专利名称：基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及新型氧化物高温超导领域，涉及一种基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层及其制备方法，尤其涉及一种基于IBAD-MgO金属基带的单层CeO2隔离层及其制备方法。
背景技术：
高温超导材料具有零电阻和完全抗磁性等特点，在电力传输、交通运输、医疗设备、新能源等领域有着广阔的应用前景。与商业化的铋系(Bi2Sr2Ca2Cu3Oy，简称BSCC0)第一代高温超导线材相比，钇系(YBa2Cu307_ x，简称YBC0)第二代高温超导带材具有较高的不可逆场和磁场下载流能力、较低的交流损耗等，在强电领域有着潜在的产业化应用前景。在第二代高温超导涂层导体的研制中，如何获得具有双轴织构特性的带材是关键。双轴织构可以通过金属基底提供，也可以在制备隔离层时产生。目前有2种主要技术路线:轧制辅助双轴织构基带技术(Rolling Assisted Biaxial Textured Substrate,简称为RABiTS)和离子束辅助沉积技术(1n Beam Assisted Deposition,简称为IBAD)。其中，IBAD技术路线对基底的选择及其织构无特殊要求，不需使用具有一定取向的双轴织构基底，且基底的晶格常数也不要求与超导薄膜相匹配，利用IBAD技术可以直接在非织构多晶金属基底甚至非晶基底上生长具有立方织构的隔离层，如哈氏合金、不锈钢等都可以作为基底材料。IBAD技术是利用高能离子束轰击靶材，使其蒸发并沉积到无织构的金属基带上，在沉积过程中同时利用一定取向的辅助离子束去轰击正在生长的薄膜。该技术已被证明是人工控制薄膜取向和织构度最有效的方法之一，也是制备第二代高温超导长带带材一种最有前景的技术路线。IBAD技术 路线中，织构层常用的材料有YSZ (钇稳定氧化锆)、GZO(Gd2Zr2O7), MgO，前两者需要500-1000 nm厚度才能获得较好的双轴织构度，效率慢，不适用于商业化生产。而MgO只需10 nm左右，其面内织构度最好已达到了 6-7°，这使得IBAD技术路线制备隔离层的速度提高了近百倍，能满足第二代高温超导长带带材连续、快速、批量化生产的要求。然而，IBAD-MgO织构层和REBCO超导层之间存在较大的晶格失配度(7.6%)，通过引入与超导层的晶格常数、化学性质、热膨胀系数相匹配的材料作为隔离层可以有效解决这个问题，如CeO2、LaMnO3 (LM0)、SrTi03等。目前，在IBAD-MgO金属基带上，国内外通常采用的氧化物隔离层为双层复合结构，比如:RF-LaMn03/RF-Mg0/IBAD_Mg0、PLD-Ce02/RF-Mg0/IBAD-MgO 和 PLD-Ce02/RF_LaMn03/IBAD-Mg0，即先利用射频磁控溅射(RF)技术在 IBAD-MgO金属基带上同质外延MgO隔离层或异质外延LaMnO3隔离层，然后再采用射频磁控溅射法制备LaMnO3隔离层或脉冲激光沉积法(PLD)制备CeO2隔离层。如图1所示，金属基带上沉积氧化物阻挡层，氧化物阻挡层上沉积BAD-MgO基带，在BAD-MgO基带上采用磁控溅射方法依次外延生长MgO层和LMO (LaMnO3)层，再在LMO层上沉积超导层。
然而，LaMn03/Mg0、Ce02/Mg0和Ce02/LaMn03这三种复合隔离层均采用双层结构，使得制备工艺复杂，不利于成膜质量的控制，也不利于降低成本。另外，由于复合隔离层结构中每一层的最佳厚度只需几十到几百纳米，所以在公里级长带的工业化生产中对镀膜工艺的稳定性要求较高。单从工艺研发方面，若能简化复合隔离层结构，减少隔离层数，将会大大降低镀膜成本，提高第二代高温超导带材的性价比。
发明内容
