專利名稱：一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法，尤其涉及一種適用于制備高溫超導(dǎo)覆膜導(dǎo)體的成膜方法。利用該方法可以滿足超導(dǎo)長帶材和大面積膜對熱處理過程中的燒結(jié)溫度和氣氛氣流的均勻性和精確性的要求，從而可以有效制備出性能均一良好的超導(dǎo)長帶材和大面積薄膜。
本發(fā)明還涉及一種根據(jù)此方法的氣氛可控旋轉(zhuǎn)加熱爐裝置。
背景技術(shù)：
高溫超導(dǎo)器件發(fā)展至今已取得了令人矚目的成果.現(xiàn)在，以銅氧化物粉末裝管技術(shù)(OPIT)為特征的鉍系線材已經(jīng)成功實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，千米級線材可以在世界范圍內(nèi)從幾個公司方便得到。目前美國超導(dǎo)公司、日本住友電氣公司、中國英納超導(dǎo)公司都具有年產(chǎn)200公里以上鉍系帶材的生產(chǎn)能力。但是，鉍系超導(dǎo)體在77K以上時，超導(dǎo)性能急劇下降；而且按照現(xiàn)在的生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平，Bi系銀包套帶材的價格很難低于$50/千安·米?；谝陨系脑?，超導(dǎo)界將目標(biāo)轉(zhuǎn)向新的高溫超導(dǎo)材料-YBCO涂層導(dǎo)體的研制。經(jīng)過多年的探索，具有良好高場性能的YBCO高溫超導(dǎo)覆膜導(dǎo)體研究取得了重要成就。采用真空技術(shù)生長在單晶基底上的高溫超導(dǎo)覆膜導(dǎo)體已經(jīng)獲得了成功的電子學(xué)應(yīng)用，如SQUID器件、高溫超導(dǎo)濾波器等。為了實現(xiàn)上述應(yīng)用，必須要求首先制備大面積均勻的單面或者雙面YBCO超導(dǎo)薄膜。對于這類薄膜的制備，一般采用脈沖激光沉積、磁控濺射、電子束共蒸發(fā)等真空方法。雖然也有采用非真空方法成功制備大面積均勻薄膜的報道，但都沒有公開制作的工藝細(xì)節(jié)。
另一方面，對于大規(guī)模的導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域，如電力傳輸、磁能存儲、電動機等等，通常采用金屬基底。由于金屬基底通常不具有和單晶基底一樣滿足超導(dǎo)膜外延生長所要求的雙軸取向度，在超導(dǎo)薄膜外延生長前，通常在金屬基底上預(yù)先生成一層或多層中間過渡層，以便建立起適合超導(dǎo)膜外延生長的雙軸織構(gòu)和阻止金屬基底原子向超導(dǎo)膜的擴散(會損害超導(dǎo)膜的性能)。這樣高溫超導(dǎo)器件中的高溫超導(dǎo)薄膜通常是一種多層結(jié)構(gòu)，其中包括基底、中間過渡層(阻擋層)和高溫超導(dǎo)膜本身。目前，制備YBCO覆膜導(dǎo)體的工藝有很多，主要分為兩大類一類是真空工藝，主要有離子束輔助沉積法(IBAD)、軋制輔助雙軸織構(gòu)法(RABiTS)、修飾偏正噴濺法(MBS)、傾斜基底沉積法(ISD)、脈沖激光沉積法(PLD)、濺射法、電子束蒸發(fā)法(e-beam evaporation)和金屬有機化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)等；這些工藝提出了幾種方案用于促進在不能提供外延模板(template)的金屬襯底上雙軸取向緩沖層的生長。一種方案是傾斜基底沉積法(ISD)。這種方法不需要織構(gòu)的基底，通過調(diào)整基底與氣相源軸線的傾角，獲得雙軸取向的緩沖層生長。但為了獲得要求的雙軸取向度，需要沉積一層厚膜(對于YSZ，大約1μm)。另外一種在柔性金屬基帶上制備超導(dǎo)帶的方法是離子束輔助沉積法(IBAD)。IBAD工藝在薄膜沉積的同時，采用一束傾斜的離子束對沉積膜進行轟擊，從而獲得雙軸取向的阻擋層。這個工藝的優(yōu)點是幾乎可以在任何基底上形成要求的雙軸取向阻擋層。