高质量ybco薄膜的制备及电流密度调控

高质量ybco薄膜的制备及电流密度调控

1双金属基带材料通过金属化合物的化合法（mocvd），将金属有机物质作为原料，完成从属金属运输到最终膜的延伸生长。它不但沉积速率快、面积大、生成的薄膜均匀性好,而且可以选用多种金属有机物作为原料,适合大规模低成本的工业化生产,被广泛应用于半导体的生产制造。自1988年化学气相沉积(CVD)技术被首次应用于制备YBCO超导薄膜以来,已经有大量的研究致力于制备出高质量的薄膜。为了提高薄膜的质量,各种不同的种类的金属有机源被合成,许多具有特殊设计理念的仪器被设计和制造,以及具有与YBCO有低失配度的基底被采用。最近几年,MOCVD的技术更是被利于制备YBCO涂层导体。为了获得高临界电流密度的YBCO带材,需要高的实验可重复性以及金属源长时间、连续稳定地提供。早期使用固相金属源无法保证长时间的带材制备,而另一方法是将固相金属源溶解于液相溶剂中,使用鼓泡发输送金属有机源至蒸发装置,但是输送稳定性并不理想。目前有一种解决方案是将液态金属有机源涂覆至连续移动传送带上,并送至蒸发腔,以连续稳定地为反应提供金属源。另一种成功的方案是将三种金属有机源溶解成单源,直接少量连续地送入蒸发皿进行闪蒸,以保证金属有机源配比的稳定以及连续长时间的带材制备。目前美国超能公司使用这种进液技术在金属基带上制备出了803A/cm的高质量YBCO涂层导体。在本实验中,我们使用了液相输送闪蒸的方法,研究了在LAO单晶上,使用MOCVD法制备YBCO超导薄膜的参数特性,包括总压、氧分压、有机源配比与YCBO结构、形貌以及性能的关系。2金属有机源的输送和用于蒸发在本实验中使用的金属有机源分别是Y(tmhd)3,Ba(tmhd)2,和Cu(tmhd)2(thmd:2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮),在250℃—350℃的范围内对其进行闪蒸。在高压和低温的状态下,这些金属有机源保持热稳定性,易于保存。由于蒸发前后,金属有机源并不是相同的状态,所以在高温蒸发的整个过程中很难保持其性质不发生改变。为了解决这一问题,我们将金属有机源溶解于有机溶剂四氢呋喃之中,并采用特殊的进液装置,以保证连续稳定地为蒸发皿提供固定配比有机源,支持长时间薄膜的制备,为涂层导体的研究打下基础。图1、图2为在输送有机源溶液过程中使用的进液装置的截面图和俯视图。通过蠕动泵,金属有机源溶液被送入毛细管中,通过阀门调节Ar气的气流以及毛细管内压强,使Ar气与溶液混合,最后以雾状喷出毛细管。这样的装置可以保证在金属有机源溶液进入真空腔体之前保持液体状,防止了液体气化而引起输送管道的堵塞;而溶液的雾状形态将有利于闪蒸,可以保证元素配比的可控性以及稳定性。当金属有机源溶液以雾状进入蒸发皿,被瞬间均匀蒸发;通过Ar气的输送后于O2气混合,一起进入800℃-900℃的反应腔中。用LAO单晶作为基底,以优化薄膜的生长。使用X射线衍射仪(XRD)分析薄膜的物相和薄膜生长取向。使用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪,分别分析薄膜得表面形貌以及薄膜的成分配比。3结果与讨论3.1ybco薄膜的c轴取向图3,图4是温度为870℃时,其他条件不变,总压从300Pa变化至530Pa,YBCO薄膜的θ-2θ对比图谱。从300Pa变化至380Pa,随着总压的提高,YBCO薄膜的c轴取向的(00l)也随之增强,并且在380Pa,氧分压为180Pa时,YBCO结构最优,测得临界电流密度Jc=0.6MA/cm2。但随着总压的进一步提升,YBCO薄膜c轴取向变弱,超导性能消失。从图中可以发现,无论在总压较低或者是较高的情况下,出现了不同程度的a轴取向。而一般认为影响YBCO薄膜的a轴取向主要因素是温度。而本实验中,在给定的温度条件下,总压主要是由Ar分压和O2气分压两部分组成,所以我们推断O2气压可能是产生a轴取向的另一个诱因。3.2氧分压对yba2cu3o7-x薄膜的sem分析图5是在870℃的温度条件下,氧分压为180Pa、220Pa、300Pa、330Pa的YBCO薄膜的θ-2θ对比图谱。可以发现随着氧分压的增加,YBCO薄膜的(00l)取向逐渐变弱,而相反a轴取向的(200)峰则逐渐增强,并在330Pa时达到最大。图6是氧分压为180Pa、220Pa、300Pa、330Pa时对应的SEM。可以发现随着氧分压的增大,薄膜表面a轴取向的晶粒也逐渐增多,并最终取代了所有的c轴晶粒。这样的结果与图5的θ-2θ扫描结果一致。图7为(005)峰的变化图谱,可以发现随着氧分压的不断减小,YBCO薄膜(005)峰有向左移动的趋势,峰位由38.61°变化至38.53°。我们已经知道在正交相的YBa2Cu3O7-x薄膜中,氧的含量的变化会引起YBa2Cu3O7-x晶格常数的变化,通常随着氧含量的增大,晶格常数随之减小。而XRD图谱中峰的位置移动,正是代表了YBCO薄膜中各成分原子的配比以及氧含量发生了变化。3.3ybco薄膜中cu/ba和氧分压的关系图8是YBCO薄膜中Cu/Ba原子比例随着氧分压变化的趋势图。随着氧分压的不断增大,薄膜中Cu,Ba的原子比例也随之不断增大。在氧分压为160Pa—200Pa之间时,薄膜中的Cu/Ba接近于YBCO薄膜中经典的1:2:3比例。而随着氧分压的继续增大,薄膜中Cu/Ba也随之增大,但增大的趋势逐渐放缓,在氧分压为330Pa时,Cu/Ba=1.63,偏离了经典的比例。结合3.2的结果,通过对反应氧分压的调节,YBCO薄膜的结构变化趋势明显,不仅薄膜中的氧含量与氧分压有正比例的关系,同时也薄膜中Cu/Ba的比例也随氧分压增大而增大,进而影响了YBCO薄膜中个成分的比例。在氧分压为180Pa时,Cu/Ba=1.48,YBCO薄膜临界电流密度为0.6MA/cm2。4氧分压对ybco薄膜结构及性能的影响实验通过使用了改进的有机源进液装置,在温度为870℃、总压380Pa、氧分压180Pa的条件下制备出完全c轴取向YBCO薄膜,其临界电流密度Jc=0.6MA/cm2。实验中发现,在较高的温度条件下,通过不断地加大氧分压会形成a取向YBCO薄膜。同时,随着氧分压的增大,薄膜中Cu/Ba由1.0变化至1.63,使YBCO薄膜(00l)峰的位置移动,进而引起了薄膜的结构及性能的改