沉积温度对高温超导带材YBiO3缓冲层外延生长的影响

　　采用脉冲激光沉积(PLD) 方法,在LaAlO₃ (001) 基片上研究了沉积温度对用作高温超导带材缓冲层YBiO₃ 结晶的影响。结果表明,随着沉积温度的升高,YBiO₃ 缓冲层结晶质量提高,取向趋于完美,表面较为平整。当沉积温度为700 ℃时,单晶外延的YBiO₃ 与LaAlO₃ 基片的外延关系为: YBiO₃ (001) //LaAlO₃(001)和YBiO₃ [110]/ /LaAlO₃ [100] ,其晶格失配度为1.3 % ,平均粗糙度约为3.4nm。

　　近年来,第二代钇系高温超导带材具有不可逆场较高、磁场下载流能力强、交流损耗低及性价比高等优点,极具应用前景,成为高温超导材料的重点发展方向。但是直接在柔性金属基带上制备超导薄膜存在晶格失配和互扩散等问题,因而必须制备过渡层薄膜。第二代高温超导带材制备过渡层必须满足以下要求:第一,良好的机械稳定性;第二,与基带附着良好;第三,与基带及超导薄膜之间有良好的晶格匹配和热膨胀系数匹配;第四,连续、密集并且缺陷较少。种子层、阻挡层和模板层各司其职,不但为超导薄膜的生长提供良好的生长模板,而且能减少大角晶界和晶界间的弱连接等。基于YBCO具有钙钛矿型结构, YSZ、CeO₂、MgO、BaZO₃ 、Sr₂TiO₃等是常用的缓冲层材料。同时,REBiO₃ (RE= Y,La 等稀土元素) 也是极具潜力的一类缓冲层,原因除了它与YBCO 晶体格子有良好的匹配性之外,Bi 或RE 能够被其它稀土元素代替,来获得不同晶格常数的缓冲层,从而为不同高温超导材料的生长提供模板。

　　据最近报道,通过化学液相沉积的方法,在沉积温度为730 ℃～800 ℃空气条件下可获得c 轴取向的YBiO₃ ,并在缓冲层上制备出了致密、均一、外延生长的YBCO 薄膜。证明了这种单一的缓冲层在高温超导带材中具有良好的前景。

　　目前利用物理方法制备YBiO₃ 缓冲层鲜于见报。不管采用物理方法或化学方法制备薄膜,沉积温度都存在两个关键性的问题。一方面,温度要足够高以利于薄膜结晶或外延生长;另一方面,温度要足够低以减少薄膜/ 基片在界面的互扩散,尤其是对于高温超导带材中氧化物/ 金属的界面。寻找缓冲层的低温外延生长,不仅是薄膜生长的基础问题,也对工业应用有很大意义。因而,本文采用脉冲激光沉积(PLD) 方法,选用LaAlO₃ (001) 单晶基片,研究沉积温度对YBiO₃ 缓冲层外延生长的影响。

1、实验

　　本文使用由沈阳中科仪器公司生产的脉冲激光沉积外延设备(PLD) 以及德国LAMBDA PHYSIK 公司生产的脉冲宽度为30ns 的KrF 准分子激光器(波长为248nm) 。实验中激光束经聚焦后进入生长室以45°角入射到靶材上,控制激光脉冲能量为200mJ·pulse ^{- 1} ,频率为2Hz ,本底真空度10^{- 4}Pa ,靶基距为55mm ,沉积速率约为0.03nm·s ^{- 1} 。以单晶10mm ×10mm的LaAlO₃ (001)作为基片, 把YBiO₃ 沉积在LaAlO₃ 上。沉积温度为600 ℃～700 ℃。YBiO₃ 陶瓷靶材是采用Y₂O₃(分析纯)、Bi₂O₃ (分析纯) 和蒸馏水作为原料,用固相烧结法按照化学计量比烧结而成。

　　如图1 所示,与ICDD 公司的PDF2 标准X 射线图谱数据库(27-1047) 对比可知,几乎没有杂相,我们已制备出纯度较高,结晶较好的YBiO₃ 陶瓷靶。

图1 　合成的YBiO₃ 靶材的XRDθ-2θ图

　　采用DX-1000 X射线衍射仪和bede D 1 多功能X射线衍射仪(XRD) 对YBiO₃薄膜的微观结构进行表征。并通过XRD Φ 扫描来确定薄膜与基片的外延关系。采用日本SEIKO 仪器公司的SPA300HV 原子力显微镜(AFM) 对YBiO₃ 薄膜的表面形貌及粗糙度进行表征。使用的反射高能电子衍射(RHEED)的电子加速电压为20kV ,用来表征YBiO₃ 缓冲层的结晶性质。

2、结果和讨论

　　图2 所示为不同温度下生长YBiO₃/ LaAlO₃ 缓冲层薄膜的XRD 扫描图谱。由图2 可知,在2θ=33°左右不同沉积温度的XRD 图都出现了YBiO₃(002) 晶面的衍射峰,位置也几乎相同,表明不同生长温度对缓冲层晶粒的晶格常数没有太大的影响。

图2 　不同温度下制备的YBiO₃/LaAlO₃ 缓冲层的XRD θ～2θ图(a) 600 ℃; (b) 650 ℃; (c) 700 ℃

　　限于篇幅，文章中间章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。

3、结论

　　通过X 射线衍射、高能电子衍射以及原子力显微镜对PLD 方法制备的YBiO₃/ LaAlO₃ 缓冲层的分析表明,沉积温度对YBiO₃ 缓冲层的生长有着决定性的影响。YBiO₃ 缓冲层的最低结晶温度可以低于600 ℃,但是结晶质量较差,取向较为混乱。随着沉积温度的升高,YBiO₃ 缓冲层结晶质量提高,取向趋于完美,表面平整。当沉积温度为700 ℃时,单晶外延的YBiO₃ 与LaAlO₃ 基片的外延关系几乎为:YBiO₃(001) // LaAlO₃ (001) 和YBiO₃ [110]// LaAlO₃[100],其晶格失配度仅为1.3% ,平均粗糙度约为3.4nm。