但與此同時，與ISD一樣，為了獲得要求的雙軸取向度，也需要沉積厚的薄膜。但IBAD工藝的低沉積速率，使得這種技術(shù)不太適合于實際的工業(yè)應(yīng)用。另外一種方法是軋制輔助雙軸織構(gòu)法(RABiTS)。這種工藝采用金屬軋制和熱退火技術(shù)直接在金屬基帶上誘發(fā)雙軸取向，然后采用物理或者化學(xué)氣相沉積的方法在真空或者非真空系統(tǒng)中依次外延緩沖層和超導(dǎo)層?？傮w來說，真空方法的優(yōu)點是形成的材料具有較好的平整度和織構(gòu)，缺陷少，臨界電流密度高，其缺點是生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)效率較低，這樣就難以實現(xiàn)大規(guī)模的導(dǎo)體應(yīng)用，如電力傳輸、磁能存儲、電動機等。
另一類是非真空工藝。制備高溫超導(dǎo)覆膜導(dǎo)體的非真空方法一般包括溶膠凝膠法(sol-gel)、氣溶膠/噴霧熱分解法(Aerosols/spray pyrolysis)、金屬有機物沉積法(MOD)、電泳法(electrophoresis)、液相外延法和絲網(wǎng)印刷法等。與真空方法的高生產(chǎn)成本、低生產(chǎn)效率相比，非真空工藝的特點是容易操作、生產(chǎn)周期短、成本低廉，更加適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。下面簡要介紹幾種非真空方法(1)溶膠-凝膠法美國專利(US6,235,402)等提出溶膠-凝膠法，它是采用浸蘸涂覆工藝使溶解了預(yù)制粉的溶液形成薄膜，然后進行烘干和熱處理，其典型的工藝流程如下①sol的制備——先驅(qū)母料(一般為硝酸鹽、醇鹽、乙酸鹽等)的溶解；②gel的制備——蒸發(fā)溶液去除大部分溶劑，再溶解形成gel；③浸涂(dip coating)或旋涂(spin coating)；④加熱分解、氧化以形成所需的膜。
溶膠凝膠工藝成本低廉、快速高效，并且雜質(zhì)含量少、成分均勻、制備溫度低，能夠適合大規(guī)模生產(chǎn)，是一種簡單的制備工藝。此方法可以用于緩沖層以及超導(dǎo)層的薄膜生長。目前成為世界各國爭相研發(fā)的重點。
(2)氣溶膠/噴霧熱分解法美國專利(US6,261,704)提出氣溶膠/噴霧熱分解法，該法的基本工藝是先將銅酸鹽類(一般為硝酸鹽、醇鹽、乙酸鹽等)按比例溶解于硝酸水溶液中，然后將它制成氣溶膠，用噴霧裝置將該氣溶膠噴到已加熱到一定溫度的襯底上(Ni、Al、Cu等襯底)，噴霧后的樣品放到區(qū)熔爐中進行區(qū)熔處理，最后在特定氣氛下進行燒結(jié)。該法需要特殊的噴霧裝置，使其成本較其他非真空工藝高，并且所制備的薄膜表面一般較粗糙，膜中存在缺陷。目前利用此法所制備的高溫超導(dǎo)薄膜還難以實用化。
(3)金屬有機物沉積法金屬有機物沉積工藝(P.C.McIntyre，Journal of Applied Physics，71(4)，1868(1992))是一種從液相溶液中形成均勻薄膜的方法。一般工藝流程為將醋酸鹽化合物按照嚴(yán)格的化學(xué)計量比溶于先驅(qū)母料中，然后把該溶液溶于有機溶劑中，把制備好的溶液通過浸涂或旋涂沉積在襯底表面上，最后在高溫下經(jīng)干燥、充氧處理得到所需的材料。該法具有沉積過程短、成本低等優(yōu)點，并且易于控制最終產(chǎn)物成分，可在不規(guī)則襯底上形膜，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。
(4)電泳沉積法電泳沉積法(L.D.Woolf etc，Applied Physics Letter，58(5)，543(1991))是采用電化學(xué)的方法，利用電場將懸浮在溶液中的帶電預(yù)制粉沉積在襯底表面。它的一般工藝流程為將預(yù)制粉溶解在丙酮中制成懸浮體，然后將覆銀的氧化鋁平板做陰極基底，把不銹鋼絲網(wǎng)浸于懸浮體中制成陽極，在懸浮體中放入添加劑并加上一定的電極電壓進行覆膜。該法具有沉積速率高、操作簡單等優(yōu)點，但所制備的薄膜的微觀結(jié)構(gòu)較差，表面較粗糙，薄膜中存在缺陷，致密度很低，其成分不易控制，使得所達到的臨界電流密度較低，難以滿足工業(yè)應(yīng)用要求。
