超声喷雾热解制备涂层导体研究进展

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1、超声喷雾热解制备涂层导体研究进展*基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目（11405089）；江苏省自然科学基金青年基金资助项目（BK20130855，BK20130376）；苏州市科技局纳米技术专项基金资助项目（ZXG201444）通讯作者：刘胜利作者简介：刘晨(1989−)，男，江西吉安人，在读硕士，主要从事超导功能陶瓷研究。刘晨1,2，王海云2，3，刘胜利2，3，程杰3（1.南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京210003；2.南京大学（苏州）高新技术研究院，江苏苏州215123；3.南京邮电大学理学院，江

2、苏南京210003）摘要：超声喷雾热解法(USP)是近些年来新兴的一种制备涂层导体的方法，使用该方法来制备涂层导体薄膜具有沉积速度快、廉价以及非真空等优点。本文对USP法的基本过程进行了阐述，综合评述了近年来采用该方法制备涂层导体的研究进展，并对其未来发展趋势加以展望。关键词：超声喷雾热解；涂层导体中图分类号：O484.1；TH142.8文献标识码：A1引言超导体自发现以来一直是凝聚态物理学的研究热点，其特有的零电阻性、完全抗磁性以及约瑟夫森效应使其在薄膜器件、电力传输以及强磁场等领域有着广泛的应用前景。当前电力供应日趋

3、紧张，然而大量电能却被浪费在传统电缆上。如果使用超导带材，不仅这些损耗完全可以避免，而且可以节约大量的金属材料。基于YBa2Cu3O7-x(YBCO)体系的超导带材被称为第二代高温超导带材[1]，它拥有高临界磁场Hc2、高临界电流密度Jc、低交流损耗等优点[2]。美国能源部将超导誉为21世纪电力工业唯一的高技术储备，且认为发展超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践。美国超导公司(AMSC)利用该技术生产的带材已经实现了商业化，并在变电站、限流器、船用推进机等领域做出了示范性工程。YBCO的结构具有很

4、强的各向异性，在a轴和b轴方向机械强度和临界电流密度都较c轴方向大。目前制备第二代Y系高温超导带材的主要方法是涂层导体的方法，建立所谓的砖墙结构，其架构如图1所示。实用化的高温超导带材要求其临界电流密度必须达到1MA/cm2，良好的薄膜取向、晶界的最小化、元素扩散的限制等被认为是获得高临界电流密度的重要因素。为了获得大的临界电流密度，必须使所有YBCO晶粒的a-b面都尽量保持在同一平面上，这样电子就能轻易在Cu-O面上传导，所以要进入双轴织构。StabilizinglayerAlignedsuperconductingl

5、ayerBufferlayerMetallicsubstrate图1涂层导体的基本结构Figure1Thebasicstructureofcoatedconductor获得薄膜织构的常用方法是在单晶或者双轴织构的衬底上通过气相[3]或者液相[4]的异质外延获得。涂层导体双轴织构的制备方法主要包括物理沉积和化学沉积。比较成熟的物理沉积包括磁控溅射、电子束蒸发沉积、脉冲激光沉积(PLD)，而化学沉积方法主要是金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶(sol-gel)、金属有机物沉积(MOD)等[5-7]方法。连续制备长

6、带的成本是高温超导带材实用化的关键因素之一，这取决于制备方法是否需要高真空条件、过程的复杂性、原料价格以及环境污染等。超声喷雾热解法（USP）结合了气相法和液相法制备薄膜技术的优势，具有沉积速度快、廉价以及非真空等优点，因此逐渐引起人们的重视。图2(a)为其刘晨等：超声喷雾热解制备涂层导体研究进展简易装置示意图，主要由雾化系统和沉积系统组成，两系统通过一根吸管状的石英喷嘴连接起来，石英喷嘴与衬底间的距离控制在15-20cm，预加热区域的作用是加速干燥和分解前驱物。超声波雾化器将适量的硝酸盐前驱液雾化成小液滴，然后在Ar/

7、O2混合载气的推动力下，小液滴经预加热区到达沉积室的热衬底上，经溶质间的热分解反应等过程，最终形成薄膜。Ar+O2ABCD雾化液滴计量汞前驱液喷雾器刘晨等：超声喷雾热解制备涂层导体研究进展沉积物石英喷嘴气化预加热区衬底小微粒衬底加热器(a)(b)图2超声喷雾热解装置及过程示意图Figure2Aschematicdiagramofultrasonicspraypyrolysisanddepositionprocess刘晨等：超声喷雾热解制备涂层导体研究进展刘晨等：超声喷雾热解制备涂层导体研究进展喷雾热分解是将雾化的小液滴喷

8、向热衬底上，由于存在溶液雾化程度、炉内温度等条件的差异，使雾化的小液滴到达衬底前有不同变化过程。图2(b)为喷雾热解过程的示意图，可以看出其发生的变化过程有4种。A过程：小液滴到达衬底，溶剂蒸发气化并在衬底表面干燥沉积，最后溶质反应形成膜；B过程：小液滴在到达衬底表面之前溶剂蒸发，然后固相沉积物在衬底表面撞击，反应形