本发明提供一种基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层及其制备方法，在IBAD-MgO金属基带上，采用经简化了的单层CeO2隔离层结构代替复杂的LaMn03/Mg0、Ce02/MgO和CeO2ZlaMnO3双层复合隔离层结构，简化了复合隔离层结构，减少了隔离层层数，大大降低了镀膜成本。为了达到上述目的，本发明提供一种基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层，该简化隔尚层为单层CeO2隔尚层，该单层CeO2隔尚层的厚度为50_500 nm。本发明还提供一种制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，该方法使用射频磁控溅射方法在IBAD-MgO金属基带上制备单层CeO2隔离层，该方法包含以下步骤:
步骤1、将纯度为99.9%的CeO2靶材装入射频磁控溅射镀膜系统内；
步骤2、将已经用离子束辅助沉积IBAD方法制备了 MgO织构层的金属基带固定在镀膜室内的样品架上；
步骤3、关好射频磁控溅射镀膜系统的腔体，先后开启机械泵和分子泵进行抽真空，使腔体内真空度达到镀膜所需；
步骤4、启动加热 器，将加热器温度设定为CeO2隔离层镀膜工艺所需的值，进行升温过
程;
步骤5、待加热器温度稳定后，打开氩气和氧气流量显示仪，向腔体内通入一定比例的氩气和氧气，通过控制分子泵的插板阀，将混合气体的总气压调节到CeO2隔离层镀膜工艺所需的值；
步骤6、开启射频溅射电源开关，将射频电流和射频电压调节到CeO2隔离层镀膜工艺所需的值；
步骤7、等温度、气压、射频电流、射频电压稳定后，打开射频溅射开关，开始对CeO2靶材表面进行预溅射处理；
步骤8、将靶材与金属基带之间的距离调节到所需值，等靶面辉光稳定后，将样品架的挡板阀打开，开始镀膜；
步骤9、经过&02隔离层镀膜工艺所需的时间后，镀膜结束，关闭射频溅射开关，将射频电流和射频电压调至零，关闭加热器，关闭氩气和氧气，关闭磁控溅射仪器，待样品自然冷却至室温后，取出样品。所述的步骤3中，抽真空后腔体内的背景真空度为IX 10义6 X I(T4 Pa。所述的步骤4中，CeO2隔离层镀膜工艺所需的温度值为600-800 。所述的步骤5中,气体的流量由质量流量计来控制,気气流量为10-20 sccm,氧气流量为5-10 sccm ;混合气体中氩气所占的比例为50%-80%，氧气所占的比例为20%_50% ；CeO2隔离层镀膜工艺所需的总气压值为3-24 Pa。所述的步骤6中，CeO2隔离层镀膜工艺所需的射频电流值为100-160 mA，射频电压值为0.5-1.0 kV，射频功率值为50-160 W。所述的步骤7中，CeO2靶材表面预溅射的时间为5_10 min。所述的步骤8中，靶材与金属基带之间的距离为3-7 cm。所述的步骤9中，CeO2隔离层镀膜工艺所需的镀膜时间为2_5 h。本发明采用经简化了的简化隔离层代替传统的RF-LaMn03/RF-Mg0、PLD-CeO2/RF-MgO和PLD-Ce02/RF_LaMn03双层复合隔离层结构。与国内外采用的复合隔离层相比，本发明提供的简化隔离层以及其制备方法具有以下优点:
1、隔尚层结构间单，制备工艺各易控制；
2、所需设备价格较低廉，大大降低制备成本；
3、设备稳定性好，工艺可重复性和可靠性高；
4、所得薄膜的质量高、表面光滑、致密性好、结合力强；
5、所得薄膜的颗粒大小均匀可控。
图1是背景技术中基于IBAD-MgO金属基带的LaMn03/Mg0双层隔离层结构示意 图2是本发明提供的基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层结构示意 图3是本发明提供的基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的三维AFM照片；
图4是本发明提供的基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的X射线Θ-2Θ衍射谱
图5是本发明提供的基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的X射线ω扫描衍射谱
图6是本发明提供的基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的X射线Φ扫描衍射谱图。