(5)液相外延法美國專利(US6,008,162)提出液相外延法，即在高溫下將BaO-CuO熔融氧化物采用頂端籽晶熔融生長法制備出性能良好的超導(dǎo)膜。該法可在常壓下形成薄膜，且膜的化學(xué)計量比精確、生長速度快、結(jié)晶度高。該法的缺點是所制備的薄膜一般微觀結(jié)構(gòu)較差，表面較粗糙，薄膜中存在缺陷和大角晶粒間界，并且，需要較高的工作溫度，不僅增加了成本，而且在溶液和襯底材料之間很容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使材料的性能下降。
(6)絲網(wǎng)印刷絲網(wǎng)印刷方法(張其瑞，《高溫超導(dǎo)電性》，浙江大學(xué)出版社，1992)是將預(yù)制粉和適當(dāng)?shù)恼澈蟿?如聚乙烯醇)充分混合，配以溶劑，制成具有一定流動性的漿液，使其通過特定形狀的網(wǎng)篩并刷在襯底(如ZrO2、Al2O3、MgO等)的某一特定區(qū)域，形成印刷電路，最后烘干燒結(jié)，形成所需的薄膜。該工藝效率高、成本低，但微觀結(jié)構(gòu)較差，制備的薄膜表面較粗糙，薄膜中存在缺陷和大角晶粒間界。目前所達到的臨界電流密度太低，77K零場條件下只有100-1000A/cm2。
對于大面積雙面超導(dǎo)薄膜的沉積，俄羅斯專利(RU2189090)給出了一種采用PLD技術(shù)進行制備的方法。采用環(huán)形支架固定襯底，襯底的放置與YBCO靶材的中心偏離一定的距離，先在襯底的一面采用一定的參數(shù)沉積YBCO薄膜，達到一定的厚度后，將襯底翻轉(zhuǎn)180°然后采用同樣的沉積參數(shù)在另一面沉積YBCO薄膜，這樣制備出的薄膜雙面的性能往往不一致。中國專利(97107678)采用基片原位轉(zhuǎn)動、速度可調(diào)、輻射加熱、雙面同時成膜的倒筒式直流濺射裝置及優(yōu)化的外延工藝，使在基片雙面同時生長出優(yōu)良的(Tco大于90k、ΔTc小于0.3k)、性能一致(雙面膜的Tco相差小于0.5k，ΔTc相差小于0.5k)的YBCO高溫超導(dǎo)雙面外延薄膜。在上述的真空設(shè)備中要進一步達到更大面積均勻膜沉積所需要的大范圍溫度場和氣流場會導(dǎo)致成本的急劇增加，為此需要尋找一種具有較低成本的熱處理成膜裝置和方法。文獻T.Araki，K.Yamagiwa，I.Hirabayashi，et.al.Supercond.Sci.Technol.14(2001)L21-L24在2001年報道了一種低成本的方法，首先采用TFA-MOD工藝制備出合適的YBCO膠體，然后旋涂到LaAlO3單晶襯底上，隨后放入直徑60mm的管式爐中，經(jīng)過燒結(jié)處理獲得了直徑達50mm的高質(zhì)量YBCO大面積超導(dǎo)薄膜。但是按照我們的實驗結(jié)果，如果采用通常的氣流設(shè)計(一端進，一端出)，會造成薄膜的極端不均勻。文獻T.Araki，K.Yamagiwa，I.Hirabayashi，et.al.Supercond.Sci.Technol.14(2001)L21-L24中沒有透露相關(guān)的細(xì)節(jié)如何解決這個問題。在YBCO薄膜的沉積方面，王三勝，王林，杜鵬，陳勝，韓征和等在《中國有色金屬學(xué)報》，11(3)200485-89上提出了一種TFA-MOD工藝。
