Gd摻雜對無氟金屬有機(jī)物沉積法制備Y1?xGdxBCO薄膜的應(yīng)力調(diào)控?

陳楨妮 劉勝利 王海云 程杰

1)(南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210003)

2)(南京郵電大學(xué)理學(xué)院,先進(jìn)功能陶瓷研究中心,南京 210003)

3)(南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究所,蘇州 215123)

1 引 言

近幾年,第二代高溫超導(dǎo)帶材受到廣泛關(guān)注,成為當(dāng)前的研究熱點.YBa2Cu3O7?δ(YBCO)涂層導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于傳輸電纜、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、磁能儲存系統(tǒng)中,有較高的臨界電流密度(106—107A/cm2)和不可逆場(7 T)[1].但是它的制備方法中高真空淀積法,如脈沖激光法由于成本高限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用;而化學(xué)溶液沉積(CSD)法,無需高真空設(shè)備,沉積速率高,更適用于制備YBCO涂層導(dǎo)體,且不同種類CSD方法獲得的薄膜的臨界電流密度(Jc)值達(dá)到了1 MA/cm2.其中金屬有機(jī)物沉積(MOD)法制備成本和材料成本低,且容易控制成分比例、可添加異質(zhì)相,顯著改善了超導(dǎo)薄膜的性能,成為重點研究領(lǐng)域.傳統(tǒng)的三氟乙酸鹽金屬有機(jī)物沉積(TFA-MOD)法應(yīng)用最為廣泛,在熱分解過程中會有大量的HF氣體產(chǎn)生,為了避免膜的開裂,分解過程中的加熱速率要低于1°C/min,這將導(dǎo)致分解過程超過20個小時[2],而且除氟也是個很大的難題[3].可見,無氟MOD法更適合于YBCO超導(dǎo)帶材的規(guī)?；蜕虡I(yè)化制備,具有很好的發(fā)展前景.

為了獲得高臨界電流(Ic),增加YBCO的厚度是很有必要的.但是隨著厚度的增加,由于“厚度效應(yīng)”,會使臨界電流密度大幅度下降.導(dǎo)致薄膜退化的原因可能有a軸晶粒的增多、孔隙度增大、非超導(dǎo)相的形成、化學(xué)計量比的改變等.為了緩解厚度效應(yīng),研究者嘗試通過摻雜、改性等多種方式改善YBCO高溫超導(dǎo)薄膜在液氮下的性能,以便運用于實際生產(chǎn)[4].研究發(fā)現(xiàn),周期性YBCO/GdBCO薄膜由于多層間隔的結(jié)構(gòu)可以很好地釋放應(yīng)力,有利于外延厚膜的c軸取向生長,隨著厚度的增加,臨界電流密度無明顯下降,并且Jc達(dá)到1 MA/cm2[5];另一方面,在YBCO厚膜中摻入一定比例的Gd可以有效抑制a軸晶粒的生長,緩解厚度效應(yīng),制備得到2.8μm厚的YBCO膜的Ic可達(dá)780 A/cm[6?8].可見,選用離子半徑較大的稀土元素Gd,Sm等對Y元素?fù)诫s可以調(diào)節(jié)YBCO薄膜的應(yīng)力機(jī)制,調(diào)控其c軸取向生長.但是由于薄膜內(nèi)應(yīng)力極其復(fù)雜,與摻雜比例等因素密切相關(guān),所以薄膜內(nèi)應(yīng)力隨著摻雜比例的演變機(jī)制至今缺乏系統(tǒng)研究.

因此,本文采用聚合物輔助的MOD法在單晶基底上制備不同摻雜比例的Y1?xGdxBCO薄膜,通過X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM),Raman光譜儀分析等表征手段,詳細(xì)研究Gd的摻雜比例對YBCO薄膜內(nèi)應(yīng)力的調(diào)節(jié)機(jī)制,為克服厚度效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù).

2 實 驗

將Re,Ba,Cu的化合物按照一定摩爾比(n(Re):n(Ba):n(Cu)=1:2:3.15)溶于丙酸,Re為Y1?xGdx,x分別為0.1,0.3,0.5,0.7,0.9.取一系列的樣品,得到的溶液在磁力攪拌機(jī)上加熱至70°C,攪拌至充分溶解得到透明均勻的深藍(lán)色溶液.隨后在溶液中加入適量的聚乙烯醇縮丁醛(PVB),連續(xù)攪拌數(shù)小時,得到均勻的黏稠溶液.將鋁酸鑭(LAO)基片依次用酒精、去離子水超聲清洗干凈,在670°C的干燥氧氣中退火10 h[3],然后在浸漬提拉機(jī)上進(jìn)行提拉鍍膜,對得到的薄膜進(jìn)行熱處理.

