Y 2 (Zr 1-x Ti x ) 2 O 7 和Ce 1-x Y x O 2-y 薄膜的制备及其微结构表征
发布时间：2020-12-04 05:15
缓冲层作为传递衬底织构及阻隔衬底与钇钡铜氧（YBCO）超导层间元素扩散的重要中间层,已成为涂层导体的必要组成部分。目前常用的缓冲层的材料包括Ce02、Y203、La2Zr2O7、YSZ（氧化钇做稳定剂的氧化锆）等。然而,这些缓冲层材料仍存在诸如阻隔元素扩散能力差、多层缓冲架构过于复杂等不足之处,还需要进一步开发综合性能更优异的新型缓冲层材料。于是,本文通过研究不同阳离子比例的Y2（Zr1-xTix）2O7和Ce1-xYxO2-y薄膜的结构相变及高温氧扩散行为,探讨其作为涂层导体缓冲层使用的可行性。首先,使用六水硝酸钇、八水氧氯化锆与钛酸四丁酯为溶质,配制出了性能稳定的掺钛锆酸钇Y2（Zr1-xTix）2O7（YZTO）溶胶。并通过溶胶-凝胶法分别在硅基片上制备了纯相YZTO固溶体薄膜,在YSZ单晶基片上成功制备了（001）取向外延生长的YZTO薄膜。研究发现,随着Y2Zr2O7中Ti4+的添加比例逐渐增加,直到Ti4+完全取代Zr4+,YZTO薄膜逐渐由完全的缺陷萤石结构向完全的烧绿石结构转变;同时薄膜中的氧空位也从随机排列向有序排列转化;YZTO薄膜阻隔氧元素扩散的能力越来越强。其次...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
YBCO超导体的晶体结构
西安理工大学硕士学位论文2因此而降低YBCO涂层导体的整体性能。所以缓冲层的研发就成了一项极为重要的任务。氧化铈CeO2作为应用最多的缓冲层之一，已成为人们关注的焦点。此外，目前发展的超导缓冲层材料还有Y2O3、YSZ、MgO、NiO、SrTiO3、La2Zr2O7、Gd2Zr2O7、Gd2O3、Eu2O3等氧化物陶瓷[4,5]。1.2超导缓冲层的性能与结构1.2.1超导缓冲层的基本特性图1-2为最常见的超导涂层导体的外部结构。超导涂层导体通常由最底层的金属基带、中间部分的缓冲层、缓冲层之上的YBCO超导层及顶部的保护层组成。可用作超导涂层导体金属基带的材料有镍（Ni）及镍合金（如Ni-Cr、Ni-W、Ni-V等合金），以此来满足基带要求的良好的机械性能及高温稳定性。基带的作用是提供高度的双轴织构，以获得具有双轴织构微观组织的高性能YBCO带材，进而提高其高温超导性能；同时起支撑YBCO超导层的作用。图1-2超导涂层导体的基本构造Fig.1-2Thebasicstructureofsuperconductingcoatedconductor缓冲层是由于两层材料间存在晶格失配，用来实现应力释放，以获得较完美晶体质量的中间连接层。缓冲层有两个主要作用：一是向YBCO超导层传递金属基带的织构以促使YBCO超导层按特定的c轴方向生长；二是阻隔金属基带与YBCO超导层间元素的互扩散，尤其是氧元素的扩散。缓冲层材料必须要有高度稳定的化学与物理性质，以及对基底与超导层元素的隔离作用；同时还要求热膨胀系数较小，且与基底和超导层的晶格匹配程度高等。另外，缓冲层还必须表面平整，粗糙度要求小，与金属基带附着性较好，这样有利于超导层形核和生长。CeO2与YBCO的晶格失配率仅为0.12%[6]；室温及常压下CeO2是Ce的最稳定的化合物与氧化物，在高温下其性质仍很稳定；CeO2硬度高，?
