YBCO超导薄膜的制备及其表征.ppt

YBCO超导薄膜的制备及表征 主要内容 YBCO超导体的结构 图1 YBCO超导体的晶体结构 衬底基片的要求与选择 基片的清洗 超导薄膜的制备方法 3.薄膜的制备方法 * YBCO超导体的结构 YBCO超导薄膜的制备 YBCO超导薄膜的表征 晶体结构：层状钙钛矿型结构 　 转变温度: Tc=92K　　　 所属晶系： 正交晶系 （a≠b≠c； ） 空间群：Ｐmmm 晶格常数：　a=0.38177nm 　 b=0.38836nm 　 c=1.16872nm 在YBa2Cu3O7-δ的晶体结构中，Cu原子占据着两个不同的位置：2/3的铜原子在Cu—O面上,1/3的铜原子在沿b方向的Cu—O链上。Cu—O链上O(1)很容易进出，它的进出对应δ的变化。如图1所示，a为正交晶系的YBa2Cu3O7-δ，b为正交-四方相变，c为四方晶系的YBa2Cu3O6。Y-123的很多性质均随着氧含量的不同而发生变化，在δ0.2时，晶体属于正交晶系，空间群Pmmm, 大约在0.6~1.0区间内时，7-δ个氧原子随机分布在晶胞两端的Cu—Cu之间，此时晶格为四方结构，空间群P4/mmm。 通常，YBCO薄膜的导电是需要超导电子尽可能的沿a-b平面（Cu-O导电层）传导，这就需要YBCO晶粒沿c轴外延生长，而且要尽量避免a轴或者其它取向生长。因为a轴生长的晶粒会引入大角度晶界，不利于YBCO薄膜的超导电性能。 氧化物超导体除具有钙钛矿型的基本结构特征外，其结构共性可以归纳如下： （1）具有层状钙钛矿型结构。它们的晶格常数a和b都接近于0.38nm，这一数值时由Cu-O键长决定的；晶格常数c随层状结构中层数的改变而改变。 （2）分别由CuO6八面体、 CuO5正四棱锥、 CuO4平面四边形组成的铜氧平面是氧化物超导体共有的，也是对超导电性起至关重要的结构特征。 （3）所有铜氧配位多面体的相互连接方式只能采取共顶点的形式，而不能采取共棱或共面的形式。 （4）所有已知的氧化物超导体的对称性仅限于四方或正交晶系，尚未发现存在于低级晶系中的氧化物超导体。 （5）氧的含量和分布对氧化物超导体的结构和超导电性都具有重要的影响。随着氧含量的变化，结构发生四方-正交相变、金属-绝缘相变和正常态-超导态转变等等。 MOD法制备YBCO超导薄膜 1.衬底基片的要求与选择 高温超导薄膜必须是制备在晶格匹配的衬底上的外延晶体薄膜。为了满足外延生长(即膜与衬底之间的晶格匹配)的需要，就要利用单晶衬底；此外在衬底表面上原子的周期性排列必须与高温超导体中原子的周期性排列近似对应，以使外延生长成为可能，这是一种被称为晶格匹配的过程。在基片的选择上,由于高温超导薄膜的制备需要在500℃－900℃的高温下进行，而且要求薄膜是外延生长的，这就对基片提出了以下要求： (l)在高温过程中，要求基片与薄膜之间没有扩散，或即使有很少的扩散也不会影响薄膜的超导性能。 (2)为得到外延生长的薄膜，基片必须是单晶，晶格常数要与超导材料匹配。 (3)为避免在成膜过程或实际应用中由于温度的升降循环导致薄膜产生微裂纹，要求基片的热膨胀系数与超导材料的接近。 (4)基片材料能够生长出尺寸足够大的单晶，有足够机械强度及化学稳定性。 - - - - 10~15 a= 3.82 b= 3.89 c=11.68 正交 YBCO 300 1MHz 1.8*10-3 25 10.6 a=5.519 b=5.494 c= 7.77 正交 LaGaO3 300 77 10 10 5.8*10-4 8.3*10-5 16 16 10 3.788 立方 LaAlO3 300 77 - 9 2*10-4 1.5*10-6 9.5 11.5 8.6(平行c) 7.8(垂直c) a=4.76 c=13.0 六角 Al2O3 300 80 10~1000 10~100 9*10-4 4*10-6 9.87 9.60 13.8 4.203 立方 MgO 300 80 10~1000 10~100 1.6*10-2 7.5*10-2 26 25 10 5.16 立方 YSZ 300 80 10~1000 10~1000 3*10-2 6*10-2 310 1900 8.6 3.905 立方 SrTiO3 T(K) f(GHZ) tgδ 介电常数 热膨系数(10-6/℃) 晶格常数(?) 晶系 名称 几种常见的基片材料与YBCO