薄膜的熱處理包括低溫?zé)峤夂透邷鼐Щ瘍蓚€過程.熱處理的工藝如圖1所示.在低溫?zé)峤獾碾A段,為了防止薄膜吸收水分受到影響,在干燥的氬氣中升溫速率為2°C/min,達(dá)到150°C之后通入潮濕的氧氣和氬氣,升溫速率變?yōu)?°C/min.并且在480°C保持30 min后開始降溫,隨爐冷卻.在高溫結(jié)晶階段,將管式爐快速升溫至775°C,通入氧氬混合氣體恒溫60 min,降溫至450°C,通入干燥氧氣并保持60 min滲氧后再次降溫隨爐冷卻.

對薄膜的物相和面外取向采用XRD儀(Cu-Kα輻射,D8 ADVANCE A25)進(jìn)行分析,表面形貌用SEM(S-4800,Hitachi)進(jìn)行采集,Raman特征通過Raman光譜儀(LabRam HR800)進(jìn)行分析.

圖1 MOD法制備Y1?xGdxBCO薄膜的熱處理工藝曲線 (a)低溫?zé)峤?(b)高溫晶化Fig.1.The heat treatment prof i les for Y1?xGdxBCO superconducting thin f i lm fabrication:(a)Thermal decomposition at low temperature;(b)crystallization at high temperature.

3 結(jié)果與討論

3.1 薄膜晶體結(jié)構(gòu)XRD

為了研究薄膜的生長取向,我們對樣品進(jìn)行了XRD、(005)峰的ω掃描、線掃等測試.圖2是在相同制備工藝條件下不同摻雜比例的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的XRD圖.從圖2可以看出,經(jīng)過退火后的樣品有很強的(00l)峰,表明制備的樣品都有較好的c軸取向.在32.5°附近有個CuO的雜相,這是由于Ba鹽的缺失而引起的[7].隨著Gd摻雜比例的升高,YBCO薄膜的c軸取向逐漸增強,同時峰的強度隨之升高,在摻雜比例為0.5時達(dá)到最好,但是當(dāng)Gd的摻雜含量x超過0.5后,這些峰的衍射強度出現(xiàn)較為明顯的下降趨勢.而且通過比較發(fā)現(xiàn),隨著摻雜比例的升高,這些峰都發(fā)生了微弱的左移,說明離子半徑較大的Gd3+替代了離子半徑較小的Y3+,使得晶體的晶面間距增大、壓應(yīng)力減弱、張應(yīng)力增加而導(dǎo)致的[9?12].并且當(dāng)摻雜比例Gd:Y為1:1時峰強最強,表明1:1的摻雜效果可能最佳,這一結(jié)論將進(jìn)一步通過實驗證實.

為了進(jìn)一步探究摻雜對晶體的晶面間距的影響,我們通過線掃計算了Y1?xGdxBCO晶體的晶格常數(shù).表1是不同Gd含量的Y1?xGdxBCO晶體的晶格常數(shù),可以看出,隨著Gd含量的增加,晶格常數(shù)a,b,c有變大的趨勢,這是由于Gd3+的離子半徑比Y3+的離子半徑大所致[13].

薄膜的表面微觀形貌對性能也有重要的影響,這里我們對樣品進(jìn)行了電子顯微鏡掃描.為了研究YBCO薄膜的面外取向性,我們對YBCO薄膜的(005)峰進(jìn)行ω掃描,如圖3(a)所示.隨著Gd含量的增加,峰強隨之升高;當(dāng)x=0.5時,峰強達(dá)到最大值;當(dāng)Gd的含量繼續(xù)增大時,峰強明顯減弱.圖3(b)所示為ω掃描的(005)峰強隨Gd摻雜量的變化,當(dāng)x=0.5時,峰強為最大值,表明此時薄膜的結(jié)晶度最好.圖3(c)為ω掃描衍射峰的半高全寬(FWHM)值隨Gd摻雜含量x的演變折線圖.可以看出,隨著Gd摻雜含量的升高,衍射峰的FWHM減小,表明膜內(nèi)的應(yīng)力得到調(diào)整,面外取向性得到明顯的改善,摻雜含量達(dá)到0.5時,FWHM的值最小,表明面外取向達(dá)到最佳.當(dāng)摻雜含量大于0.5時,FWHM又隨之變大,這可能是因為摻雜含量過多,導(dǎo)致薄膜內(nèi)部的張應(yīng)力過大,從而使面外取向性變差[14,15].說明Gd摻雜比例為x=0.5時,面外取向最佳,與之前的結(jié)果相符合.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)摻雜比例不同的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的XRD圖(△為BaC2O4;?為CuO)Fig.2.(color online)θ-2θ scanning pattern of Y1?xGdxBCO samples with different content of substitution(the triangle shape represents BaC2O4case;the circle dot represents CuO case).

