(钇钡铜氧/异质层)n多层超导膜的离位制备及研究

Low-cost manufacturing is one of the keys of the large-scale application of second-generation HTS tapes. Metal-organic deposition (MOD) method is the research hotspot for preparing biaxial texture superconductor layer. Increasing the thickness of superconductor layer without decreasing critical current density (Jc) is also an effective way to reduce the cost of second-generation HTS tapes. However, it is a prevalence phenomenon that Jc rapidly decline when the thickness of superconductor layer increased. It is the critical current density depending thickness effect. In this project, we focus on the properties and preparation of YBCO superconducting multilayer. (YBCO/heterolayer)n multilayer superconducting films will be prepared by repeatedly coating with MOD and/or MOD/magnetic sputtering deposition method. The research contents contains adjusting the treatment process of the precursor solution and the precursor solution formula, selecting appropriate materials of heterolayer and its coating method, controlling correlative heat treatment. The relationship between microstructure and superconducting properties and the growth mechanism of (YBCO/heterolayer)n superconducting multilayer films would be systematically investigated. The aim of this project is to increase the critical current and the thickness of superconductor films, as well as to reduce the critical current density depending thickness effect. This project will contribute a lot to the low cost fabrication of second-generation HTS tapes.

第二代高温超导带材大规模应用的关键之一是带材制备的低成本化。采用低成本的金属有机物沉积(MOD)方法制备双轴织构超导层是目前国际上的研究热点。增加超导层厚度并且不减少临界电流密度值（Jc）也是降低成本的有效方案，但对于超导层而言，普遍存在临界电流密度随着膜厚度的增加而迅速下降，即存在临界电流密度厚度依赖效应。本项目主要研究YBCO超导多层膜，采用MOD和MOD/磁控溅射沉积相结合的方法，通过多次镀膜的方式制备（YBCO/异质层）n结构的超导多层膜。主要研究内容包括调整前驱溶液配方和前驱溶液处理工艺、选取合适的异质层材料及其镀膜方法、膜的热解和成相工艺、显微结构与超导性能之间的关系以及超导多层膜的生长机制等。旨在减小临界电流密度厚度依赖效应，提高YBCO膜的厚度和临界电流。本项目的实施可为第二代高温超导带材的低成本制备奠定基础。

本项目研究的MOD-YBCO超导膜制备技术主要应用于第二代高温超导导线的低成本、高性能加工。在YBCO超导膜制备的优化技术研究中，提高制备速率和提高厚膜性能是非常重要的两个研究方向，有助于导线成本的大幅度降低，推进其产业化进程。本项目基本按照原计划开展科研工作，已经取得的学术成果包括发表论文6篇（其中SCI收录4篇），申请国家发明专利6项（其中4项已授权）。.研究内容主要包括六个方面： （1）非水基化学溶液法制备YBCO膜的研究。本研究中提出了一种新型的前驱溶液的配制方法，使用丙酸酐代替水作为溶剂，去除低压蒸馏步骤，溶液配制流程用时2-3小时，约为传统方法的1/20。（2）使用聚乙二醇添加剂改性MOD前驱溶液的研究。在传统的前驱溶液基础上，使用聚乙二醇（PEG）添加剂改性实现了前驱膜快速热分解，耗时大幅度缩短至约15分钟（约为传统方法的1/60），整个热处理耗时在2小时左右。相关论文已入选Superconductor Science and Technology的2013年度Highlights。（3）使用铅添加剂改善YBCO厚膜晶粒取向的研究。该研究中发现，使用乙酸铅添加剂改性前驱溶液，可以使600 nm厚度的YBCO超导膜的非c轴取向晶粒得到显著抑制，780℃烧结温度下临界电流密度为传统法约3倍。（4）射频磁控溅射沉积氧化铈过渡层的研究。通过调整压强、溅射功率等沉积条件，本研究中发现氧化铈表面形貌的系统性演化特征，薄膜从细小晶粒的平整表面会变为针状晶粒的编织状表面，并发现薄膜表面形貌和薄膜的应变状态有很强的关联性。（5）YBCO超导膜人工钉扎中心的研究。主要使用BZO作为人工钉扎中心对YBCO超导膜进行改良，确定了4 mol%是较优的BZO掺杂量，最优烧结温度区间在800-820℃，4.2 K与77 K下含BZO掺杂样品均产生了明显的磁通钉扎效果。（6）YBCO/异质层/YBCO结构制备的研究。使用了磁控溅射沉积、离子束溅射沉积等方法制备异质层，其中比较突出的样品性能为：Y0.9Gd0.1Ba1.5Cu3O7-δ/ Au/ Y0.9Gd0.1Ba1.5Cu3O7-δ的厚度为600 nm, 临界电流密度达2.8 MA/cm2；(Y0.9Gd0.1Ba1.5Cu3O7-δ)3/ (Au)2膜的厚度大于1.1 μm，临界电流密度达到1.3 MA/cm2。