高温超导膜面外取向精细调控及大尺寸晶体生长研究

发布时间：2018-06-02 07:13

本文选题：液相外延 + 超低过饱和状态　；参考：《上海交通大学》2015年博士论文

【摘要】：不同微观结构的高温超导体(HTS)具有不同的应用价值,c轴取向的REBa2Cu3O7-δ(REBCO,RE=rare earth)通常用于输电线缆的开发,基于约瑟夫森结的量子器件研制则强烈依赖于a轴取向的调控,而晶界结构的探究对超导性能的提高具有深远的意义。实现微结构的精确控制,是高温超导材料关键的研究方向之一。在诸多的制备方法中,液相外延技术凭借高结晶品质、低制备成本、高生长速度等优势,使其成为一种重要的HTS研究手段。多年以来,我们一直关注和研究REBCO膜材料在液相外延生长过程中精细的取向调控,并试图得到高品质的膜。另一方面,为了满足超导物性研究的需要,同时也为了克服大尺寸晶体的生长难题,提出有创意且有效果的方法很有必要。本论文的主要科学意义在于,解决了微结构精细调控中长期困惑的难题,开创性地提出了多种实现超低过饱和度的方法,结合相图解释了超低过饱和状态的形成机制,为各种过饱和状态的控制提供了指导意见,且将获得超低过饱和度的方法推广到更多的应用中。此外,在晶体生长领域,提出了空气中生长最大尺寸单晶的有效方法,并为掺杂晶体的生长提供了一种普适性的解决方案。经过几年的深入研究,主要取得了以下成果:1、微结构的精细调控文献中显示,空气条件下a轴取向的REBCO生长窗口小于3 K,可靠制备极其困难,主要是因为过冷度效应与(110)取向的Nd Ga O3(NGO)基板回溶效应之间存在强烈的竞争,致使局域过饱和度较高。我们之前的研究结果表明,较高的过饱和状态适合c轴膜的生长,而a轴膜的生长需要较低的过饱和状态。我们利用冷却速率可以改变亚稳区宽度的特点,将生长条件从亚稳区移动到不稳区,获得了宽达35 K的a轴膜生长窗口,其原理可以解释为自发形核快速消耗了绝大多数的溶质,同时抑制了溶质离子扩散到生长界面,从而形成了超低的过饱和状态。为了避免不稳区自发形核产生的浮游物对膜品质的影响,我们利用新鲜溶剂加入量与保温时间之间的竞争,在亚稳区得到了宽达30 K的a轴膜生长窗口,其原理可以简单概括为溶液经历了从欠饱和到饱和再到过饱和的状态,异于传统方法的饱和到过饱和状态。我们还发现了Y-Ba-Cu-O溶液在NGO单晶基板上浸润的各向异性,并观察到膜结构面外取向的连续演化,不仅生长出宏观无裂纹的平整a轴膜,而且进一步证实了有效过饱和度与取向转变关系的正确性。2、超低过饱和状态的应用利用超低过饱和状态减小膜的生长速率,我们在c轴取向的YBCO/LAO薄膜籽晶上得到了无裂纹的c轴YBCO膜,以适应超导线材和器件的需求;利用超低过饱和状态抑制c轴膜的生长,我们在a/c混合取向的YBCO/LAO薄膜籽晶上得到了纯a轴的Sm BCO膜,为取向控制提供了新的路径;利用超低过饱和状态可以在低温实现,低温又能够抑制LAO基板的腐蚀,我们在LAO基板上获得了连成片的YBCO膜,而文献报道只能得到稀疏的晶粒;我们通过精细调节溶液的过饱和状态,系统研究了a轴晶粒在c轴取向YBCO膜中的分布,制备了取向一致的a轴晶粒分布于c轴膜的晶界结构,并合理解释了生长机制,这有利于磁通钉扎技术的应用研究;基于超低过饱和状态的实现,我们给出了约瑟夫森结研制的液相外延解决方案,试图为相关器件的开发提供一条全新的思路。3、大尺寸高品质单晶及掺杂晶体的生长我们在YBCO单晶的生长过程中引入了冷却速率,并系统研究了该参数对生长速率的影响,成功获得了空气中最大尺寸的YBCO单晶。我们还研究了掺杂晶体的生长,只需在坩埚的制作工艺中引入金属氧化物,就能实现各种金属元素掺杂晶体的生长。作为一个案例,我们生长了最大尺寸的Mg元素掺杂的YBCO晶体,其Tc值约为50 K。通过本论文的工作,希望能为液相外延中REBCO膜的取向调控、特定结构晶界的制备或是大尺寸晶体的生长提供具体的指导,同时也能为其他体系溶液过饱和状态的精细调节提供参考,并且期望文中涉及的诸多新方法可以为磁通钉扎技术的应用、约瑟夫森结的研制以及更多掺杂晶体的制备提供创新思路和启示。
[Abstract]:High temperature superconductors ( HTS ) with different microstructure have different application values , and the REBa2Cu3O7 - 未 ( RECO , RE = rare earth ) oriented by c - axis is usually used in the development of transmission cables . In the field of crystal growth , it is important to study the growth of super - ultra - low oversaturation . In addition , in order to meet the needs of high - quality crystal growth , it is very difficult to obtain high - quality films . In this paper , we also studied the growth rate of Y - Ba - Cu - O solution on the single crystal substrate of NGO .
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O78;TM26

【参考文献】