YBa2Cu3O7-δ薄膜的BaCl2/BaF2-MOD法制备及超导特性研究

传统三氟乙酸金属有机化学溶液沉积法(TFA-MOD)制备YBa₂Cu₃O_7-δ (YBCO)超导层,Ba倾向于与F结合,从而避免BaCO₃的形成。本工作开展了新型基于BaCl₂/BaF₂途径的化学溶液法生长YBCO超导薄膜的研究。重点研究了添加Cl对YBCO薄膜晶粒取向、微观结构和超导性能的影响,并通过生长反应的热化学计算,分析了BaCl₂途径YBCO薄膜的物相转变机制。结果表明:添加Cl有利于抑制a轴晶粒取向,促进c轴晶粒成核。添加Cl的YBCO双层膜起始转变温度(Tc-onset)没有明显变化,约为89.6 K,其临界电流密度(Jc)显著提升, Jc达到2.07 MA/cm²(77K,自场)。此外,生长反应过程的物相转变分析表明Cl优先与Ba结合形成BaCl₂,有效避免BaCO₃的形成。本研究结果表明:添加Cl对制备YBCO超导厚膜有促进作用,这为MOD法制备YBC...     

Nb掺杂YBCO薄膜钉扎机理的研究

通过低氟MOD法制备了Nb掺杂的YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)薄膜, 掺入的Nb以Ba₂YNbO₆(BYNO)相存在, 其尺寸大小在20~30 nm之间, 薄膜中BYNO纳米颗粒以外延和随机两种取向共存, 且以随机取向为主。BYNO纳米颗粒的周围出现堆垛层错, 并且BYNO周围的YBCO出现严重的晶格畸变, 这增加了YBCO薄膜内部的微观应变, 且随机BYNO颗粒含量越高, YBCO薄膜内部的微观应变就越大。微观应变增加了薄膜的磁通钉扎能力, 进而提高了薄膜在高磁场下的超导性能。     

温度控制织构金属基带上YBCO外延薄膜生长及缺陷研究

采用直流溅射法在Y₂O₃/YSZ/CeO₂(YYC)缓冲层的织构NiW基带上, 通过基片温度调制YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)外延薄膜生长。X射线衍射仪(XRD)表征显示, 基片温度强烈地影响YBCO薄膜的外延生长: 在较低的基片温度下薄膜趋于a轴取向生长, 随基片温度升高薄膜逐渐变为纯c轴取向生长。由于a轴晶粒引起的大角度晶界会阻碍超导电流在a-b面内的传输, 因此YBCO薄膜的微观结构和超导电性能随温度升高而得到改善, 但是随着基片温度继续升高, 基带的氧化程度加剧, YBCO与缓冲层间发生界面反应, 从而导致薄膜质量衰退。本     

铁电极化诱导的PbTiO3薄膜的取向聚集生长和晶粒尺寸调控

用溶胶凝胶法制备了PbTiO₃薄膜。将含量为0.2%、0.5%和0.8%(摩尔比)的钙钛矿铁电PbTiO₃纳米片加入溶胶体系中,利用纳米片的自发极化调控薄膜的生长。结果表明,纳米片的加入显著影响了薄膜的生长过程和结晶学取向,可制备出(100)高度取向的PbTiO₃薄膜;改变纳米片的浓度,可将薄膜晶粒尺寸由100 nm调控到2 μm。扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)观测和原位X射线衍射(in-situ XRD)的结果表明,固态薄膜中的晶粒表现出类液相的取向聚集生长特征。其原因可能是,铁电纳米片极化表面的静电力诱导小晶粒的吸附和取向排列,调控了薄膜的(100)取向和晶粒尺寸。     