具体实施例方式以下根据图2 图6，具体说明本发明的较佳实施例。实施例1
一种制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，该方法包含以下步骤:
步骤1、将纯度为99.9%的CeO2靶材装入射频磁控溅射镀膜系统内；
步骤2、将已经用离子束辅助沉积(IBAD)方法制备了 MgO的金属基带固定在镀膜室内的样品架上；
步骤3、关好腔体，先后开启机械泵和分子泵进行抽真空，使腔体内真空度达到I X 10_4
Pa ；
步骤4、启动加热器，将加热器温度设定为800 ,进行升温过程；
步骤5、待加热器温度稳定后，打开氩气和氧气流量显示仪，向腔体内通入氩气和氧气，气体的流量由质量流量计来控制， IS气流量为20 sccm,氧气流量为5 sccm,混合气体中気气所占的比例为80%，氧气所占的比例为20%，通过控制分子泵的插板阀，将混合气体的总气压调节到24 Pa ；
步骤6、开启射频溅射电源开关，将射频电流调节到160 mA，将射频电压调节到射频电压值为1.0kV，射频功率值为160 W ；
步骤7、等温度、气压、射频电流、射频电压稳定后，打开射频溅射开关，开始对CeO2靶材表面进行时间为5 min的预溅射；
步骤8、将靶材与金属基带的距离调节到7 cm，等靶面辉光稳定后，将样品架的挡板阀打开，开始镀膜； 步骤9、镀膜2 h后，镀膜结束，关闭射频溅射开关，将射频电流和射频电压调至零，关闭加热器，关闭氩气和氧气，关闭磁控溅射仪器，待样品自然冷却至室温取出。
实施例2
一种制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，该方法包含以下步骤:
步骤1、将纯度为99.9%的CeO2靶材装入射频磁控溅射镀膜系统内；
步骤2、将已经用离子束辅助沉积(IBAD)方法制备了 MgO的金属基带固定在镀膜室内的样品架上；
步骤3、关好腔体，先后开启机械泵和分子泵进行抽真空处理，使腔体内真空度达到6 \ 1(Γ4 Pa ；
步骤4、启动加热器，将加热器温度设定为600气'进行升温过程；
步骤5、待加热器温度稳定后，打开氩气和氧气流量显示仪，向腔体内通入氩气和氧气，气体的流量由质量流量计来控制，IS气流量为10 sccm,氧气流量为10 sccm,混合气体中気气所占的比例为50%，氧气所占的比例为50%，通过控制分子泵的插板阀，将混合气体的总气压调节到3Pa ；
步骤6、开启射频溅射电源开关，将射频电流调节到100 mA，将射频电压调节到射频电压值为0.5 kV，射频功率值为50W ；
步骤7、等温度、气压、射频电流、射频电压稳定后，打开射频溅射开关，开始对CeO2靶材表面进行时间为10 min的预溅射；
步骤8、将靶材与金属基带的距离调节到3 cm，等靶面辉光稳定后，将样品架的挡板阀打开，开始镀膜；
步骤9、镀膜5 h后，镀膜结束，关闭射频溅射开关，将射频电流和射频电压调至零，关闭加热器，关闭氩气和氧气，关闭磁控溅射仪器，待样品自然冷却至室温取出。
实施例3
一种制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，该方法包含以下步骤:
步骤1、将纯度为99.9%的CeO2靶材装入射频磁控溅射镀膜系统内；
步骤2、将已经用离子束辅助沉积(IBAD)方法制备了 MgO的金属基带固定在镀膜室内的样品架上；
步骤3、关好腔体，先后开启机械泵和分子泵进行抽真空处理，使腔体内真空度达到3 \I (T4 Pa ；
步骤4、启动加热器，将加热器温度设定为700 ,进行升温过程；步骤5、待加热器温度稳定后，打开氩气和氧气流量显示仪，向腔体内通入氩气和氧气，气体的流量由质量流量计来控制，IS气流量为12 sccm,氧气流量为8 sccm,混合气体中気气所占的比例为60%，氧气所占的比例为40%，通过控制分子泵的插板阀，将混合气体的总气压调节到12Pa ；
步骤6、开启射频溅射电源开关，将射频电流调节到130 mA，将射频电压调节到射频电压值为0.8 kV，射频功率值为104 W ；
步骤7、等温度、气压、射频电流、射频电压稳定后，打开射频溅射开关，开始对CeO2靶材表面进行时间为8 min的预溅射；