該TFA-MOD工藝首先制備釔鋇銅氧超導(dǎo)膜的三氟乙酸鹽(TFA-MOD)前驅(qū)溶液1.以乙酸釔(Y(OOCCH3)3.4H2O)，乙酸鋇(Ba(CH3COO)2)，乙酸銅Cu(CH3COO)2.H2O)和三氟乙酸(CF3COOH)為原料。在室溫下將乙酸鋇溶解到適量去離子水溶液中。待乙酸鋇全部溶解后，依次加入乙酸釔和乙酸銅粉末(Y、Ba和Cu按照1∶2∶3的陽離子摩爾比)。再將含有準(zhǔn)確化學(xué)計量配比的三氟乙酸和適量去離子水加入上述溶液中；2.將溶液移入減壓蒸餾系統(tǒng)。保持40℃恒溫水浴。經(jīng)過緩慢蒸餾，溶液變?yōu)橥该鞯乃{(lán)色玻璃態(tài)的干凝膠。然后加入足量的無水甲醇，使干凝膠重新溶解成溶液。重復(fù)減壓蒸餾過程進行提純。3.最后，將提純后的干凝膠用適量的甲醇溶解，配制成一定濃度的YBCO前驅(qū)溶膠。本申請中的YBCO薄膜沉積將采用此工藝。
對于超導(dǎo)長導(dǎo)線的制備，日本專利(JP2003308746)給出了一種采用噴霧熱解技術(shù)進行連續(xù)涂層制備的工藝。基帶的一頭纏繞在一個轉(zhuǎn)動滾子上，帶材在連續(xù)的運動過程中將采用MOD工藝制成的前驅(qū)溶液霧化噴射到基帶上，運動的基帶連續(xù)通過一個熱處理爐燒結(jié)成相，處理好的基帶卷繞到另外一個轉(zhuǎn)動滾子上。專利(JP9147647)也給出了類似的方案。在這些方案中，一個共同的特點就是必須要有兩個滾子(進樣和出樣)，帶材移動的速度在工藝參數(shù)一定的情況下，主要靠增加爐體的長度來提高，但是這樣在速度提高的同時，同樣會帶來爐子成本的增加，而且在這種連續(xù)走帶中，在反應(yīng)區(qū)和非反應(yīng)區(qū)氣氛的控制是個難點，往往會帶來此界面處超導(dǎo)性能與其他區(qū)域的差別，進而影響整個超導(dǎo)帶材的性能。為此也需要尋找一種能夠解決上述問題并且具有較低成本的熱處理成膜裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上情況，本發(fā)明提供一種非真空大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法，尤其涉及一種適用于制備高溫超導(dǎo)覆膜導(dǎo)體的成膜方法，及一種根據(jù)此方法的氣氛可控旋轉(zhuǎn)加熱爐裝置。該方法可以滿足超導(dǎo)長帶材和大面積膜對熱處理過程中的燒結(jié)溫度和氣氛氣流的均勻性和精確性的要求。該新型的熱處理爐裝置通過調(diào)整氣流和溫度場分布，輔之以樣品旋轉(zhuǎn)能夠滿足ha超導(dǎo)長帶材和大面積膜對熱處理過程中的燒結(jié)溫度和氣氛氣流的均勻性和精確性的要求。從而有效制備出性能均一良好的超導(dǎo)長帶材和大面積薄膜。對于大面積薄膜沉積，不需要昂貴的真空室設(shè)備投資；對于超導(dǎo)長導(dǎo)線制備，不存在上述的界面問題，從而能夠制備出具有更好超導(dǎo)性能的長超導(dǎo)導(dǎo)線。
一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法，其特征在于它包括如下步驟(1)在單晶襯底或者柔性基帶涂覆前驅(qū)溶液將基帶纏繞在圓柱形筒子表面，將前驅(qū)溶液涂覆在單晶襯底或者柔性基帶上；根據(jù)需要可以單面涂敷或雙面涂覆；(2)將涂覆好前驅(qū)溶液的單晶襯底或者柔性基帶，從爐管一端卸下法蘭盤后送入熱處理爐中；然后裝好法蘭盤，密封；(3)使用片狀框架夾持薄片樣品進行熱處理；根據(jù)制備大面積單面/雙面超導(dǎo)膜，涂敷的涂層是一面暴露的，或者雙面同時是暴露的；(4)給加熱爐體設(shè)定熱處理工藝曲線，啟動程控功能；(5)電機輸出力矩帶動樣品軸的旋轉(zhuǎn)；在熱處理過程中保持樣品均勻繞其軸線旋轉(zhuǎn)；(6)樣品均勻繞其軸線旋轉(zhuǎn)同時從爐管中部側(cè)向以一定角度將氣流吹向樣品，角度在0度-90度之間任意變化；氣流從爐管兩端排出；(7)調(diào)節(jié)水在通入氣氛中的含量；(8)薄膜或?qū)Ь€熱處理完成后，從爐管一端拆下法蘭盤，取出最終產(chǎn)品，完成薄膜的制備。
本方法中熱處理過程中的氣氛為氧化、還原、惰性等各種工藝要求的氣氛，能夠?qū)τ跓崽幚磉^程中的氣氛進行加濕處理，可以任意調(diào)節(jié)水在通入氣氛中的含量。
