運動過程中與離子頻繁碰撞而變慢,最終未到達薄膜表面或速度減弱,從而對薄膜的成分比例和表面形貌不產生影響o濺射法由于具有眾多的優(yōu)點,已被實驗室廣泛使用o但濺射法沉積速率較低,如何進行高速且大面積制造是該法實現商業(yè)化必須面對的問題。Avci等皿利用直流磁控濺射法,以SrTiO3為基片,在不同沉積速率下制備了YBCO薄膜併研究了YBCO薄膜用作超導量子干涉儀的信號性能。1.0nm/min的沉積速率下制備的薄膜,電壓調制深度和臨界電流均優(yōu)于2.0nm/min條件下所得薄膜,且噪聲性能隨著薄膜沉積速率的降低而變好。CVD從廣義上講,CVD是反應物在氣態(tài)下發(fā)生
9、化學反應,在基底表面生成固態(tài)物質的方法。反應物可以本身是氣態(tài),也可以由載氣帶至反應區(qū)。CVD法是近幾十年發(fā)展起來的制備無機材料的技術,目前已廣泛應用于單晶、多晶和非晶材料等無機材料的制備。根據反應時的氣體壓力,可分為常壓、低壓和超高真空化學氣相沉積。當前驅物是有機金屬化合物時,又稱為金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)。MOCVD法是一種成熟的制造工藝,很容易實現薄膜的大面積制備,然而前驅物價格昂貴從一定程度上限制了該方法的應用。2005年,日本中部電力和日本國際超導產業(yè)技術研究中心采用多步驟的CVD法,在92m的基底上沉積了YBCO薄膜,臨界電流密度(Ic)值約為96A;利用該法制備的超導帶
10、材短樣,Ic更是高達227AiioTFA-MOD金屬有機物沉積法是利用先驅溶液制備一定厚度薄膜的非真空方法,是一種易實現工業(yè)化生產,且很有發(fā)展?jié)摿Φ闹颇ぜ夹g。其原理是先將金屬有機化合物溶解在合適的溶劑中,涂覆到基底上,經低溫熱分解使有機物揮發(fā),再在高溫下燒結使薄膜晶化,最后形成所需薄膜。制備YBCO薄膜時,涉及到三氟乙酸鹽的金屬化合物,所以該法又被稱為三氟乙酸鹽-金屬有機物沉積法TFA-MOD),是目前國際上制備YBC0薄膜材料采用的主流方法TFA-MOD法的基本流程為:將含有Y、Ba、Cu的醋酸鹽按照1:2:3的化學計量比溶于三氟乙酸溶液中,該溶液在空氣中自然蒸發(fā)得到藍色溶膠,再重溶于甲醇溶
11、液得到超導前驅液。隨后通過浸涂或旋轉涂覆有機前驅體,最后經熱處理得到薄膜。熱處理工藝十分關鍵,對薄膜性能有直接影響。熱處理過程分為3個階段:先是在2002501的濕氧氣氛中進行低溫熱處理,以分解金屬有機鹽和去除有機物;接著在700830T下進行高溫晶化處理;最后在450t、0.1MPa氧壓下進行熱處理以獲得正交相YBCO超導材料12。日本藤倉公司和日本昭和電線株式會社利用TFA-MOD法已制備了數百米級、高載流能力的超導帶材1314。該法的優(yōu)點是工藝容易控制,可實現連續(xù)、快速的生產,所得薄膜均勻性好,缺點是薄膜中殘留的HF會影響薄膜質量。溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法以高活性的金屬有機或無機物作為前
12、驅體,溶解在醇、醚等有機溶劑中形成均一的溶液,溶液通過水解和縮聚反應形成凝膠,加熱到一定溫度除去剩余的有機物和水分,最終得到所需材料。利用溶膠凝膠制備薄膜時采用的方法有:旋涂、浸涂、噴霧法、電泳法、噴墨法、滾壓涂布法等,利用這些方法可在各種各樣的基底上形成薄膜。溶膠凝膠法生產成本低、均勻度高,適合工業(yè)化制備,但所得薄膜通常附著力較差且具有多孔結構。二、超導薄膜的應用隨著超導薄膜制備技術的成熟,關于其相關應用的研究工作在很多方面廣泛開展,女口超導量子干涉儀(SQUID)超導濾波器、超導數字器件等。1.SQUID高溫超導技術在弱電方面的應用目前正朝著實用化和產業(yè)化方向發(fā)展。SQUID是目前靈敏度最
13、咼的磁測量傳感器,當前其研究主要集中在地磁、生物磁場和無損探傷或檢測等領域。經過不斷地深入研究,我國已具備了研制醫(yī)用SQUID心磁測量儀的能力,并有成功測量多例人體心磁信號的案例。需要說明的是,雖然SQUID靈敏度高,但在測試人體磁場方面仍面臨著許多問題。主要原因是干擾因素多,人類生存的環(huán)境磁噪聲比人體磁場高幾個數量級。SQUID根據使用的超導材料分為低溫超導SQUID和高溫超導SQUID。后者比前者難于制作。但由于高溫超導SQUID工作在液氮溫區(qū),費用低廉,且便于攜帶與操作,因此發(fā)展很快。利用超導技術制作的探測器件,具有尺寸小、對電磁輻射敏感等特點,其探測能力也強于一般的可見光或紅外光探測系
14、統。在軍事領域,利用約瑟夫森結制成的超導磁探測系統,可對前方的水雷或潛艇做出有效探測。美國已完成超導掃雷系統的開發(fā),澳大利亞也掌握了該項技術。2超導濾波器超導濾波器是超導薄膜在微波領域的一個重要應用,在微波通訊和雷達等領域顯出很大的優(yōu)越性。在無線通訊中,用戶用手機與基站聯系,基站的服務半徑約1520km,構成了蜂窩狀的無線通訊網絡,在這網絡中,可實現隨時通信。但這些蜂窩系統之間存在射頻干擾,導致通話的質量與可靠性降低。美國在該技術上比較成熟,正在向規(guī)?;较虬l(fā)展,已有數千只高溫超導濾波器應用于美國的通信基站,還有部分應用于美國海軍戰(zhàn)艦及情報系統上。2001年,清華大學成功研制了我國第1臺GSM
15、1800移動通信用高溫超導濾波器系統,隨后又相繼研制了GSM900和CDMA移動通信用高溫超導濾波器系統。2004年,高溫超導濾波器系統在CDMA移動通信基站上的現場通信實驗獲得成功15。諧振器是濾波器的重要組成,品質因子Q是衡量諧振器的重要指標,Q值越高,微波損耗越小,諧振器性能越好,濾波器對變頻帶的抑制能力越強。目前蜂窩系統中,通訊用頻率為800900MHz,諧振器由在表面涂覆銀材料銅腔體及銅棒組成,這種結構的Q值一般為30008000。高溫超導材料發(fā)現后,可用一定厚度的高溫超導材料作為涂覆層,這種高溫超導濾波器,有很強的帶外抑制能力,而且插入損耗很小,信號幾乎不衰減,Q值約4000010