正负错配纳米颗粒掺杂对YBCO薄膜性能影响的研究

利用低氟MOD工艺制备了Ba₂YTaO₆(BYTO)单一纳米颗粒掺杂及BYTO和LaAlO₃(LAO)双纳米颗粒共掺杂的YBCO复合薄膜。研究表明BYTO在YBCO薄膜中的最优掺杂量为6mol%, 此时薄膜的自场J_c为1.25 MA/cm ², 在1.2 T下获得的最大钉扎力为3.02 GN/m ³。共掺杂试验中引入与YBCO具有正错配度的BYTO粒子和负错配度的LAO粒子, 两者相互作用使有效掺杂总量提高至10mol%。调整两种纳米粒子的配比发现6mol% BYTO+4mol% LAO掺杂的YBCO复合薄膜样品在外加磁场为2 T时, J_c值高达0.27 MA/cm ², 获得最大钉扎力时的磁场由纯YBCO薄膜的0.42 T提高至共掺杂的1.6 T, 此时最大钉扎力为5.6 GN/m ³。正负错配纳米颗粒共掺杂有效地提高了YBCO复合薄膜在外加磁场下的超导性能。     

Ag基底织构和表面状况对YBCO薄膜性能的影响

采用MOD方法在三种不同织构和表面状态的Ag基底上制备了YBCO薄膜,研究了Ag基底的织构和表面状态对YBCO超导薄膜的影响.在真空中退火的Ag基底上沉积的YBCO薄膜仅有c轴取向,且薄膜表面有很多平行条纹,薄膜的连接性不好,J_c不高;在氩气气氛中退火的Ag基底上沉积的YBCO薄膜,具有很强的c轴取向和良好的面内织构,J_c相对较高为1.2×10⁴A/cm²;冷轧Ag基底沉积的YBCO薄膜织构没有氩气退火的Ag基底上的强,但薄膜的表面平整,连接性好,临界电流密度最高为1.5×10⁴A/cm².     

利用混合溶剂实现钙钛矿材料微观结构和光电性能优化

采用纯N, N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂、纯二甲基亚砜(DMSO)溶剂以及DMSO/DMF不同体积比例混合溶剂制备钙钛矿(CH₃NH₃PbI₃)薄膜, 并系统研究了不同溶剂对钙钛矿薄膜微结构及光电特性的影响。结果表明, 随着DMSO在混合溶剂中比例增加, 钙钛矿薄膜平均晶粒尺寸增大, 碘化铅(PbI₂)残留量降低, 同时薄膜中有序的钙钛矿晶体所占比例呈现先增大后减小的趋势, 并且当DMSO占混合溶剂体积比为60%时达到最大。薄膜Urbach能, 载流子寿命以及PbI₂含量之间的关系表明, 微量的PbI₂可有效钝化钙钛矿薄膜的缺陷。经过优化后(DMSO占混合溶剂体积比为30%), 钙钛矿太阳电池的光电转换效率达到15.1 % (V_OC=0.99 V; J_SC=20.9 mA/cm²; FF=0.73)。     

YBCO覆膜导体低成本制备研究

报道新近发展的离子束结构改性(ISM)技术以及同步织构(STEX)技术在YBCO覆膜导体制备中的最新进展。采用TFA-MOD工艺成功的在LaAlO_3(100)衬底上制备出了临界电流密度高达6.5 MA/cm~2 (77K,0T)的YBCO超导薄膜,其超导转变温度接近91K;同时还在LaAlO_3(100)衬底上成功地采用溶胶-凝胶工艺制备出了具有高度外延双轴织构取向的SrTiO_3缓冲层材料;在YSZ(100)衬底上采用溶胶-凝胶工艺制备出了具有高度双轴织构取向的CeO_2缓冲层材料。随后在这两种衬底上采用TFA-MOD工艺沉积的YBCO超导薄膜也获得了超过1MA/cm~2(77K,0T)的临界电流密度。作为制备实用化YBCO超导带材的新路线,在数厘米长的IBAD-YSZ/Hastelloy金属基带模板上,采用低成本化学溶液方法依次制备出了高质量的CeO_2缓冲层和YBCO超导薄膜,获得了高达1.2MA/cm~2(77K,0T)的临界电流密度。为长超导带材的制备打下了很好的基础。提出了在金属基带上制备YBCO覆膜导体的新方法一同步织构(STEX)法。用该方法可以有效解决RABiTS方法中的金属基带热处理变软...     