根據(jù)此方法的裝置示意圖如圖1所示，它包括爐體(11)，石英爐管(12)，送氣系統(tǒng)(2)，出氣系統(tǒng)(1)、(14)，螺旋管式長導(dǎo)線樣品架或者片式大面積膜樣品架(3)，金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)(9)，可調(diào)速電機(8)，測溫?zé)犭娕技捌涔艿?13)。
爐體(11)為多段獨立控溫的管式爐結(jié)構(gòu)；主要用于為材料生長提供一個合適的大面積均勻溫度場。
石英爐管(12)用來提供一個與外界相對獨立的潔凈材料生長環(huán)境。
送氣系統(tǒng)(2)，含有一路氣流吹向樣品，氣流沿著垂直于熱處理爐軸線的方向。
出氣系統(tǒng)(1)、(14)一般由三路管路組成，(1)和(14)兩端的出氣速率保持一致，以使反應(yīng)副產(chǎn)物氣體盡快從樣品兩端被排走。
螺旋管式長導(dǎo)線樣品架或者片式大面積膜樣品架(3)放在樣品支架(4)上，然后通過連接軸(10)與旋轉(zhuǎn)軸(5)連接。
金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)(9)通過金屬接口(6)與旋轉(zhuǎn)軸(5)連接。
可調(diào)速電機(8)輸出力矩通過金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)(9)帶動樣品以一定的速度進行旋轉(zhuǎn)，在熱處理的同時，在0-150轉(zhuǎn)/分鐘的速率范圍內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動；樣品軸的旋轉(zhuǎn)速度由電機通過變頻調(diào)速和減速裝置完成；可調(diào)速電機(8)沿著移動軌道(7)前后運動，隨同法蘭盤的拆裝一起完成加工樣品的出進操作。
測溫?zé)犭娕技捌涔艿?13)用于原位的監(jiān)測材料熱處理過程中的溫度變化。
與真空方法相比，我們采用的非真空制備方法降低操作條件要求和實施成本，另外，特殊設(shè)計的熱處理裝置可以一次處理很大面積或很長長度的長導(dǎo)線。而且，由于輔之以樣品均勻旋轉(zhuǎn)，可以大大提高成膜的均勻性和連續(xù)帶材的最終臨界電流密度。


圖1是適用于大面積YBCO超導(dǎo)薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線熱處理的裝置示意圖；其中1主氣流出氣管；2側(cè)吹氣進氣管；3螺旋管式長導(dǎo)線樣品架或者片式大面積膜樣品架；4樣品支架；5旋轉(zhuǎn)軸；6金屬接口；7電機移動軌道；8可調(diào)速電機；9、金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封裝置；10連接軸；11、爐體；12、石英爐管；13、測溫?zé)犭娕迹?4、主氣流出氣管圖2是一種高溫超導(dǎo)覆膜導(dǎo)體的截面示意圖；圖3是采用本熱處理裝置和方法制備出的大面積均勻YBCO薄膜照片；圖4是采用本熱處理裝置和方法制備出的大面積均勻YBCO薄膜的典型x射線θ-2θ衍射曲線；圖5是采用本熱處理裝置和方法制備出的大面積均勻YBCO薄膜，采用感應(yīng)方法測量出的臨界電流密度分布；具體實施方式
實施例1利用本旋轉(zhuǎn)加熱熱處理爐裝置進行大面積YBCO超導(dǎo)薄膜的沉積反應(yīng)室的裝置示意圖如圖1。