阻隔元素扩散。1.2.2超导缓冲层的微观结构特征最基本最常见的超导缓冲层材料CeO2为完整的萤石晶体结构。八个氧离子O2-位于晶胞内，四个铈离子Ce4+分别处于面心及顶角位置。最典型的CeO2属立方晶体，CaF2萤石结构，晶格常数a=b=c=0.5411nm[7]。其晶体结构中，Ce4+离子按照面心立方点阵排列，且每个Ce4+离子周围被8个O2-离子包围，而每个O2-离子周围有4个Ce4+离子，且O2-离子占据由Ce4+离子构成的全部四面体空隙，由Ce4+离子构成的八面体空隙未被占据，存在大量八面体空隙[13]。萤石晶体结构如图1-3所示，其中，白球代表阳离子A4+（如Ce4+），红球代表O2-。图1-3萤石（或CeO2）的晶体结构Fig.1-3Thecrystalstructureoffluorite（orCeO2）而缓冲层材料La2Zr2O7为典型的A2B2O7型烧绿石结构氧化物。许多报道都指出：当A2B2O7型氧化物中金属阳离子半径之比r（A3+）/r（B4+）=1.46~1.78时，A2B2O7形成有序排列的烧绿石结构；当r（A3+）/r（B4+）<1.46时，A2B2O7形成无序排列的缺陷萤石结构[14-18]。A2B2O7烧绿石结构的氧化物氧原子分别占据O48f（x，0.125，0.125）与O8b(0.375，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent development of A2B2O7 system transparent ceramics[J]. Zhengjuan WANG,Guohong ZHOU,Danyu JIANG,Shiwei WANG. Journal of Advanced Ceramics. 2018(04)
[2]插入二氧化铈薄膜提高MOD-YBa2Cu3O7-x厚膜超导性能的研究[J]. 丁发柱,古宏伟,王洪艳,屈飞,商红静,张慧亮,董泽斌,张贺,周微微. 物理学报. 2016(09)
[3]Ce1-xYxO2-δ（x=0,0.15,0.25）纳米粉体的氧化-还原性能研究[J]. 袁强,甄强,李榕,谭威,王太和. 功能材料. 2014(17)
[4]Y2O3缓冲层对YBCO超导转变温度的影响（英文）[J]. 武传宝,赵高扬,雷黎,赵瑞,瞿贵峰. 低温物理学报. 2014(02)
[5]烧绿石结构A2B2O7热障涂层材料热物理性能综述[J]. 吴琼,张鑫,彭浩然,冀晓鹃,章德铭,任先京. 热喷涂技术. 2014(01)
[6]涂层导体CeO2过渡层的稳定性研究[J]. 王书明,张华,杨坚. 中国稀土学报. 2013(05)
[7]CeO2涂层薄膜的制备[J]. 郭志超,吕昭. 新乡学院学报(自然科学版). 2010(05)
[8]钙钛矿及A2B2O7型热障涂层用陶瓷材料研究进展[J]. 张红松,朱涛,魏媛. 稀土. 2010(04)
[9]烧绿石型复合氧化物的结构、制备及其光催化性能[J]. 唐新德,叶红齐,马晨霞,刘辉. 化学进展. 2009(10)
[10]烧绿石型复合氧化物结构及离子导电性[J]. 谢亚红,刘瑞泉,王吉德,李志杰,鹿毅. 化学进展. 2005(04)
博士论文
[1]缓冲层外延生长及其与超导层的相互影响机制研究[D]. 王辉.陕西科技大学 2016
[2]阳离子掺杂稀土锆酸盐的有序无序转变与电学性能研究[D]. 夏校良.哈尔滨工业大学 2011
[3]A2Zr2O7型稀土锆酸盐材料的组织结构与物理性能研究[D]. 刘占国.哈尔滨工业大学 2009
[4]YBCO高温超导带材的制备和实用化研究[D]. 熊杰.电子科技大学 2007
硕士论文
[1]化学溶液法制备La2Zr2O7过渡层厚膜及取向的研究[D]. 任程.北京工业大学 2015
[2]外延生长二氧化铈薄膜及其阻变性能研究[D]. 张俊.北京有色金属研究总院 2014
[3]低氟溶胶—凝胶法制备YBa2Cu3O7-δ薄膜的研究[D]. 雷黎.西安理工大学 2007
本文编号：2897065
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
YBCO超导体的晶体结构
西安理工大学硕士学位论文2因此而降低YBCO涂层导体的整体性能。所以缓冲层的研发就成了一项极为重要的任务。氧化铈CeO2作为应用最多的缓冲层之一，已成为人们关注的焦点。此外，目前发展的超导缓冲层材料还有Y2O3、YSZ、MgO、NiO、SrTiO3、La2Zr2O7、Gd2Zr2O7、Gd2O3、Eu2O3等氧化物陶瓷[4,5]。1.2超导缓冲层的性能与结构1.2.1超导缓冲层的基本特性图1-2为最常见的超导涂层导体的外部结构。超导涂层导体通常由最底层的金属基带、中间部分的缓冲层、缓冲层之上的YBCO超导层及顶部的保护层组成。可用作超导涂层导体金属基带的材料有镍（Ni）及镍合金（如Ni-Cr、Ni-W、Ni-V等合金），以此来满足基带要求的良好的机械性能及高温稳定性。基带的作用是提供高度的双轴织构，以获得具有双轴织构微观组织的高性能YBCO带材，进而提高其高温超导性能；同时起支撑YBCO超导层的作用。图1-2超导涂层导体的基本构造Fig.1-2Thebasicstructureofsuperconductingcoatedconductor缓冲层是由于两层材料间存在晶格失配，用来实现应力释放，以获得较完美晶体质量的中间连接层。缓冲层有两个主要作用：一是向YBCO超导层传递金属基带的织构以促使YBCO超导层按特定的c轴方向生长；二是阻隔金属基带与YBCO超导层间元素的互扩散，尤其是氧元素的扩散。缓冲层材料必须要有高度稳定的化学与物理性质，以及对基底与超导层元素的隔离作用；同时还要求热膨胀系数较小，且与基底和超导层的晶格匹配程度高等。另外，缓冲层还必须表面平整，粗糙度要求小，与金属基带附着性较好，这样有利于超导层形核和生长。CeO2与YBCO的晶格失配率仅为0.12%[6]；室温及常压下CeO2是Ce的最稳定的化合物与氧化物，在高温下其性质仍很稳定；CeO2硬度高，?