Rapid preparation of the nitrate P YBCO superconductive film by AD solution deposition

用硝酸盐高分子辅助沉积法（简称PAD）来制备YB2C3O7-x（YBCO）超导薄膜,有着制备速度快、工艺简单和无环境污染等优点。采用硝酸盐水相前驱液,并加入高分子螯合剂和薄膜改性剂,然后将前驱液涂覆在LaAlO3（LAO）单基晶片上,采用快速低温分解,再经过高温烧结制备出完整的YBCO超导薄膜。在1.0×10-4 O2/N2气氛下制备的YBCO超导薄膜致密,YBCO（00l）峰取向明显,没有其它杂相峰,同时,转变起始温度TC=91K,转变宽度ΔTC=2K;在77K、自场下临界电流密度JC为约1MA/cm2。实验结果表明,采用硝酸盐PAD法的低温分解时间比传统的TFA-MOD法缩短9h左右,而且制备出的YBCO超导薄膜性能优良,该方法为以后的长带生产提供了一种新的制备技术。     

硝酸盐PAD法快速制备YBCO超导薄膜研究

用硝酸盐高分子辅助沉积法(简称PAD)来制备YB2C3O7-x(YBCO)超导薄膜,有着制备速度快、工艺简单和无环境污染等优点。采用硝酸盐水相前驱液,并加入高分子螯合剂和薄膜改性剂,然后将前驱液涂覆在LaAlO3(LAO)单基晶片上,采用快速低温分解,再经过高温烧结制备出完整的YBCO超导薄膜。在1.0×10-4 O2/N2气氛下制备的YBCO超导薄膜致密,YBCO(00l)峰取向明显,没有其它杂相峰,同时,转变起始温度TC=91K,转变宽度ΔTC=2K;在77K、自场下临界电流密度JC为约1MA/cm2。实验结果表明,采用硝酸盐PAD法的低温分解时间比传统的TFA-MOD法缩短9h左右,而且制备出的YBCO超导薄膜性能优良,该方法为以后的长带生产提供了一种新的制备技术。     

Optimization of YBCO surfaces of tunnel junctions

It is established that in YBa₂Cu₃O₇ films prepared by annealing amorphous oxide deposits, Ba segregation in the amorphous phase and YBCO decomposition after recrystallization are the major causes of surface degradation. The authors have grown films by entirely in-situ processing in which these effects are minimized. The films were epitaxially grown on (100) SrTiO ₃ substrates with the a-axis normal to the film plane. Both structural and chemical analyses indicated that they are homogeneous and have proper stoichiometry up to their surfaces. At 4.2 K, contact resistivities below 4×10^-10 ohm-cm² were obtained with gold overlayers. Junctions have been formed by depositing thin Au proximity layers over the YBCO films followed by MgO barriers and Nb counterelectrodes. In some of the junctions weak-link shorts were observed, providing unambiguous evidence that the growth procedures used can produce films that are superconducting up to their surfaces     

Fe2W型铁氧体BaFe2-x2+CoxFe163+O27(x=0.0~0.8)的微观结构和磁性

用固相法制备Fe₂W型铁氧体BaFe_2-x²⁺Co_xFe₁₆³⁺O₂₇(x=0.0~0.8),采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱仪(FT-IR)和振动样品磁强计(PPMS-VSM)等手段分析其物相组成、结构和磁性并使用Reitveld拟合分析晶体结构,研究了Co²⁺部分取代Fe²⁺的Fe₂W型铁氧体的微观结构和磁性。结果表明：所有样品都是纯相铁氧体BaFe_2-x²⁺Co_xFe₁₆³⁺O₂₇。样品具有W铁氧体结构,晶粒呈良好的六角形结构且分布均匀。用 Co取代能明显提高Fe₂W型铁氧体300 K的饱和磁化强度(M_s)。     