實驗中采用30mm×30mm大小的LaAlO3(100)單晶襯底，YBCO薄膜的沉積采用文獻王三勝，王林，杜鵬，陳勝，韓征和。中國有色金屬學(xué)報，11(3)200485-89所述的TFA-MOD工藝旋涂。將涂完的樣品放在片狀樣品架(3)中，打開金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封裝置(9)，將樣品架(3)通過金屬接口(6)、旋轉(zhuǎn)軸(5)、連接軸(10)，固定在樣品支架(4)上，沿著電機移動軌道(7)，運動金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封裝置(9)，上緊法蘭盤。設(shè)定調(diào)速電機(8)旋轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/分，帶動樣品旋轉(zhuǎn)。按照TFA-MOD工藝給加熱爐體(11)設(shè)定熱處理工藝曲線，啟動程控功能，同時通過側(cè)吹氣進氣管(2)通入2L/min的干氧，或者濕氧氣體。廢氣同時由主氣流出氣管(1)、(14)排出。
實驗表明在本系統(tǒng)上獲得了大面積均勻的YBCO超導(dǎo)薄膜。
圖3是采用本熱處理裝置和方法制備出的大面積均勻(30mm×30mm)YBCO薄膜掃描電鏡照片?？梢钥闯鲈谡麄€范圍內(nèi)，顯示出良好的均勻平整表面形貌。
圖4是采用本熱處理裝置和方法制備出的大面積均勻YBCO薄膜的典型x射線θ-2θ衍射曲線；可以看出在10-60°的范圍內(nèi)，YBCO薄膜均顯示出純(001)的擇優(yōu)取向。
圖5是采用本熱處理裝置和方法制備出的大面積均勻YBCO薄膜，采用感應(yīng)方法測量出的臨界電流密度分布；在整個范圍內(nèi)，YBCO薄膜顯示出1.5MA/cm2(77K，自場)的平均臨界電流密度分布。
實施例2利用本旋轉(zhuǎn)加熱熱處理爐進行YBCO長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備反應(yīng)室的裝置示意圖1。
實驗中采用10mm寬，10m長的CeO2/YSZ/Hastealloy柔性襯底，YBCO薄膜采用浸涂工藝，YBCO膠體的摩爾濃度為1.8mol/L，所用提拉速度為50mm/min。將涂完的樣品放在螺旋管式長導(dǎo)線樣品架(3)中，打開金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封裝置(9)，將樣品架(3)通過金屬接口(6)、旋轉(zhuǎn)軸(5)、連接軸(10)，固定在樣品支架(4)上，沿著電機移動軌道(7)，運動金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封裝置(9)，上緊法蘭盤。設(shè)定調(diào)速電機(8)旋轉(zhuǎn)速度為10轉(zhuǎn)/分，帶動樣品旋轉(zhuǎn)。給加熱爐體(11)設(shè)定熱處理工藝曲線，啟動程控功能，同時通過側(cè)吹氣進氣管(2)通入2L/min的干氧，或者濕氧氣體。廢氣同時由主氣流出氣管(1)、(14)排出。
結(jié)果表明在本系統(tǒng)上獲得了10米長均勻的YBCO超導(dǎo)薄膜帶材。
得到的超導(dǎo)帶材結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中15YBCO超導(dǎo)層；16一層或者多層緩沖層；17金屬基底。
權(quán)利要求
1.一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法，其特征在于它包括如下步驟(1)在單晶襯底或者柔性基帶涂覆前驅(qū)溶液將基帶纏繞在圓柱形筒子表面，將前驅(qū)溶液單面涂覆在單晶襯底或者柔性基帶上；(2)將涂覆好前驅(qū)溶液的單晶襯底或者柔性基帶，從爐管一端卸下法蘭盤后送入熱處理爐中；裝好法蘭盤，密封；(3)使用片狀框架夾持薄片樣品進行熱處理；并使涂敷的涂層面暴露；(4)給加熱爐體設(shè)定熱處理工藝曲線，啟動程控功能；(5)電機輸出力矩帶動樣品軸的旋轉(zhuǎn)；在熱處理過程中保持樣品均勻繞其軸線旋轉(zhuǎn)；(6)樣品均勻繞其軸線旋轉(zhuǎn)同時從爐管中部側(cè)向以一定角度將氣流吹向樣品，氣流從爐管兩端排出；(7)調(diào)節(jié)水在通入氣氛中的含量；(8)薄膜或?qū)Ь€熱處理完成后，從爐管一端拆下法蘭盤，取出最終產(chǎn)品，完成薄膜的制備。
