用于物理机制和器件开发研究的新型REBCO液相外延膜结构

The REBCO superconductor is a key material for fundamental study on the copper oxide: its superconductivity mechanism and engineering application. The preparation of high quality epitaxial film is one of the most important fields for this material. This project will focus on the formation of oriented REBCO films by liquid phase epitaxy (LPE), and the nature of epitaxy growth. Making use of the advantages of the LPE process: high growth rate and low cost, the aim of this work is to grow high crystallinity film-samples for superconducting mechanism study, Josephson junction’s device design and artificial flux pinning optimization. Research work involves the growth and the characterization of various orientated films and artificial film structures. Through the thermodynamics and kinetics tuning, we try to realize the effective control in preparing the pure a-axis oriented film; obtaining high quality artificial a/c interface structure; growing a-axis grains mixed c-axis oriented films with well alignment and so on. Our group has been working for long on the leading edge of this field, and recently published a review article in 《Progress in Material Science》, a review journal with an international top level in the material science field, introducing a series of significant achievements in the growth of REBCO crystal gained from our group, which makes a strong base for the present project.

REBCO超导体是研究铜氧化合物高温超导机理及应用的关键材料，其中高质量外延膜制备是该材料领域的一个重要研究前沿。本项目以REBCO液相外延膜为研究对象，探索取向生长的科学问题，旨在生长出具有快速沉积和低成本优势、高结晶性的膜材料，为超导机制探索、Josephson结器件设计、人工钉扎优化等提供高品质的样品。主要研究内容包括特定取向外延膜生长、特殊人工晶界结构形成及机理，及各种膜结构的性能表征等方面研究，通过热力学与动力学因素精细调控，实现纯a轴取向膜可靠控制、高品质a/c晶界结构、c轴膜中a晶粒有序排列复合结构的人工调控等。本研究组长期从事该领域的前沿研究，最近在材料科学顶级综述期刊《Progress in Materials Science》(IF= 25.87）发表了综述论文，介绍本组在REBCO超导晶体生长领域做出的系列具有国际影响研究成果。这些成果为本项目实施奠定了重要的基础。

本项目研究用于物理机制和器件开发的新型REBCO液相外延膜结构，实现对REBCO高温超导液相外延膜的取向控制，并通过外延生长获得REBCO膜,大尺寸、高质量的晶体和块体材料，主要工作内容和重要成果：.1、通过精细调节溶液过饱和度状态生长出a/c轴晶界以及新型的REBCO复合外延膜结构：首先，在低过饱和度状态下，在部分腐蚀的c-YBCO/NGO衬底上，制备出新颖的具有单结晶品质a/c晶界结构。其次，在液相外延膜生长中，引入初始保温时间因子，实现了溶液状态的精细调控，首次在基板上外延出a轴晶粒镶嵌在c轴膜上的复合人工微结构YBCO膜，有效地提高LPE膜的临界电流密度。进一步，通过改变融化时间，实现了a轴晶粒面内取向可调控的c轴YBCO膜。.2、基于薄膜外延技术，对晶体生长和应用展开研究，包括：采用缓冷提拉法，为REBCO单晶生长提供附加的生长驱动力，其生长速度是传统恒温法的2倍，制备了a-b面为13.8×13.5 mm2、c轴为12.3mm的YBCO大单晶，为提拉法生长REBCO晶体提供了有益的借鉴；通过利用Fe掺杂氧化钇坩埚，并基于这种坩埚的自生平衡溶液中掺杂元素浓度的机理，首次生长出了均匀性极好的、大尺寸Fe-YBCO单晶。.3、在高性能超导块材制备，以及提高薄膜籽晶外延热稳定性等方面取得重要结果：采用新型不含预置Y211的前驱体粉末，成功实现含细小Y211纳米颗粒样品，其冻结磁场高达0.636T（16毫米直径样品）；发展了新颖的籽晶/缓冲层结构，用面内取向为45°的薄膜籽晶，形成[110]边界的缓冲层，有效地增大c畴生长区。磁悬浮力提高了约10%；通过氧空位控制,实现空气条件下制备最高性能的SmBCO块材; 研究籽晶/中间层生长结构、熔体性质、浸润性、诱导形核模式等对薄膜包晶熔化的调控规律，以此实现研制高熔点、高应用性能Ag/REBCO块材的技术突破。