简单的溶胶–凝胶法制备致密的铜锌锡硫硒薄膜

采用溶胶–凝胶后硒化法制备了铜锌锡硫硒薄膜, 其薄膜表面平整、无裂纹。通过简化铜锌锡硫前驱体溶胶的制备以及后退火时避免使用硫化氢气体（H₂S）等方法使铜锌锡硫硒薄膜的制备工艺得到简化。选用低毒有机物乙二醇为溶剂,Cu(CH₃COO)₂、Zn(CH₃COO)₂、SnCl₂•2H₂O和硫脲为原料, 制备铜锌锡硫前驱体溶胶。XRD、Raman、EDX和SEM 分析表明制备的铜锌锡硫硒薄膜为锌黄锡矿结构, 所有薄膜均贫铜富锌, 用0.2 g硒粉、硒化20 min得到的铜锌锡硫硒薄膜其结晶较好, 表面晶粒可达1.0 μm左右。透射光谱分析结果表明, 随硒含量的增加, 铜锌锡硫硒薄膜的光学带隙从1.51 eV减小到1.14 eV。     

γ-NaxCoO2粉体的聚丙烯酸钠凝胶法制备及其表征

本研究发展了一种用于制备氧化物热电材料γ-Na_xCoO₂粉体的化学合成方法——聚丙烯酸钠(PAAS)凝胶法。主要研究了PAAS/Co²⁺摩尔比、原料浓度和煅烧温度对产物相组成及微观形态的影响规律, 探讨了物相形成机制, 同时用该方法结合SPS制备了不同Na离子浓度的Na_xCoO₂多晶样品, 并对其热电性能进行了表征。结果表明, PAAS/Co²⁺摩尔比对产物相组成产生了显著影响, 随着PAAS/Co²⁺摩尔比的增加, 样品的相组成由Co₃O₄相向单相γ-Na_xCoO₂转变, 合适的PAAS/Co²⁺摩尔比为0.8~1.1。而反应原料浓度对产物相组成的影响存在一个临界值(0.025 mol/L), 大于临界值抑制单相形成, 小于临界值促进单相形成。煅烧温度的升高有助于γ-Na_xCoO₂单相的形成, 800℃煅烧得到γ-Na_xCoO₂单相, 晶粒形态呈片状, 平均厚度约200 nm, 片状方向的尺寸在1~4 μm之间。随着Na含量的增加, 样品的Seebeck系数增大, 电导率增加, 热导率降低, 最终导致ZT值大幅增加。     

无氟MOD法制备YBCO超导薄膜工艺中物相的演变过程

第二代高温超导带材在电力系统和磁体领域拥有良好的应用前景, 无氟金属有机盐沉积技术(FF-MOD)以其设备成本低、晶体生长速率快、环境友好等特点, 成为研究热点。本研究通过FF-MOD技术, 在铝酸镧单晶和CeO₂/IBAD-MgO/Y₂O₃/Al₂O₃/Hastelloy C276人工基板上制备得到钇钡铜氧(YBCO)薄膜, 并对不同制备温度下的样品进行淬火, 随后对淬火样品进行了X射线衍射、扫描电子显微镜和衰减全反射红外光谱的表征, 系统地研究了高温成相过程中BaCO₃和YBCO的相演变过程。实验结果表明, 在YBCO成相过程中, BaCO₃不会与Y、Cu元素的氧化物反应直接生成YBCO晶体, 并生成的YBCO相晶体先呈随机取向, 然后在热处理的过程中(800℃左右)逐渐转化为具有双轴织构的YBCO晶体。     