表1 不同Gd含量的Y1?xGdxBCO晶體的晶格常數(shù)Table 1.Lattice constants of Y1?xGdxBCO samples with different content of substitution.

3.2 薄膜SEM表面形貌

圖4是在相同制備工藝條件下不同摻雜比例的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的SEM表面形貌.通過SEM的截面掃描,得知所有薄膜的厚度均在0.5μm左右,表面光滑致密,晶粒之間的連接性較好,主要是平板型的c軸晶粒構(gòu)成,有少量的a軸晶粒,與圖2的XRD結(jié)果相一致.但是隨著Gd含量的增加,表面會有顆粒的析出,與前4個樣品的SEM圖相比較,圖4(e)中明顯的顆?？赡転楦汇~聚合物[16].

圖3 (網(wǎng)刊彩色)ω掃描 (a)摻雜比例不同的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的ω掃描衍射圖;(b)摻雜比例不同的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的ω掃描(005)峰強曲線圖;(c)Y1?xGdxBCO薄膜樣品的FWHM值隨摻雜含量x的演變Fig.3.(color online) ω scanning:(a) ω scanning pattern of Y1?xGdxBCO samples with different content of substitution;(b)relationships between intensity of Y1?xGdxBCO(005)and content of substitution;(c)the dependence of FWHM of Y1?xGdxBCO(005)on content of substitution.

圖4 摻雜比例不同的Y1?xGdxBCOBCO薄膜樣品的SEM表面形貌 (a)x=0.1;(b)x=0.3;(c)x=0.5;(d)x=0.7;(e)x=0.9Fig.4.SEM images of Y1?xGdxBCO samples with different content of substitution:(a)x=0.1;(b)x=0.3;(c)x=0.5;(d)x=0.7;(e)x=0.9.

3.3 薄膜的Raman特征

為了探索摻雜對薄膜的生長取向的影響,我們通過Raman測試來研究晶體的晶格振動.圖5(a)是在相同制備工藝條件下不同摻雜比例的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的Raman圖譜.圖中336 m?1處的O(2)/O(3)模式和501 cm?1處的O(4)模式表明YBCO薄膜中c軸晶粒和a軸晶粒都存在[5,11,12].當(dāng)x=0.9時,圖5(a)中450 cm?1處有一個微弱的Raman峰是O(2)原子沿著Z方向的位移,即Ag模[17].隨著Gd含量的增加,c軸晶粒的取向相對于其他比例有增強的趨勢,a軸晶粒的取向有減弱的趨勢;當(dāng)x=0.5時,O(2)/O(3)模式的Raman峰達(dá)到最大值,表明c軸取向達(dá)到最佳;當(dāng)Gd含量進(jìn)一步增加時,c軸取向開始減弱.

圖5(b)是不同摻雜比例的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的O(2)/O(3)的Raman位移折線圖.O(2)/O(3)模式的Raman光譜顯示YBCO的理想正交結(jié)構(gòu)的聲子模式的Raman峰大約在335 cm?1處.在x＜0.5時,O(2)/O(3)的Raman峰處于藍(lán)移狀態(tài),說明薄膜一直受到的是壓應(yīng)力的影響[18,19];在x＞0.5時,Raman峰在紅移狀態(tài),這是由于張應(yīng)力增強導(dǎo)致的.所以,隨著Gd摻雜比例的升高,O(2)/O(3)聲子模式總體來說發(fā)生了明顯的紅移,并且當(dāng)摻雜比例為1:1時,Raman峰最接近335 cm?1,這是由于膜內(nèi)的張應(yīng)力增加、壓應(yīng)力減小的緣故[6,13],YBCO的斜方晶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力調(diào)整到適合的狀態(tài),成為自由站立的膜.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)Raman光譜 (a)摻雜比例不同的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的Raman圖譜;(b)摻雜比例不同的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的O(2)/O(3)的Raman位移折線圖;(c)摻雜比例不同的Y1?xGdxBCO薄膜樣品的IO(2)/O(3)/IO(4)折線圖Fig.5.(color online)Raman spectroscopy:(a)Raman spectra of Y1?xGdxBCO samples with different content of substitution;(b)relationships between O(2)/O(3)mode Raman shift and content of substitution;(c)the dependence of intensity of IO(2)/O(3)/IO(4)on content of substitution.

