高質(zhì)量ybco薄膜的制備及電流密度調(diào)控

高質(zhì)量ybco薄膜的制備及電流密度調(diào)控

1雙金屬基帶材料通過(guò)金屬化合物的化合法（mocvd），將金屬有機(jī)物質(zhì)作為原料，完成從屬金屬運(yùn)輸?shù)阶罱K膜的延伸生長(zhǎng)。它不但沉積速率快、面積大、生成的薄膜均勻性好,而且可以選用多種金屬有機(jī)物作為原料,適合大規(guī)模低成本的工業(yè)化生產(chǎn),被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體的生產(chǎn)制造。自1988年化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)被首次應(yīng)用于制備YBCO超導(dǎo)薄膜以來(lái),已經(jīng)有大量的研究致力于制備出高質(zhì)量的薄膜。為了提高薄膜的質(zhì)量,各種不同的種類(lèi)的金屬有機(jī)源被合成,許多具有特殊設(shè)計(jì)理念的儀器被設(shè)計(jì)和制造,以及具有與YBCO有低失配度的基底被采用。最近幾年,MOCVD的技術(shù)更是被利于制備YBCO涂層導(dǎo)體。為了獲得高臨界電流密度的YBCO帶材,需要高的實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性以及金屬源長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)穩(wěn)定地提供。早期使用固相金屬源無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間的帶材制備,而另一方法是將固相金屬源溶解于液相溶劑中,使用鼓泡發(fā)輸送金屬有機(jī)源至蒸發(fā)裝置,但是輸送穩(wěn)定性并不理想。目前有一種解決方案是將液態(tài)金屬有機(jī)源涂覆至連續(xù)移動(dòng)傳送帶上,并送至蒸發(fā)腔,以連續(xù)穩(wěn)定地為反應(yīng)提供金屬源。另一種成功的方案是將三種金屬有機(jī)源溶解成單源,直接少量連續(xù)地送入蒸發(fā)皿進(jìn)行閃蒸,以保證金屬有機(jī)源配比的穩(wěn)定以及連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的帶材制備。目前美國(guó)超能公司使用這種進(jìn)液技術(shù)在金屬基帶上制備出了803A/cm的高質(zhì)量YBCO涂層導(dǎo)體。在本實(shí)驗(yàn)中,我們使用了液相輸送閃蒸的方法,研究了在LAO單晶上,使用MOCVD法制備YBCO超導(dǎo)薄膜的參數(shù)特性,包括總壓、氧分壓、有機(jī)源配比與YCBO結(jié)構(gòu)、形貌以及性能的關(guān)系。2金屬有機(jī)源的輸送和用于蒸發(fā)在本實(shí)驗(yàn)中使用的金屬有機(jī)源分別是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℃的范圍內(nèi)對(duì)其進(jìn)行閃蒸。在高壓和低溫的狀態(tài)下,這些金屬有機(jī)源保持熱穩(wěn)定性,易于保存。由于蒸發(fā)前后,金屬有機(jī)源并不是相同的狀態(tài),所以在高溫蒸發(fā)的整個(gè)過(guò)程中很難保持其性質(zhì)不發(fā)生改變。為了解決這一問(wèn)題,我們將金屬有機(jī)源溶解于有機(jī)溶劑四氫呋喃之中,并采用特殊的進(jìn)液裝置,以保證連續(xù)穩(wěn)定地為蒸發(fā)皿提供固定配比有機(jī)源,支持長(zhǎng)時(shí)間薄膜的制備,為涂層導(dǎo)體的研究打下基礎(chǔ)。圖1、圖2為在輸送有機(jī)源溶液過(guò)程中使用的進(jìn)液裝置的截面圖和俯視圖。通過(guò)蠕動(dòng)泵,金屬有機(jī)源溶液被送入毛細(xì)管中,通過(guò)閥門(mén)調(diào)節(jié)Ar氣的氣流以及毛細(xì)管內(nèi)壓強(qiáng),使Ar氣與溶液混合,最后以霧狀噴出毛細(xì)管。這樣的裝置可以保證在金屬有機(jī)源溶液進(jìn)入真空腔體之前保持液體狀,防止了液體氣化而引起輸送管道的堵塞;而溶液的霧狀形態(tài)將有利于閃蒸,可以保證元素配比的可控性以及穩(wěn)定性。當(dāng)金屬有機(jī)源溶液以霧狀進(jìn)入蒸發(fā)皿,被瞬間均勻蒸發(fā);通過(guò)Ar氣的輸送后于O2氣混合,一起進(jìn)入800℃-900℃的反應(yīng)腔中。用LAO單晶作為基底,以?xún)?yōu)化薄膜的生長(zhǎng)。