步骤8、将靶材与金属基带的距离调节到5 cm，等靶面辉光稳定后，将样品架的挡板阀打开，开始镀膜；
步骤9、镀膜3 h后，镀膜结束，关闭射频溅射开关，将射频电流和射频电压调至零，关闭加热器，关闭氩气和氧气，关闭磁控溅射仪器，待样品自然冷却至室温取出。
实施例4
一种制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，该方法包含以下步骤:
步骤1、将纯度为99.9%的CeO2靶材装入射频磁控溅射镀膜系统内；
步骤2、将已经用离子束辅助沉积(IBAD)方法制备了 MgO的金属基带固定在镀膜室内的样品架上；
步骤3、关好腔体，先后开启机械泵和分子泵进行抽真空处理，使腔体内真空度达到5 X 10-4Pa ；
步骤4、启动加热器，将加热器温度设定为750 ' Γ ,进行升温过程；
步骤5、待加热器温度稳定后，打开氩气和氧气流量显示仪，向腔体内通入氩气和氧气，气体的流量由质量流量计来控制，IS气流量为14 sccm,氧气流量为6 sccm,混合气体中気气所占的比例为70%，氧气所占的比例为30%，通过控制分子泵的插板阀，将混合气体的总气压调节到18 Pa ；
步骤6、开启射频溅射电源开关，将射频电流调节到120 mA，将射频电压调节到射频电压值为0.7 kV，射频功率值为84 W ；
步骤7、等温度、气压、射频电流、射频电压稳定后，打开射频溅射开关，开始对CeO2靶材表面进行时间为5 min的预溅射；
步骤8、将靶材与金属基带的距离调节到5 cm，等靶面辉光稳定后，将样品架的挡板阀打开，开始镀膜；
步骤9、镀膜4 h后，镀膜结束，关闭射频溅射开关，将射频电流和射频电压调至零，关闭加热器，关闭氩气和氧气，关闭磁控溅射仪器，待样品自然冷却至室温取出。
如图2所示，是本发明提供的基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层结构示意图，金属基带I上沉积氧化物阻挡层2，氧化物阻挡层2上沉积IBAD-MgO基带层3，IBAD-MgO基带层3沉积CeO2缓冲层4, CeO2缓冲层4上沉积超导层5,本发明提供一种基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层，该简化隔离层为单层CeO2隔离层，该单层CeO2隔离层的厚度为50-500nm。图3所示为在IBAD-MgO金属基带上制备的CeO2隔离层的原子力显微镜(AFM)三维照片。从图3中可以看出，CeO2颗粒大小均匀，平均大小约为200 nm，且其表面光滑，在20 X 20 μ m2区域的均方根表面粗糙度为4.9 nm。图4所示为在IBAD-MgO金属基带上制备的CeO2隔离层的X射线Θ -2 Θ衍射谱图。在图4中，除了金属基带Ni (111)和Ni (002)的峰外，只观察到CeO2 (002)峰，且非常强，证明CeO2隔离层具有单一的c轴垂直于基带表面的外延取向，无其它杂相。图5所示为在IBAD-MgO金属基带上制备的CeO2隔离层的X射线ω扫描衍射谱图。在图5中，CeO2隔离层的面外织构度为1.39度，可见具有高的面外织构度。图6所示为在IBAD-MgO金属基带上制备的CeO2隔离层的X射线Φ扫描衍射谱图。在图6中，每隔90度出现一个衍射峰，证明CeO2隔离层具有四重对称性，且其面内织构度为5.29度。本发明是在静态镀膜设备上完成的，但工艺方案和工艺参数按比例放大后同样适用于大规模工业化动态镀膜设备。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显 而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层，该简化隔离层沉积在IBAD-MgO金属基带上，其特征在于，该简化隔离层为单层CeO2隔离层。
2.如权利要求1所述的基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层，其特征在于，该简化隔离层的厚度为50-500 nm。
