高温超导涂层导体氧化物缓冲层的PVD法制备

以稀土钡铜氧高温超导材料为主体的涂层导体的发展，为高温超导体的实用化进程提供了强有力推动。涂层导体结构中的氧化物缓冲层实现了超导薄膜与金属基带的衔接功能，其晶体取向、织构强度和表面形貌等性质均会对涂层导体的整体电学性能造成影响。探索和优化缓冲层镀膜工艺条件，对于制备高质量高性能的涂层导体带材意义重大；缓冲层制备研究也有助于厘清薄膜材料生长中的基础问题，并为其它薄膜材料的制备提供指导。本论文工作利用物理气相沉积（PVD）方法制备涂层导体中常用的氧化物缓冲层薄膜，研究薄膜性质随工艺参数的演化规律，并揭示其机理。同时基于优化的缓冲层薄膜，初步实现了完整结构的涂层导体制备。实验采用磁控溅射镀膜方法在单晶YSZ基底上沉积CeO2薄膜，调节了基底温度、溅射气压、溅射功率、沉积时间、O2/Ar流量比例等参数，并采用XRD、AFM、SEM等手段对薄膜性质进行表征。实验发现CeO2薄膜表面形貌随镀膜参数出现明显的演化规律，可能出现平整均匀的颗粒状表面，或是由沿CeO2<110>方向拉长的岛状结构形成的编织状表面。薄膜出现何种特征的表面形貌与其应变状态密切相关，而其应力应变状态随镀膜参数的演化关系可以通过磁控镀膜中荷能粒子的轰击效应（“原子喷丸”效应）进行解释。基于此解释，可通过调节镀膜参数对CeO2/YSZ薄膜的表面形貌进行控制。采用TFA-MOD方法在不同镀膜条件（溅射气压、沉积时间、是否后退火）制备的CeO2/YSZ基底上沉积YBCO涂层，对YBCO结构、取向、形貌、临界电流等进行表征。虽然所有缓冲层都具备很强的双轴织构，但YBCO临界电流性能随帽子层形貌出现明显差异，Jc受限于CeO2薄膜的表面粗糙度和晶粒尺寸。选出最适宜于涂层导体的CeO2薄膜制备工艺并应用于IBAD-YSZ/Hastelloy基底，我们制备出了从金属基带到超导层的完全自主研发的涂层导体短样。在无取向基底上制备出双轴织构模板层是涂层导体发展的核心关键技术。本论文还在无定形玻璃基底上磁控溅射沉积了CeO2和MgO两类缓冲层，揭示了薄膜择优取向随溅射参数的演化规律，并分析讨论了其机理。同时，采用离子束辅助和磁控溅射镀膜相结合的方法，MgO/glass薄膜可初步实现双轴织构，这为低成本双轴织构层的制备提供了参考方向。