2.一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法，其特征在于它包括的步驟與權(quán)利要求1中的類似，只是在步驟(1)中，在單晶襯底或者柔性基帶涂覆前驅(qū)溶液，是將基帶纏繞在圓柱形筒子表面，將前驅(qū)溶液雙面涂覆在單晶襯底或者柔性基帶上；并在步驟(3)中將雙面暴露。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法，其特征在于爐管中部側(cè)向以一定角度將氣流吹向樣品，其角度為0度-90度。
4.一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備裝置，其特征在于，它包括爐體(11)，石英爐管(12)，送氣系統(tǒng)(2)，出氣系統(tǒng)(1)、(14)，螺旋管式長導(dǎo)線樣品架或者片式大面積膜樣品架(3)，金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)(9)，可調(diào)速電機(8)，測溫?zé)犭娕技捌涔艿?13)；爐體(11)為多段獨立控溫的管式爐結(jié)構(gòu)；主要用于為材料生長提供一個合適的大面積均勻溫度場；石英爐管(12)用來提供一個與外界相對獨立的潔凈材料生長環(huán)境；送氣系統(tǒng)(2)，含有一路氣流吹向樣品，氣流沿著垂直于熱處理爐軸線的方向；出氣系統(tǒng)(1)、(14)一般由三路管路組成，(1)和(14)兩端的出氣速率保持一致；螺旋管式長導(dǎo)線樣品架或者片式大面積膜樣品架(3)放在樣品支架(4)上，然后通過連接軸(10)與旋轉(zhuǎn)軸(5)連接；金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)(9)通過金屬接口(6)與旋轉(zhuǎn)軸(5)連接；可調(diào)速電機(8)輸出力矩通過金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)(9)帶動樣品以一定的速度進行旋轉(zhuǎn)；可調(diào)速電機(8)沿著移動軌道(7)前后運動，隨同法蘭盤的拆裝一起完成加工樣品的出進操作；測溫?zé)犭娕技捌涔艿?13)用于原位的監(jiān)測材料熱處理過程中的溫度變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備裝置，其特征在于，樣品軸的旋轉(zhuǎn)速度由電機通過變頻調(diào)速和減速裝置完成；在熱處理的同時，在0-150轉(zhuǎn)/分鐘的速率范圍內(nèi)勻速轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種大面積均勻薄膜或長超導(dǎo)導(dǎo)線的制備方法，尤其涉及一種制備高溫超導(dǎo)覆膜導(dǎo)體的成膜方法，及裝置。該方法可以滿足超導(dǎo)長帶材和大面積膜對熱處理過程中的燒結(jié)溫度和氣氛氣流的均勻性和精確性的要求；該裝置包括爐體，石英爐管，送氣系統(tǒng)，出氣系統(tǒng)，螺旋管式長導(dǎo)線樣品架或者片式大面積膜樣品架，金屬法蘭盤旋轉(zhuǎn)密封系統(tǒng)，可調(diào)速電機，測溫?zé)犭娕技捌涔艿?。對于大面積薄膜沉積，不需要昂貴的真空室設(shè)備投資；對于超導(dǎo)長導(dǎo)線制備，不存在界面問題，從而能夠制備出具有更好超導(dǎo)性能的長超導(dǎo)導(dǎo)線。采用的非真空制備方法能大大降低操作條件和實施成本，提高成膜的均勻性和連續(xù)帶材的最終臨界電流密度。
文檔編號H01L39/24GK1688034SQ200510058998
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者韓征和, 王三勝, 劉莉 申請人:清華大學(xué), 北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司