GRINM博士论文中文摘要模板(单独报送)-北京有色金属研究总院

文件名：L杨坚
论文题目：YBCO涂层导体长带与厚膜制备技术及钉扎机制研究
作者简介：杨坚，女，1962年出生，2007年从师于林晨光、窦士学教授，于2013年6月毕业于北京有色金属研究总院材料科学与工程专业，并获工学博士学位。

论文摘要：
YBa2Cu3O7-δ(YBCO)高温超导材料的不可逆场高，在高温高场中仍保持较高的临界电流密度，具有很好的应用前景。

对YBCO涂层导体长带制备技术的研究，提高它的载流能力和高场性能是应用的需求。

本文采用脉冲激光沉积（PLD）方法，以获得高性能的YBCO涂层导体长带为目的，研究在带有隔离层CeO2/YSZ/Y2O3/NiW的金属基带上，连续沉积YBCO膜的制备技术，进而研究涂层导体厚膜的制备和磁通钉扎机制。

主要研究内容与结果如下：
自主设计研发了适合连续制备长带的动态真空镀膜装置。

与常规的脉冲激光沉积装置相比，不仅适用于静止状态的小尺寸样品，而且可以通过移动在长带型样品上进行连续均匀镀膜。

该实验装置具有加热器升降温速率快、加热面积大，无污染等特点，可使移动长带样品均匀受热，样品温度可达850︒C。

该装置具有基带驱动和张力控制系统，可使带状样品平稳地双向移动，完全满足长带样品脉冲激光沉积的要求。

研究了适用于该装置的PLD技术制备YBCO带材的基本参数及它们的相关性，主要包括脉冲激光能量、背底氧压、沉积温度、靶基距等参数。

采用分幅照相法，对激光诱导等离子体的形态进行了观测和分析；结果表明，对于固定的氧压，随着脉冲激光能量的增加，等离子体羽辉逐渐增强，相应地应选择较大的靶基距；对于固定的激光能量，羽辉的形状随沉积腔内的氧气压强的增加而压缩。

根据沉积温度对YBCO膜的织构取向和超导性能的影响，确定了这些基本参数的最佳范围：激光能量150-250mJ，氧压25-35Pa，沉积温度760-780︒C，靶基距：45-60mm。

研究了连续移动沉积YBCO带材的技术，尝试通过增加YBCO超导膜的厚度来提高其临界电流（I c）。

为此提出了两条技术路线来增加YBCO膜的厚度：（1）改变脉冲激光重复频率；（2）改变基带移动的速率。

结果表明，通过改变这两个参数可以增加YBCO膜的厚度，但其I c却在增加到50A 后，不再随膜厚度的增加而进一步提高。

分析认为导致电流随膜厚度增加而趋于饱和这一结果的原因有以下几点：（1）随厚度增加，衬底表面生长温度降低，导致YBCO膜表面容易出现a轴取向颗粒；（2）在某一厚度开始出现微裂纹，并伴随有孔洞的存在；（3）由于生长条件的微变动导致YBCO膜的结构取向有偏差；（4）衬底的化学稳定性和温度控制不当导致YBCO与隔离层界面发生界面反应；（5）非超导相或缺陷的存在致使转变温度T c的转变宽度宽，存在拖尾等不利现象；（6）靶材的表面沟槽直接影响等离子体羽辉的形态，进而影响YBCO的成分；（7）气压的变化、基带的微动、测温方式的不当等因素都会引起沉积温度的变化。

因此在制备技术上做了多方面的改进，如加保温罩、改变测温
控温方式，以保证基带温度的均匀性和沉积过程温度的一致性；同时保温罩以遮挡的方式防止非最佳沉积区的粒子污染金属衬底，防止非超导相的存在；改变氧气进气方式，使气流在腔体内保持动态的均匀和平衡；改变激光扫描方式，更有效地利用YBCO靶材，减小靶表面出现凹坑的频次，使YBCO在长带沉积过程中成分均匀。

严格控制各沉积参数的稳定性，同时提出了反复沉积，分层控制的方法，使得YBCO随厚度的增加，膜表面的平整性、致密性得到大幅度改善，YBCO膜面内面外取向性也随之得到提高，实现了无裂纹、表面平整、高质量的YBCO膜生长。