Ferroelectric/superconductor heterostructures

This review covers the fabrication and characterization of ferroelectric/superconductor heterostructures such as Pb(Zr_xTi_1−x)O₃/YBa₂Cu₃O_7−δ (YBCO), BaTiO₃/YBCO and Ba_xSr_1−xTiO₃/YBCO etc. on various single crystal substrates. Pulsed laser deposition, laser molecular beam epitaxy, and magnetron-sputtering methods are compared. This report shows that pulsed laser deposition equipped with in situ reflection high-energy electron diffraction is a good method to control the growth mode of YBCO thin films. Furthermore, laser molecular beam epitaxy is a superb method for research of complex oxide films and their superlattices. Atomic force microscopy and transmission electron microscopy showed the ferroelectric films grown on the rough surface of the YBCO films produced high-density planar defects in the film and is detrimental to the ferroelectric/dielectric properties of the heterostructures. Therefore, for device usage, it is more advantageous to use SrRuO₃ than YBCO as the bottom electrode material. For growing atomically smooth surface films step-flow mode is highly recommended. Prospects of microwave device application of the ferroelectric/superconductor heterostructures are discussed, and proposed the BSTO films as the best candidate for passive microwave components.     

铁助剂对乙酸自热重整制氢用CoxAl3FeyOm±δ催化剂的影响

生物质转化获得的生物质油可作为重要的制氢原料, 选取生物质油的主要成分乙酸作为模型化合物, 开展了乙酸自热重整催化制氢研究。采用共沉淀法制备了铁促进的类水滑石型钴基催化剂, 用于乙酸自热重整制氢体系, 并利用XRD、H₂-TPR、N₂低温物理吸脱附、TG等表征手段对催化剂进行表征测试。结果表明: 通过共沉淀法获得了以类水滑石结构为前驱体的(Co/Fe)_xAl₂CO₃(OH)_y·zH₂O物相; 该前驱体经焙烧后获得的氧化物, 其主要物相为氧化铝担载的尖晶石结构, 包括CoAl₂O₄、Co₃O₄、Fe₃O₄、FeAl₂O₄等, BJH模型计算显示Co_xAl₃Fe_yO_m±δ催化剂形成了介孔结构, 其中Co_0.45Al₃Fe_0.4O_5.55±δ孔径分布集中在4 nm左右, H₂-TPR及XRD测试显示添加助剂Fe提升了催化剂还原度, 并在还原过程中形成了CoFe合金; 所获催化剂在乙酸自热重整反应中, 氢气产率达到 2.72 mol-H₂/mol-HAc, 并保持稳定。表征结果还显示, 该催化剂在反应中结构稳定, CoFe合金稳定存在, 并未出现积炭, 表明催化剂具有抗氧化、抗积碳的特点。     

Low temperature metal oxide film deposition and reaction kinetics in supercritical carbon dioxide

An effective method is developed for low temperature metal oxide deposition through thermal decomposition of metal diketonates in supercritical carbon dioxide (scCO₂) solvent. The rates of Al(acac)₃ (Aluminum acetyl acetonate) and Ga(acac)₃ (Gallium acetyl acetonate) thermal decomposition in scCO₂ to form conformal Al₂O₃ and Ga₂O₃ thin films on planar surfaces were investigated. The thermal decomposition reaction of Al(acac)₃ and Ga(acac)₃ was found to be initialized at  150 °C and 160 °C respectively in scCO₂ solvent, compared to  250 °C and 360 °C in analogous vacuum-based processes. By measuring the temperature dependence of the growth rates of metal oxide thin films, the apparent activation energy for the thermal decomposition of Al(acac)₃ in scCO₂ is found to be 68 ± 6 kJ/mol, in comparison with 80–100 kJ/mol observed for the corresponding vacuum-based thermal decomposition reaction. The enhanced thermal decomposition rate in scCO₂ is ascribed to the high density solvent which effectively reduces the energy of the polar transition states in the reaction pathway. Preliminary results of thin film deposition of other metal oxides including ZrO_x, FeO_x, Co₂O₃, Cr₂O₃, HfO_x from thermal decomposition of metal diketonates or fluorinated diketonates in scCO₂ are also presented.