不同的沉積方式和沉積參數(shù)都可能產(chǎn)生不同的薄膜應(yīng)力,但是基本上所有的薄膜應(yīng)力和晶體取向都有著良好的對應(yīng)關(guān)系.從圖5(c)可以看到,IO(2)/O(3)/IO(4)隨著Gd摻入含量的升高而升高,c軸晶粒取向也隨之升高,并且在摻雜比例為1:1時達(dá)到最大值,說明此時的c軸取向最好.但是當(dāng)Gd摻雜的含量大于0.5時,IO(2)/O(3)/IO(4)又開始下降,c軸晶粒取向減弱.這可能是由于摻入了離子半徑較大的Gd,使得晶體的晶格常數(shù)增大,薄膜和基底之間的晶格失配度變大,膜內(nèi)壓應(yīng)力減小,使晶粒的生長速率增加,從而促進(jìn)了薄膜的c軸取向生長[14,20].以上結(jié)果表明摻雜比例為1:1時,c軸晶粒的取向性最佳,這與XRD的結(jié)果相一致.事實上,文獻(xiàn)[6]已報道Gd摻雜YBCO薄膜,當(dāng)x=0.5時,2.8μm的厚膜在77 K自場下Ic達(dá)到780 A/cm,可以有效克服厚度效應(yīng).

4 結(jié) 論

本文采用無氟MOD法在(LAO)基底上沉積制備了一系列不同摻雜比例的Y1?xGdxBCO薄膜,研究了Gd摻雜對YBCO薄膜生長取向及應(yīng)力機(jī)制的影響.結(jié)果表明,適量Gd的摻雜使晶格常數(shù)增大,導(dǎo)致膜內(nèi)的張應(yīng)力增加,壓應(yīng)力得到松弛,從而調(diào)整薄膜和基底之間的應(yīng)力,提高c軸晶粒取向.而過量的Gd摻入,增加薄膜和基底之間的晶格失配度,反而會使結(jié)構(gòu)惡化,影響膜的性能.并且當(dāng)摻雜比例為1:1時,薄膜性能處于最佳狀態(tài),摻雜效果最佳,可以有效地克服厚度效應(yīng).

[1]Wang W T,Wang Z,Pu M H,Wang M J,Zhang X 2015J.Supercond.Nov.Magn.28 3249

[2]Zhao X H,Zhang P,Wang Y B,Xiong J,Tao B W 2013Adv.Cond.Matters Phys.12 532181

[3]Huang R X,Feng F,Wu W,Xue Y R,Zhang Y Y,Shi K,Qu T M,Zhao Y J,Wang X H,Zhang X W,Han Z H 2013Supercond.Sci.Technol.26 115010

[4]Wang X D 2013Guangzhou Chemical Industry41 37(in Chinese)[王醒東 2013廣州化工 41 37]

[5]Lin J X,Yang W T,Gu Z H,Shu G Q,Li M J,Sang L,Guo Y Q,Liu Z Y,Cai C B 2015Supercond.Sci.Technol.28 045001

[6]Liu L,Li Y,Xiao G,Wu X J 2015Supercond.Nov.Magn.28 403

[7]Wang S S,Zhang Z L,Wang L,Gao L K,Liu J 2017Physica C534 68

[8]Wang H Y,Ding F Z,Gu H W,Zhang H L,Dong Z B 2017Rare Met.36 37

[9]Li Y M,Liu Z Y,Fang Q,Guo Y Q,Lu Y M,Bai C Y,Cai C B 2016Physica C531 14

[10]Wang Y,Zhou L,Li C S,Yu Z M,Li J S,Jin L H,Wang P F,Lu Y F 2012J.Supercond.Nov.Magn.25 811

[11]Venkataraman K,Baurceanu R,Maroni V A 2005Appl.Spectrosc.59 639

[12]Sun M J,Yang W T,Liu Z Y,Bai C Y,Guo Y Q,Lu Y M,Cai C B 2015Mater.Res.Express2 096001

[13]Rui R S,Liu Z Y,Bai C Y,Guo Y Q,Jin X Y,Cai C B 2014J.Inorg.Mater.29 1167(in Chinese)[芮潤生, 劉志勇,白傳易,郭艷群,金曉艷,蔡傳兵2014無機(jī)材料學(xué)報29 1167]

[14]Yang F,Liu Z Y,Bai C Y,Lu Y M,Guo Y Q,Cai C B 2016J.Supercond.Nov.Magn.29 1969

[15]Moon H,Shin H Y,Jin H J,Jo W,Yoon S 2015Prog.Supercond.Cryogenics17 25

[16]Ding F Z,Gu H W,Wang H Y,Zhang H L,Zhang T,Qu F,Dong Z B,Zhou W W 2015Chin.Phys.B24 057401

[17]Bian W B,Chen Y Q,Li M J,Zhao G Y,Niu J F 2015J.Sol-Gel Sci.Technol.75 574

[18]Li M J,Yang W T,Shu G Q,Bai C Y,Lu Y M,Guo Y Q,Liu Z Y,Cai C B 2015IEEE Trans.Appl.Supercond.25 6601804

[19]Tang X,Zhao Y,Wu W,Grivel J C 2015J.Mater.Sci:Mater.Electron.26 1806

[20]Shu G Q,Li M J,Boubeche M,Liu Z Y,Bai C Y,Cai C B 2014IEEE Trans.Appl.Supercond.24 7500303