采用分层工艺和最佳实验参数：氧压30Pa，相对沉积温度730︒C，激光能量195mJ，基带移动速率0.1mm/s，脉冲激光重复频率10Hz，在CeO2/YSZ/Y2O3/NiW金属基带上，成功制备出一米长YBCO涂层导体。

X射线衍射（XRD）θ-2 θ扫描显示了YBCO膜呈单一c轴取向，在长度方向上进行了多点测量，其YBCO（103）面XRD ϕ-扫描半高宽的平均值7.47︒，YBCO（005）面ω-扫描半高宽的平均值4.71︒，ϕ-扫描和ω-扫描半高宽的最好结果分别为6.87︒和3.60︒。

分段测量了YBCO的超导转变温度，结果表明，长度方向上，T c值在90.1-91.7K的范围内，转变宽度∆T在0.4-0.7K的范围；分段测量的临界电流大于200A/cm-width。

临界电流密度J c达2.3 MA/cm2(77 K，0T)，J c（B)为0.5 MA/cm2(77 K，1T) 。

首次提出了“间歇式”的沉积方式，成功制备了一系列不同厚度的YBCO膜和BaZrO3掺杂的YBCO 膜。

当YBCO膜的厚度达到2.0微米时，膜表面致密、平整，其临界电流密度（J c）仍保持在106A/cm2（77K，0T）量级。

通过拉曼光谱测试分析表明，YBCO膜随厚度的增加保持着良好的晶体结构，并伴随有应力存在。

同时发现掺杂BaZrO3的样品存在阳离子缺陷，这些缺陷可能起磁通钉扎中心的作用。

进一步对掺杂的YBCO膜进行了磁场下性能的研究。

结果表明，掺杂BaZrO3样品无论在零场还是外加磁场下，YBCO膜的J c都高于未掺杂的YBCO膜。

在77K、0T的外场下，掺杂YBCO J c达到3.16×106A/cm2；在77K、1T外场下，J c达到6.21×105A/cm2，与未掺杂YBCO膜相比，J c提高了约2倍。

掺杂YBCO膜在77K、1.6T时对应最大钉扎力为7.1GN/m3；在65K、3.7T对应最大钉扎力为47GN/m3，在3-5T的磁场范围钉扎力均保持在45GN/m3。

对各个温度下的J c-B曲线的特征进行了分析。

研究了厚膜的钉扎机制：随外加磁场的增加，从单磁通钉扎到集体钉扎，直至磁通蠕动。

同时发现掺杂BaZrO3的样品存在阳离子缺陷，这些缺陷可能起磁通钉扎中心的作用。

利用广义反演法（GIS），通过对测试数据的计算、拟合，对不同厚度掺杂和未掺杂样品进行了钉扎类型的分析。

研究表明，随温度变化钉扎类型也在发生变化。

在低中温区以δl钉扎为主。

随着温度的升高，逐渐接近应力钉扎，直至以应力钉扎为主。

未掺杂样品的区别在于，在中低温区离δl钉扎较掺杂数据更远，且只在接近T c的温度区才以应力钉扎为主。

可能由于未掺杂的样品中，缺少由掺杂粒子引进的应力和位错等缺陷，导致二者之间存在差异。

主要创新点：
（1）自行设计并建立了国内首台可连续制备涂层导体长带的动态脉冲激光镀膜装置，拥有自主知识产权，并且完全国产化。

（2）提出分层沉积的镀膜方式，发展出在金属基带上沉积YBCO长带的一整套动态制备技术；获得了高性能的米级长度的YBCO涂层导体。

（3）提出了“间歇式”沉积方法，使制备的YBCO厚膜在大于2.0微米厚度时，临界电流密度大于106A/cm2（77 K，0 T）。

（4）利用BaZrO3掺杂有效提高了YBCO厚膜在高场下的载流能力，并定性分析了YBCO涂层导体厚膜的钉扎机制和钉扎类型。

关键词：高温超导材料，钇钡铜氧涂层导体，厚膜，脉冲激光沉积。