超聲噴霧熱解制備涂層導(dǎo)體研究進展

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1、超聲噴霧熱解制備涂層導(dǎo)體研究進展*基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（11405089）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金資助項目（BK20130855，BK20130376）；蘇州市科技局納米技術(shù)專項基金資助項目（ZXG201444）通訊作者：劉勝利作者簡介：劉晨(1989?)，男，江西吉安人，在讀碩士，主要從事超導(dǎo)功能陶瓷研究。劉晨1,2，王海云2，3，劉勝利2，3，程杰3（1.南京郵電大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210003；2.南京大學(xué)（蘇州）高新技術(shù)研究院，江蘇蘇州215123；3.南京郵電大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210003）摘要：超聲噴霧熱解法(US

2、P)是近些年來新興的一種制備涂層導(dǎo)體的方法，使用該方法來制備涂層導(dǎo)體薄膜具有沉積速度快、廉價以及非真空等優(yōu)點。本文對USP法的基本過程進行了闡述，綜合評述了近年來采用該方法制備涂層導(dǎo)體的研究進展，并對其未來發(fā)展趨勢加以展望。關(guān)鍵詞：超聲噴霧熱解；涂層導(dǎo)體中圖分類號：O484.1；TH142.8文獻標識碼：A1引言超導(dǎo)體自發(fā)現(xiàn)以來一直是凝聚態(tài)物理學(xué)的研究熱點，其特有的零電阻性、完全抗磁性以及約瑟夫森效應(yīng)使其在薄膜器件、電力傳輸以及強磁場等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。當前電力供應(yīng)日趨緊張，然而大量電能卻被浪費在傳統(tǒng)電纜上。如果使用超導(dǎo)帶材，不僅這些損耗完全可以避免，而且可以

3、節(jié)約大量的金屬材料?；赮Ba2Cu3O7-x(YBCO)體系的超導(dǎo)帶材被稱為第二代高溫超導(dǎo)帶材[1]，它擁有高臨界磁場Hc2、高臨界電流密度Jc、低交流損耗等優(yōu)點[2]。美國能源部將超導(dǎo)譽為21世紀電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲備，且認為發(fā)展超導(dǎo)電力技術(shù)是檢驗美國將科學(xué)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用技術(shù)能力的重大實踐。美國超導(dǎo)公司(AMSC)利用該技術(shù)生產(chǎn)的帶材已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，并在變電站、限流器、船用推進機等領(lǐng)域做出了示范性工程。YBCO的結(jié)構(gòu)具有很強的各向異性，在a軸和b軸方向機械強度和臨界電流密度都較c軸方向大。目前制備第二代Y系高溫超導(dǎo)帶材的主要方法是涂層導(dǎo)體的方法，建立所謂的磚

4、墻結(jié)構(gòu)，其架構(gòu)如圖1所示。實用化的高溫超導(dǎo)帶材要求其臨界電流密度必須達到1MA/cm2，良好的薄膜取向、晶界的最小化、元素擴散的限制等被認為是獲得高臨界電流密度的重要因素。為了獲得大的臨界電流密度，必須使所有YBCO晶粒的a-b面都盡量保持在同一平面上，這樣電子就能輕易在Cu-O面上傳導(dǎo)，所以要進入雙軸織構(gòu)。StabilizinglayerAlignedsuperconductinglayerBufferlayerMetallicsubstrate圖1涂層導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)Figure1Thebasicstructureofcoatedconductor獲得薄膜織構(gòu)的常

5、用方法是在單晶或者雙軸織構(gòu)的襯底上通過氣相[3]或者液相[4]的異質(zhì)外延獲得。涂層導(dǎo)體雙軸織構(gòu)的制備方法主要包括物理沉積和化學(xué)沉積。比較成熟的物理沉積包括磁控濺射、電子束蒸發(fā)沉積、脈沖激光沉積(PLD)，而化學(xué)沉積方法主要是金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、溶膠-凝膠(sol-gel)、金屬有機物沉積(MOD)等[5-7]方法。連續(xù)制備長帶的成本是高溫超導(dǎo)帶材實用化的關(guān)鍵因素之一，這取決于制備方法是否需要高真空條件、過程的復(fù)雜性、原料價格以及環(huán)境污染等。超聲噴霧熱解法（USP）結(jié)合了氣相法和液相法制備薄膜技術(shù)的優(yōu)勢，具有沉積速度快、廉價以及非真空等優(yōu)點，因此逐漸引

6、起人們的重視。圖2(a)為其劉晨等：超聲噴霧熱解制備涂層導(dǎo)體研究進展簡易裝置示意圖，主要由霧化系統(tǒng)和沉積系統(tǒng)組成，兩系統(tǒng)通過一根吸管狀的石英噴嘴連接起來，石英噴嘴與襯底間的距離控制在15-20cm，預(yù)加熱區(qū)域的作用是加速干燥和分解前驅(qū)物。超聲波霧化器將適量的硝酸鹽前驅(qū)液霧化成小液滴，然后在Ar/O2混合載氣的推動力下，小液滴經(jīng)預(yù)加熱區(qū)到達沉積室的熱襯底上，經(jīng)溶質(zhì)間的熱分解反應(yīng)等過程，最終形成薄膜。Ar+O2ABCD霧化液滴計量汞前驅(qū)液噴霧器劉晨等：超聲噴霧熱解制備涂層導(dǎo)體研究進展沉積物石英噴嘴氣化預(yù)加熱區(qū)襯底小微粒襯底加熱器(a)(b)圖2超聲噴霧熱解裝置及過程示意

7、圖Figure2Aschematicdiagramofultrasonicspraypyrolysisanddepositionprocess劉晨等：超聲噴霧熱解制備涂層導(dǎo)體研究進展劉晨等：超聲噴霧熱解制備涂層導(dǎo)體研究進展噴霧熱分解是將霧化的小液滴噴向熱襯底上，由于存在溶液霧化程度、爐內(nèi)溫度等條件的差異，使霧化的小液滴到達襯底前有不同變化過程。圖2(b)為噴霧熱解過程的示意圖，可以看出其發(fā)生的變化過程有4種。A過程：小液滴到達襯底，溶劑蒸發(fā)氣化并在襯底表面干燥沉積，最后溶質(zhì)反應(yīng)形成膜；B過程：小液滴在到達襯底表面之前溶劑蒸發(fā)，然后固相沉積物在襯底表面撞擊，反應(yīng)形