使用X射線衍射儀(XRD)分析薄膜的物相和薄膜生長(zhǎng)取向。使用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀,分別分析薄膜得表面形貌以及薄膜的成分配比。3結(jié)果與討論3.1ybco薄膜的c軸取向圖3,圖4是溫度為870℃時(shí),其他條件不變,總壓從300Pa變化至530Pa,YBCO薄膜的θ-2θ對(duì)比圖譜。從300Pa變化至380Pa,隨著總壓的提高,YBCO薄膜的c軸取向的(00l)也隨之增強(qiáng),并且在380Pa,氧分壓為180Pa時(shí),YBCO結(jié)構(gòu)最優(yōu),測(cè)得臨界電流密度Jc=0.6MA/cm2。但隨著總壓的進(jìn)一步提升,YBCO薄膜c軸取向變?nèi)?超導(dǎo)性能消失。從圖中可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論在總壓較低或者是較高的情況下,出現(xiàn)了不同程度的a軸取向。而一般認(rèn)為影響YBCO薄膜的a軸取向主要因素是溫度。而本實(shí)驗(yàn)中,在給定的溫度條件下,總壓主要是由Ar分壓和O2氣分壓兩部分組成,所以我們推斷O2氣壓可能是產(chǎn)生a軸取向的另一個(gè)誘因。3.2氧分壓對(duì)yba2cu3o7-x薄膜的sem分析圖5是在870℃的溫度條件下,氧分壓為180Pa、220Pa、300Pa、330Pa的YBCO薄膜的θ-2θ對(duì)比圖譜?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著氧分壓的增加,YBCO薄膜的(00l)取向逐漸變?nèi)?而相反a軸取向的(200)峰則逐漸增強(qiáng),并在330Pa時(shí)達(dá)到最大。圖6是氧分壓為180Pa、220Pa、300Pa、330Pa時(shí)對(duì)應(yīng)的SEM?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著氧分壓的增大,薄膜表面a軸取向的晶粒也逐漸增多,并最終取代了所有的c軸晶粒。這樣的結(jié)果與圖5的θ-2θ掃描結(jié)果一致。圖7為(005)峰的變化圖譜,可以發(fā)現(xiàn)隨著氧分壓的不斷減小,YBCO薄膜(005)峰有向左移動(dòng)的趨勢(shì),峰位由38.61°變化至38.53°。我們已經(jīng)知道在正交相的YBa2Cu3O7-x薄膜中,氧的含量的變化會(huì)引起YBa2Cu3O7-x晶格常數(shù)的變化,通常隨著氧含量的增大,晶格常數(shù)隨之減小。而XRD圖譜中峰的位置移動(dòng),正是代表了YBCO薄膜中各成分原子的配比以及氧含量發(fā)生了變化。3.3ybco薄膜中cu/ba和氧分壓的關(guān)系圖8是YBCO薄膜中Cu/Ba原子比例隨著氧分壓變化的趨勢(shì)圖。隨著氧分壓的不斷增大,薄膜中Cu,Ba的原子比例也隨之不斷增大。在氧分壓為160Pa—200Pa之間時(shí),薄膜中的Cu/Ba接近于YBCO薄膜中經(jīng)典的1:2:3比例。而隨著氧分壓的繼續(xù)增大,薄膜中Cu/Ba也隨之增大,但增大的趨勢(shì)逐漸放緩,在氧分壓為330Pa時(shí),Cu/Ba=1.63,偏離了經(jīng)典的比例。結(jié)合3.2的結(jié)果,通過(guò)對(duì)反應(yīng)氧分壓的調(diào)節(jié),YBCO薄膜的結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)明顯,不僅薄膜中的氧含量與氧分壓有正比例的關(guān)系,同時(shí)也薄膜中Cu/Ba的比例也隨氧分壓增大而增大,進(jìn)而影響了YBCO薄膜中個(gè)成分的比例。在氧分壓為180Pa時(shí),Cu/Ba=1.48,YBCO薄膜臨界電流密度為0.6MA/cm2。4氧分壓對(duì)ybco薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響實(shí)驗(yàn)通過(guò)使用了改進(jìn)的有機(jī)源進(jìn)液裝置,在溫度為870℃、總壓380Pa、氧分壓180Pa的條件下制備出完全c軸取向YBCO薄膜,其臨界電流密度Jc=0.6MA/cm2。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在較高的溫度條件下,通過(guò)不斷地加大氧分壓會(huì)形成a取向YBCO薄膜。同時(shí),隨著氧分壓的增大,薄膜中Cu/Ba由1.0變化至1.63,使YBCO薄膜(00l)峰的位置移動(dòng),進(jìn)而引起了薄膜的結(jié)構(gòu)及性能的改