陈晋

（北京工业职业技术学院教务处   北京市  100042）

摘要：采用TFA-MOD方法在LaAlO₃单晶基片上制备出了五层的Y₁Ba₂Cu₃O₇ 薄膜，膜层总厚度为1um，临界电流密度（Jc）达到1.6 MA/cm²，临界电流（Ic）为160A/cm。单层膜与三层膜的Jc值分别为3.5 and 1.75 MA/ cm²。三层膜和五层膜截面TEM形貌中并无裂纹和明显空洞产生，各层之间的界面是平滑的。随着膜层厚度的增加，临界电流密度减少，主要原因可能是在于膜性能的劣化。

关键词：超导薄膜；YBCO；临界电流密度

MOD Multi Layer YBCO Films on Single Crystal Substrate

CHEN Jin

( Beijing Institute of Vocational Technology, Beijing 100042, China)

Abstract：A five layered Y₁Ba₂Cu₃O₇ film on LaAlO₃ substrate by metal-organic deposition method using trifluoroacetates (TFA – MOD). The total film thickness was 1 μm with J_c exceeding 1.6 MA/ cm² and critical current (Ic) of 160 A / cm – width. J_c values of the single layer and three layer films were 3.5 and 1.75 MA/ cm² respectively. In five layered film few pores and no cracks were observed in cross-sectional TEM image and interface between the layers was smooth. Results obtained from five layered film were compared with single layer as well as three layer films. Primary reason for the decrease in the critical current density of the multi layer YBCO films with increase in the number of layers was thought to be the deterioration in the overall quality of the film.

Key words: film; YBCO; critical current density

1、引言

YBa2Cu3O7-x（YBCO）作为第二代高温超导材料的代表，以其高的不可逆场和载流强度、低的交流损耗以及潜在的价格优势等优点，在高效电动机和发电机的制造、大功率电流传输等领域有着广阔的应用前景，成为当前研究的热点^[1，2]。目前世界范围内正在开展着制备高Ic和Jc值的YBCO超导薄膜的竞争，产生了许多制备方法与手段，如脉冲激光沉积法^[3]，金属有机物化学气相沉积法以及金属有机沉积法（MOD）等^[4]，而MOD不需要真空设备，使用三氟乙酸( TFA)盐作为前驱物制备的YBCO涂层导体具有较高的性能，且可以精确控制成分以及大面积成膜，而成为低成本、大规模制备YBCO涂层导体的首选方法。

    高临界电流是二代高温超导体实际应用中非常关键的因素，为了获得高临界电流，需要制备高临界电流密度的厚膜，这是在涂层导体的发展过程一个极具挑战的难题。需要首先生产单层具有高临界电流密度的适度厚膜，其次是开发一种可以在基片上生长多层高临界电流密度的膜的方法，然而，实际生长过程中该薄膜的性能往往随着薄膜厚度的增加急剧下降。先前的研究已经表明一些厚膜对覆膜导体性能的影响的因素，如：存在着大孔径、表面粗糙度的恶化等^[5~8]。本文采用TFA-MOD法在LaAlO3单晶基片上制备了五层的YBCO超导膜，研究了膜层结构与临界电流密度之间的关系，并对其结构与性能进行了分析。

2、实验

在单面抛光的LaAlO₃单晶基片上制备了超导薄膜。基片首先在超声波浴中用丙酮和甲醇清洗几分钟，然后把清洗干净的基片在800⁰C纯氧气氛中退火。按适量配比称取适量的醋酸钇、醋酸钡和醋酸铜溶入去离子水中形成溶液而后加入一定量的三氟乙酸让其充分反应，之后进行精炼，去除多余的乙酸，水和其他杂质，得到阳离子浓度为0.25mol /L的前驱溶液。然后将其用旋涂机涂覆在单晶基片上，控制转速为4000r/min，旋涂时间为120s。薄膜的厚度取决于溶液浓度，旋转速度和旋涂机的加速度^[9]。单层膜的厚度约为0.2微厚。为了得到纳米级的前驱膜，在湿氧的气氛中慢慢加热到400℃，加热速度取决于金属有机三氟乙酸分解速率。为增加薄膜的厚度，采用了多次涂覆的方法，经过重复旋涂和焙烧以获得所需的厚膜。为避免前驱膜在潮湿空气中长期暴露，旋涂是在惰性环境中进行。最后得到的多层薄膜是在800⁰C下的低氧（0.1%）氩气平衡条件下焙烧制得。

