涂层导体用钇、锆掺杂的氧化铈缓冲层的制备及其性能研究

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第二代高温超导带材—YBa2Cu3O7-δ(YBCO)涂层导体以其在高磁场下优越的载流性能而备受关注。缓冲层作为其中不可缺少的一部分,对其性能的影响起着决定性作用。目前,传统缓冲层主要采用种子层、阻挡层、模板层的多层膜组成的叠层结构,其制备工艺十分复杂,极大地限制了涂层导体规模化应用。因此寻找一种既可以有效阻挡Ni与YBCO之间互扩散,又可以为YBCO提供双轴织构生长模板的单缓冲层材料成为研究学者们共同追逐的目标。鉴于CeO2具良好的热稳定性,且与YBCO晶格失配度较小,因此本课题拟采用Sol-gel法制备Zr4+掺杂和Y3+、Zr4+共掺杂的CeO2单缓冲层薄膜。  首先,以无机盐硝酸铈、硝酸钇和氧氯化锆为原料合成了性能稳定的Zr4+掺杂和Y3+、Zr4+共掺杂的CeO2溶胶。采用溶胶-凝胶法在Y0.2Zr0.8Oδ(YSZ)单晶衬底上外延生长出了(l00)取向的Ce1-xZrxO2(CZO)和Ce1-x(Y0.2Zr0.8)xOδ(CYZO)缓冲层薄膜,并在其上成功制备出了具有良好c轴外延取向的YBCO超导薄膜,这为CZO、CYZO作为NiW基涂层导体的缓冲层应用提供了可行性。此外,还研究发现在YSZ衬底上制备的梯度式缓冲层相比于非梯度式更有利于生长出双轴织构和超导性更好的YBCO薄膜;在Y3+、Zr4+共掺杂的CeO2与单一Zr4+掺杂的CeO2缓冲层上制备的YBCO薄膜的超导性能没有太大差别。  其次,通过研究热处理温度、保温时间、是否烘干及溶胶浓度等工艺参数,最终以金属离子总浓度为0.3 mol/L的溶胶为前驱液制备了凝胶膜,经烘干(180℃保温20 min)处理后,通入保护性气氛(Ar+4%H2混合气),升温至1050℃保温60 min的工艺,在NiW衬底上制备出了具有高度(200)择优取向的CZO、CYZO缓冲层薄膜。  最后,通过研究掺杂比例对NiW衬底上缓冲层性能的影响,发现在CZO和CYZO缓冲层中,当Ce4+的含量大于0.4时,其取向度均大于96%,Ce4+的含量小于等于0.5时,其取向度严重恶化。在NiW衬底上分别制备了梯度式CZO和CYZO缓冲层,并在其上成功生长了具有(00l)择优取向的YBCO超导薄膜,并发现Y3+的添加在一定程度上提高了缓冲层薄膜阻挡衬底Ni元素的扩散性能。说明CZO和CYZO均可作为NiW基涂层导体的单一缓冲层使用,这对新型单一缓冲层结构的YBCO涂层导体的开发具有重要意义。
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