T12Ba2Ca2Cu3010高温超导薄膜制备与应用研究

发布时间：2018-03-11 15:41

本文选题：Tl_2Ba_2Ca_2Cu_3O_(10)超导薄膜　切入点：Tl_2Ba_2CaCu_2O_8中间相　出处：《南开大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在铊系高温超导材料中,Tl2Ba2Ca2Cu3O10(T1-2223)薄膜是其家族中临界温度最高的超导材料,也是截止目前为止世界发现的所有超导材料当中,除了Hg系超导材料以外临界温度最高的超导材料。由于铊系超导材料临界电流密度大,微波表面电阻低,抗潮解能力强而备受国内外的关注,然而由于铊元素的剧毒性且含铊氧化物熔点较低,造成超导材料制备过程中,铊元素挥发严重,因此制备出达到微波应用标准的高品质T1-2223薄膜相对困难。为此本文系统研究了T1-2223薄膜的合成条件,提出了以Tl2Ba2CaCu2O8(T1-2212)作为中间过渡相来制备T1-2223薄膜的生长方法,并综合利用不同退火气氛来降低退火温度,改善薄膜的超导性能。最后在T1-2223薄膜上制备了可以工作在108K以下的超导滤波器。其主要内容如下： 1.利用直流磁控溅射法在单晶(001)LaAlO3基片上沉积了非晶态的先驱膜,研究了在Ar下生长作为中间相的T1-2212的制备条件,得到了适合转化T1-2223薄膜的T1-2212的最佳合成条件。 2.结合最佳的T1-2212退火条件,研究了在Ar下生长了T1-2223超导薄膜的退火工艺,在最优合成工艺条件下,生长出的T1-2223薄膜结晶致密有序,周期性好,具有明显的层状生长和c轴取向,且与衬底LaAlO3具有明显的外延生长关系。其超导临界温度达到115K左右,临界电流密度维持在0.03MA/cm2。 3.研究了氧气对T1-2223薄膜的影响,对不同氧氩比例条件下制备Tl-2223薄膜的工艺条件进行了分析,并对非晶态先驱膜直接流氧退火的工艺条件进行了讨论。结果表明,当氧氩比例浓度控制在5%以下的低浓度水平时,制备的T1-2223超导薄膜结晶质量较高,薄膜均匀致密,具有明显的c轴取向生长。且具有较高的T1-2223相纯度。其临界电流密度相比Ar下制备的结果提高了一个数量级,基本达到了105A/cm2。对于非晶态先驱膜直接流氧退火的结果,其超导电流密度可达1MA/cm2以上的水平,临界温度达到115K左右。 4.研究了第三次流氧退火工艺对T1-2223薄膜超导性能的影响。对原有Ar下制备的T1-2223薄膜以及氧氩比为1%条件下制备T1-2223薄膜分别进行了第三次流氧退火。结果表明,Ar下制备的T1-2223和氧氩比为1%制备的T1-2223 超导薄膜,经过流氧退火后,超导临界温度最高可达120K,临界电流密度均超过了2MA/cm2。但两种薄膜中也出现了少量的T1-2212相。结合之前的T1-2212中间法,我们制备了尺寸为10mm×10mm双面T1-2223超导薄膜,并进行了第三次流氧退火,退火后薄膜两面结晶均匀致密,具有较好的两面一致性。其超导临界温度为120±1K左右,双面的临界电流密度分别达到3.9MA/cm2和4.2MA/cm2,微波表面电阻为346μΩ(77K,10GHz),基本满足了制备超导滤波器的性能要求。 5.在10mm×10mm双面T1-2223薄膜上制备了工作在S波段,中心频率为4GHz,相对带宽为4%的3阶切比雪夫滤波器。测试结果表明,在77K下,该滤波器的插入损耗为0.088dB,当温度上升到102K时,其插入损耗仍为0.27dB。对不同温度条件下滤波器的特性分析表明,该滤波器工作在102K时性能稳定可靠。且最高工作温度可达108K。这一结果大大降低了现有超导器件对制冷设备的要求,为超导材料在卫星和深空探测领域无制冷的工作提供了可靠依据。
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【学位授予单位】：南开大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2

【参考文献】