    采用X射线衍射(XRD)法对所制备的YBCO薄膜进行了物相分析，用扫描电镜（SEM）进行薄膜微观结构与表面形貌的观察。透射电子显微镜（TEM）观察各连接界面及基体上的形貌，能谱分析来分析膜的成分。临界电流密度用四探针测试系统来测试。

3、结果与讨论

3.1 X-射线衍射分析

    为了解前驱膜的多个膜层在整个成膜过程的变化规律，采用X射线衍射法分别对成膜后的单层膜、三层膜和五层膜进行了X射线衍射分析。单层膜与三层膜的衍射分析结果如图1所示，除主峰外，单层膜与三层膜中都可以清晰地看到有CuO和Cu (OH)₂存在，五层膜的X射线衍射分析结果类似。CuO的形成是由于Cu和O的电负性与Ba-O和Y-O共价键的形成有微小差异所致。除了上述产生CuO和Cu (OH)₂峰外，两只主峰对应于LaAlO₃，热解过程中并没有其它峰出现。

图1 单层膜与三层膜的XRD衍射图谱

Fig. 1 XRD analysis of Single coat and three coats film

3.2 薄膜的组织与成分分析

    随着膜层厚度的增加，膜层表面的显微组织也发生了变化，对单层、三层以及五层膜的表面微观形貌进行了SEM观察，典型的扫描电镜表面形貌图如图2所示。

图2 单层膜、三层膜及五层膜的SEM表面形貌图

Fig. 2 SEM images of single layer, three layered and five layered films

从扫描电镜形貌分析中可以看到，单层、三层以及五层膜中大多数颗粒都为c轴取向，颗粒尺寸较为均匀，晶粒之间的连接性较好。其中，单层膜是高度c轴取向，而三层和五层薄膜中可以看到一些a轴取向的颗粒存在，而且单层膜中的颗粒尺寸相对三层与五层膜更加细小。

对单层膜、三层膜及五层膜分别进行了能谱分析，典型的数据结果如表1所示。可以看出，在单层膜中Y，Ba和Cu的原子比接近于1:2:3，而在三层膜与五层膜中都是富Cu，我们推测可能的原因是来自于膜层中存在的CuO颗粒，这种结果与XRD衍射结果分析一致。

表1 单层膜、三层膜及五层膜的EDS分析

表1 EDS analysis data for the three films

对膜层进行了透射电镜显微组织分析，结果如图3所示。三层膜的透射电镜显微组织观察中，可以清晰地看到单层膜与基体之间的界面，二层膜与三层膜之间的界面；五层膜中，基体与单膜之间以及各膜层之间的界面也用箭头指出。可以看出，三层膜与五层膜的各界面之间都是平滑的，并且没有空洞的存在。这些结果表明，试验获得了好的前驱膜层，各膜层界面之间的连接良好，并且各膜层间的界面是平滑的。

图3 三层膜和五层膜截面的TEM形貌图（a）三层膜（b）五层膜

Fig. 3 High Resolution cross-sectional TEM images for three layered and five layered films

3.3 YBCO薄膜的电性能

图4(a)显示了在有外部磁场条件下单层膜、三层膜和五层膜中的临界电流密度的变化。在三个膜层中，临界电流密度都随着外部磁场的增加而降低；在同一外加磁场条件下，随着膜厚度的增加，临界电流密度呈现出梯度降低的趋势，五层膜的临界电流密度最低。图8(b)显示出膜层厚度与临界电流密度及临界电流的关系，五层膜的Jc达到1.6 MA/ cm²，临界电流（Ic）为160 A / cm；单层膜与三层膜的Jc值分别为3.5 and 1.75 MA/ cm²。随着膜层厚度增加，临界电流密度降低而临界电流增加。临界电流密度的减少是因为伴随着膜层厚度的增加a-b取向的晶粒逐渐增加。

图4 三层膜和五层膜截面的TEM形貌图

Fig. 4 Comparison of Jc values of three films under external magnetic field

4、结论

（1）采用TFA-MOD方法在单晶基片上制备出了性能良好的多层YBCO薄膜。其中，单层膜与三层膜的Jc值分别为3.5 and 1.75 MA/ cm²；五层膜的厚度为1μm，临界电流密度和临界电流分别为 1.6 MA/cm2和160 A/cm。

（2）单层膜、三层膜与五层膜中除LaAlO₃外，还还有少量的CuO和Cu (OH)₂颗粒。

（3）透射电镜显微组织观察结果表明，各膜层间具有平滑界面，各界面间连接良好。

（4）随着膜层厚度增加，临界电流密度降低而临界电流增加。

参考文献

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[2] J. Dzick, S. Sievers et al. ,Mater. Res. Soc. Proc.,585(2000),55

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