16、0000,遠高于傳統濾波器。超導數字器件利用超導集成電路和電子器件,可研制超導計算機,超導計算機將是未來超級計算機的發(fā)展方向之一。計算機的運行速度取決于芯片,只有芯片的集成度很高時,才可大幅提高計算機的運行速度,這種超高集成度,超高運行速度的計算機有望通過超導電路實現。據測算,超導計算機每秒可執(zhí)行500億次指令,具有很高的運算速度和強大的運算能力,運行速度是現有電子器件的數百倍,在國防建設和經濟發(fā)展中具有廣泛的應用?;诖?,美國和日本都給予了高度關注。1997 AdvancedMaterialsIndustry #AdvancedMaterialsIndustryFRONTIER #Advan
17、cedMaterialsIndustry #AdvancedMaterialsIndustry #AdvancedMaterialsIndustry #AdvancedMaterialsIndustry年,美國開展的混合技術多進程計算機(HTMT)計劃,超導處理器上集成了大規(guī)模的電子部件,可實現數據的高速處理;991年,日本研制了世界上第1臺超導計算機,2004年成功開發(fā)了基于單磁通量子電路技術的處理器肌但是超導計算機的開發(fā)存在很多困難,尤其是制冷和低溫系統等方面的技術,這在一定程度上減緩了該技術的發(fā)展。三、結語高溫超導技術是一項具有廣闊應用前景的高新技術,同時也是一個開發(fā)難度大、對輔助設備要
18、求高,資金投入大的前沿領域。高溫超導薄膜能否廣泛應用于器件上,首要條件是制備高性能的超導薄膜。利用PLD和TFA-MOD法已可制備出性能優(yōu)異的YBC0薄膜,但YBC0材料本身的特點以及配套的低溫條件及設備也給其器件的設計和開發(fā)帶來了很大的困難。在超導器件方面,我國已在多方面開展了研究,取得了不少的成果,部分產品的性能已接近國際水平。但從整體看,超導器件的市場化還不成熟,還需要時間。不過,由于高溫超導材料的特殊性能,隨著工藝的逐漸成熟,必將在超導器件領域發(fā)揮巨大的作用。10.3969力.issn.1008-892X.2013.10.014 #AdvancedMaterialsIndustry #
19、AdvancedMaterialsIndustry #AdvancedMaterialsIndustry #AdvancedMaterialsIndustry參考文獻信贏鉈系高溫超導體的化學、體結構,材料特征及生產工藝J低溫物理學報,2003,25(S1):315-324.周耀輝談國強.超導材料的發(fā)展狀況J低山陶瓷,2005(5):830.BaghricheO,RualesC,anjinesR,talAgsurfacessputteredbyDCandpulsedDCmagnetronsputteringeffectiveinbacterialinactivation:Testingandch
20、aracterizationJSurfaceandCoatingsTechnology,2012,206(89):241024164AbdullahMH,smailLN,MamatMH,talNovelencapsulatedITO/arcZnO:TiOantireflectivepassivatinglayerforTCOconductingsubstratepreparedbysimultaneousradiofrequency-magnetronsputteringJMicroelectronicEngineering,2013,108:138144.KreeR,YasseriT,Har
21、tmannAKSurfactantSputtering:TheoryofanewmethodofsurfacenanostructuringbyionbeamsJNuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB:BeamInteractionswithMaterialsandAtoms,2009,267(89):14031406.KormundaM,PavlikJ.AsingletargetRFmagnetroncosputteredirondopedtinoxidefilmswithpillarsJVacuum,2011,85(9):
22、871874LimYJ,ParkSC,ChungJK,talSynthesisofthesuperconductingMgBfilmontheWwirebycoevaporation2methodJ.PhysicaC:Superconductivity,010,70(20):14421445.DevelosBK,YamasakiH,NakagawaY,talRelationshipbetweencompositionandsurfacemorphologyinYBCOfilmsdepositedbylargeareaPLDJ.PhysicaC:Superconductivity,2004,12414(Part2):12861290CimberleMR,DiasproA,erdeghiniC,talRHEED/AFManalysisofYBCOepitaxialthinfilmsgro
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