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高温超导YBCO薄膜中纳米氧化物结构的制备与研究

作 者: 刘宇
导 师: 杜国平
学 校: 南昌大学
专 业: 材料学
关键词: 高温超导薄膜 脉冲激光沉积 纳米结构 外延生长 临界电流密度
分类号: TB383.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要


超导材料的应用大都需要有较大的Jc。高温超导体(HTS)在低温外加磁场条件下拥有较高的临界电流密度Jc值。然而,Jc在高磁场条件下随温度升高而急剧降低,这主要是因为HTS内在的晶态各向异性和热起伏影响所致。缺乏有效的磁通钉扎中心也是另一个非常重要的原因。YBCO高温超导体超导性能的提高主要是通过在基体中形成高密度,分布合理,尺寸与相干长度相当的晶体缺陷作为有效的磁通钉扎中心来实现的。为提高钉扎缺陷的密度,人为的引入纳米氧化物结构是行之有效的方法。本文主要研究在LaAlO3 (LAO)衬底基片上外延生长YBCO薄膜,并以三种不同的方式在薄膜中掺入非超导相纳米氧化物RxOy (BaZrO3, Y2O3)结构作为人工磁通钉钆中心(APCs),探讨不同掺杂方式引入不同钉钆中心对YBCO薄膜的外延特性及超导性能的影响。本实验采用固相反应法制备了YBCO及掺杂氧化物原材料,利用固相烧结工艺制备含氧化物体积比为1.5vol%的YBCO-RxOy复合靶材,纯YBCO靶材,纯氧化物靶材,并对制备出的粉体及靶材进行了测试分析,获得高质量的超导及氧化物靶材。本文采用脉冲激光沉积技术(PLD)在LaAlO3 (LAO)基片的(100)面上外延生长不同掺杂方式掺入非超导性纳米氧化物的YBCO薄膜。第一种方式为通过脉冲激光直接轰击掺入了体积比为1.5vol%的BaZrO3(BZO)的YBCO-BZO复合靶材沉积YBCO-BZO薄膜,并通过实验得到最佳制备工艺参数;第二种方式为通过控制脉冲沉积次数等工艺参数首先在LAO衬底上预沉积纳米氧化钇对衬底进行预处理修饰,然后再沉积纯YBCO或YBCO-BZO复合膜;第三种方式为在LAO衬底上交替生长YBCO-RxOy复合膜,形成YBCO-BZO与YBCO-Y2O3各五层的多层膜结构。以上各结构膜厚均控制在300nm左右。用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)对所制备的YBCO薄膜的物相结构、外延特性及表面形貌进行观察测试,分析表征其在液氮温区高磁场条件下临界电流密度Jc值,得到最佳工艺参数下的超导性能优异的超导薄膜。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第1章 绪论  8-19
  1.1 超导材料的发展历史  8-11
  1.2 高温超导材料的结构特点  11-13
    1.2.1 YBCO超导材料的结构  12-13
  1.3 超导相晶体结构与超导电性的关系  13-14
  1.4 高温超导薄膜的研究现状及应用  14-15
  1.5 YBCO薄膜的磁通钉扎研究  15-17
  1.6 本课题的选题依据和主要内容  17-19
第2章 实验方法与分析原理  19-26
  2.1 PLD方法的介绍  19-20
  2.2 YBCO高温超导薄膜的微观结构分析  20-22
    2.2.1 X射线衍射(XRD)分析  20-22
  2.3 YBCO高温超导薄膜的表面形貌分析  22-24
    2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)分析  22-23
    2.3.2 原子力显微镜(AFM)分析  23-24
  2.4 YBCO高温超导薄膜超导性能的测量  24-26
    2.4.1 临界转变温度(Tc)  24-25
    2.4.2 临界电流密度(Jc)  25-26
第3章 (YBCO+BZO)高温超导薄膜的制备及表征  26-36
  3.1 (YBCO+BZO)靶材的制备  26-29
    3.1.1 实验试剂及实验仪器  26
    3.1.2 实验流程  26-27
    3.1.3 实验条件及XRD物相分析  27-29
  3.2 (YBCO+BZO)薄膜的制备  29-31
  3.3 (YBCO+BZO)薄膜的性能表征  31-34
    3.3.1 薄膜外延取向分析  31
    3.3.2 薄膜表面形貌观察  31-33
    3.3.3 薄膜超导性能测试  33-34
  3.4 小结  34-36
第4章 Y_2O_3修饰处理LAO衬底上掺BZO的YBCO薄膜的制备及表征  36-43
  4.1 纯Y_2O_3靶材、(YBCO+BZO)复合靶制备  36
  4.2 LAO+Y_2O_3+(YBCO+BZO)薄膜制备  36-38
  4.3 LAO+Y_2O_3+(YBCO+BZO)薄膜性能表征  38-42
    4.3.1 薄膜的处延取向分析  38
    4.3.2 薄膜的表面形貌观察  38-40
    4.3.3 薄膜超导性能测试  40-42
  4.4 小结  42-43
第5章 掺BZO的YBCO与掺Y_2_3的YBCO交替生长的多层薄膜制备及表征  43-49
  5.1 YBCO+Y_2O_3复合靶、YBCO+BZO复合靶制备  43
  5.2 LAO+(YBCO+Y_2O_3/YBCO+BZO)×5薄膜制备  43-45
  5.3 LAO+(YBCO+Y_2O_3/YBCO+BZO)×5薄膜性能表征  45-48
    5.3.1 薄膜的处延取向分析  45-46
    5.3.2 薄膜的表面形貌观察  46
    5.3.3 薄膜超导性能测试  46-48
  5.4 小结  48-49
第6章 结论  49-50
致谢  50-51
参考文献  51-56
攻读学位期间的研究成果  56

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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