阻隔元素扩散。1.2.2超导缓冲层的微观结构特征最基本最常见的超导缓冲层材料CeO2为完整的萤石晶体结构。八个氧离子O2-位于晶胞内，四个铈离子Ce4+分别处于面心及顶角位置。最典型的CeO2属立方晶体，CaF2萤石结构，晶格常数a=b=c=0.5411nm[7]。其晶体结构中，Ce4+离子按照面心立方点阵排列，且每个Ce4+离子周围被8个O2-离子包围，而每个O2-离子周围有4个Ce4+离子，且O2-离子占据由Ce4+离子构成的全部四面体空隙，由Ce4+离子构成的八面体空隙未被占据，存在大量八面体空隙[13]。萤石晶体结构如图1-3所示，其中，白球代表阳离子A4+（如Ce4+），红球代表O2-。图1-3萤石（或CeO2）的晶体结构Fig.1-3Thecrystalstructureoffluorite（orCeO2）而缓冲层材料La2Zr2O7为典型的A2B2O7型烧绿石结构氧化物。许多报道都指出：当A2B2O7型氧化物中金属阳离子半径之比r（A3+）/r（B4+）=1.46~1.78时，A2B2O7形成有序排列的烧绿石结构；当r（A3+）/r（B4+）<1.46时，A2B2O7形成无序排列的缺陷萤石结构[14-18]。A2B2O7烧绿石结构的氧化物氧原子分别占据O48f（x，0.125，0.125）与O8b(0.375，
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent development of A2B2O7 system transparent ceramics[J]. Zhengjuan WANG,Guohong ZHOU,Danyu JIANG,Shiwei WANG. Journal of Advanced Ceramics. 2018(04)
[2]插入二氧化铈薄膜提高MOD-YBa2Cu3O7-x厚膜超导性能的研究[J]. 丁发柱,古宏伟,王洪艳,屈飞,商红静,张慧亮,董泽斌,张贺,周微微. 物理学报. 2016(09)
[3]Ce1-xYxO2-δ（x=0,0.15,0.25）纳米粉体的氧化-还原性能研究[J]. 袁强,甄强,李榕,谭威,王太和. 功能材料. 2014(17)
[4]Y2O3缓冲层对YBCO超导转变温度的影响（英文）[J]. 武传宝,赵高扬,雷黎,赵瑞,瞿贵峰. 低温物理学报. 2014(02)
[5]烧绿石结构A2B2O7热障涂层材料热物理性能综述[J]. 吴琼,张鑫,彭浩然,冀晓鹃,章德铭,任先京. 热喷涂技术. 2014(01)
[6]涂层导体CeO2过渡层的稳定性研究[J]. 王书明,张华,杨坚. 中国稀土学报. 2013(05)
[7]CeO2涂层薄膜的制备[J]. 郭志超,吕昭. 新乡学院学报(自然科学版). 2010(05)
[8]钙钛矿及A2B2O7型热障涂层用陶瓷材料研究进展[J]. 张红松,朱涛,魏媛. 稀土. 2010(04)
[9]烧绿石型复合氧化物的结构、制备及其光催化性能[J]. 唐新德,叶红齐,马晨霞,刘辉. 化学进展. 2009(10)
[10]烧绿石型复合氧化物结构及离子导电性[J]. 谢亚红,刘瑞泉,王吉德,李志杰,鹿毅. 化学进展. 2005(04)
博士论文
[1]缓冲层外延生长及其与超导层的相互影响机制研究[D]. 王辉.陕西科技大学 2016
[2]阳离子掺杂稀土锆酸盐的有序无序转变与电学性能研究[D]. 夏校良.哈尔滨工业大学 2011
[3]A2Zr2O7型稀土锆酸盐材料的组织结构与物理性能研究[D]. 刘占国.哈尔滨工业大学 2009
[4]YBCO高温超导带材的制备和实用化研究[D]. 熊杰.电子科技大学 2007
硕士论文
[1]化学溶液法制备La2Zr2O7过渡层厚膜及取向的研究[D]. 任程.北京工业大学 2015
[2]外延生长二氧化铈薄膜及其阻变性能研究[D]. 张俊.北京有色金属研究总院 2014
[3]低氟溶胶—凝胶法制备YBa2Cu3O7-δ薄膜的研究[D]. 雷黎.西安理工大学 2007
本文编号：2897065
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