3.一种制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，该方法使用射频磁控溅射方法在IBAD-MgO金属基带上制备CeO2隔离层，其特征在于，该方法包含以下步骤: 步骤1、将纯度为99.9%的CeO2靶材装入射频磁控溅射镀膜系统内； 步骤2、将已经用离子束辅助沉积IBAD方法制备了 MgO织构层的金属基带固定在镀膜室内的样品架上； 步骤3、关好射频磁控溅射镀膜系统的腔体，先后开启机械泵和分子泵进行抽真空，使腔体内真空度达到镀膜所需； 步骤4、启动加热器，将加热器温度设定为CeO2隔离层镀膜工艺所需的值，进行升温过程; 步骤5、待加热器 温度稳定后，打开氩气和氧气流量显示仪，向腔体内通入一定比例的氩气和氧气，通过控制分子泵的插板阀，将混合气体的总气压调节到CeO2隔离层镀膜工艺所需的值； 步骤6、开启射频溅射电源开关，将射频电流和射频电压调节到CeO2隔离层镀膜工艺所需的值； 步骤7、等温度、气压、射频电流、射频电压稳定后，打开射频溅射开关，开始对CeO2靶材表面进行预溅射处理； 步骤8、将靶材与金属基带之间的距离调节到所需值，等靶面辉光稳定后，将样品架的挡板阀打开，开始镀膜； 步骤9、经过&02隔离层镀膜工艺所需的时间后，镀膜结束，关闭射频溅射开关，将射频电流和射频电压调至零，关闭加热器，关闭氩气和氧气，关闭磁控溅射仪器，待样品自然冷却至室温后，取出样品。
4.如权利要求3所述的制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，其特征在于，所述的步骤3中，抽真空后腔体内的背景真空度为IX 10文6 X I(T4 Pa。
5.如权利要求3所述的制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，其特征在于，所述的步骤4中，CeO2隔离层镀膜工艺所需的温度值为600-800 。
6.如权利要求3所述的制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，其特征在于，所述的步骤5中，气体的流量由质量流量计来控制，気气流量为10-20 sccm，氧气流量为5-10 sccm ;混合气体中氩气所占的比例为50%-80%，氧气所占的比例为20%_50% ；Ce02隔离层镀膜工艺所需的总气压值为3-24 Pa。
7.如权利要求3所述的制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，其特征在于，所述的步骤6中，CeO2隔离层镀膜工艺所需的射频电流值为100-160 mA，射频电压值为0.5-1.0 kV，射频功率值为50-160 W。
8.如权利要求3所述的制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，其特征在于，所述的步骤7中，CeO2祀材表面预派射的时间为5-10 mirio
9.如权利要求3所述的制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，其特征在于，所述的步骤8中，靶材与金属基带之间的距离为3-10 cm。
10.如权利要求3所述的制备基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层的方法，其特征在于，所述的步骤9中， CeO2隔离层镀膜工艺所需的镀膜时间为2-5 h。
全文摘要
一种基于IBAD-MgO金属基带的简化隔离层及其制备方法，在IBAD-MgO金属基带上，采用经简化了的单层CeO2隔离层结构代替复杂的LaMnO3/MgO、CeO2/MgO和CeO2/LaMnO3双层复合隔离层结构，简化了复合隔离层结构，减少了隔离层层数，大大降低了镀膜成本，工艺可重复性和可靠性高，所得薄膜的质量高、表面光滑、致密性好、结合力强，所得薄膜的颗粒大小均匀可控。
文档编号H01B13/00GK103215546SQ20131017692
公开日2013年7月24日 申请日期2013年5月14日 优先权日2013年5月14日
发明者李贻杰, 刘林飞, 肖桂娜 申请人:上海超导科技股份有限公司