一種測定ReBCO高溫超導薄膜組成的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測定薄膜組成的方法，尤其涉及一種測定高溫超導薄膜組成的方 法。
【背景技術】
[0002] 高溫超導帶材，由于具有電阻為零，大電流輸送的特點，在電力，能源，軍事，等各 個工業(yè)領域，都有著極其廣泛的應用。
[0003] 第二代高溫超導帶材，起到導電作用的是一層厚度為0.2-5微米的金屬氧化物超 導薄膜。當采用IBAD+M0CVD (離子束輔助沉積+金屬有機氣相沉積)技術路線時，金屬氧化物 超導薄膜的組成與實際M0CVD工藝中配制的有機金屬溶液的組成有所不同。而金屬氧化物 超導薄膜的實際組成對高溫超導帶材的性能產(chǎn)生有著決定性的影響，所以，精確測定金屬 氧化物超導薄膜的組成很有必要。
[0004] 第二代高溫超導帶材是以ReBCO為基礎的金屬氧化物超導薄膜載體，其中，Re代表 稀土元素，如鈥(Ho)、釓(Gd)、釤(Sm)、鏑(Dy)和釔(Y)等，B代表Ba，C代表Cu，其具有臨界電 流溫度高于液氮溫度的特性。自從1987年發(fā)現(xiàn)以ReBCO為基礎的第二代高溫超導材料以來， 進過了大量的深入化研究，第二代高溫超導帶材已經(jīng)開始進入工業(yè)化的實際應用。在制備 方面，已經(jīng)基本確定了 M0CVD工藝的優(yōu)越性，主要在于具有薄膜沉積速度快和大面積涂層的 特點。
[0005] 在薄膜制備方面，尤其是在半導體技術應用中，一般以制備單組份薄膜為主，并不 存在需要對薄膜組分進行鑒定的問題，最為重要的問題是鑒定雜質。然而高溫超導金屬氧 化物薄膜是多金屬氧化物組分的薄膜，對于薄膜組分的精密測定就顯得尤為重要。最為常 用的，簡單的測定方法是EDX(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy)能譜分析，根據(jù)每 個金屬元素的特征峰，得到其特征峰面積比，從而可以大致判斷薄膜中金屬元素的比例而 得到其組成。但是這種方法得到的結果，其準確度較差，不能為高溫超導薄膜在組成方面的 研究提供可靠的信息。
[0006] ICP技術，一般應用于化工行業(yè)，對原料或成品中金屬離子進行測定，而對多金屬 氧化物薄膜的測定，還沒有報道，原因在于采用M0CVD工藝制備高溫超導薄膜技術，只有在 達到進入工業(yè)化應用時，對薄膜組成的更為精確和仔細的研究才會顯得極為重要，才有可 能將ICP技術引入到常規(guī)測定中來，保證得到極為準確的組成結果，作為生產(chǎn)工藝中所必須 滿足的組成規(guī)范。其次，樣品的制備和測定程序的規(guī)范化，以達到滿足生產(chǎn)的要求，有著一 定難度。
[0007] 因此，業(yè)界亟需一種可以精密測定高溫超導金屬氧化物薄膜組成的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種測定高溫超導薄膜組成的方法，包括樣品的制備，及 開發(fā)MP-AES(微波等離子體原子發(fā)射光譜)儀器新的應用領域，并確定高溫超導薄膜的組成 對超導電流的影響，以及建立MOCVD化學源溶液中金屬離子的配比與超導薄膜組成的關系。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的目的提出的一種測定高溫超導薄膜組成的方法，其特征在于，包括 以下步驟：
[0010] S1、樣品制備:提供基帶，在基帶上依次形成緩沖層及高溫超導薄膜，之后溶解，得 到樣品溶液；
[0011] S2、測定參數(shù)設定:采用ΜΡ-AES微波等離子體-原子發(fā)射光譜儀進行測定，新建一 個工作表，設定MP-AES微波等離子體-原子發(fā)射光譜儀的各項參數(shù)；
[0012] S3、測定溶液輸入:采用手動或自動進樣方式，采用空白溶液、標準溶液、實驗室控 制樣品溶液和樣品溶液依次測定的順序；
[0013] S4、測定:ΜΡ-AES微波等離子體-原子發(fā)射光譜儀逐個讀取溶液中各金屬元素在相 應檢測波長下的濃度或百分含量，工作表依據(jù)標準溶液的濃度與相應的強度作出線性方 程，根據(jù)線性方程得到待測溶液中各金屬元素的濃度;S5、測定結果分析；
[0014] 優(yōu)選的，所述ReBCO高溫超導薄膜，其中Re為釔或其他稀土元素。
[0015]優(yōu)選的，所述高溫超導薄膜ReBCO沉積在緩沖層薄膜材料上，而緩沖層材料為多層 金屬氧化物，采用脈沖激光沉積法、磁控濺射法或真空蒸發(fā)法沉積在金屬基帶上。
[0016]優(yōu)選的，所述基帶為金屬材料基帶，選用哈氏C-276合金帶或不銹鋼帶。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟S1中，在形成高溫超導薄膜后，再采用濺射或真空蒸發(fā)法形成銀 保護層，之后是采用電鍍或錫焊形成銅穩(wěn)定層。
[0018]優(yōu)選的，所述ΜΡ-AES微波等離子體-原子發(fā)射光譜儀包括進樣系統(tǒng)、原子化系統(tǒng)、 Czerny-Turner型單色儀及背照式帕爾帖制冷(XD檢測器。
[0019]優(yōu)選的，所述步驟S2中的參數(shù)包括樣品導入方式、栗速、抽吸時間、穩(wěn)定時間、讀取 時間、重復次數(shù)、背景校正方式、發(fā)射波長選擇及霧化器壓力。
[0020] 優(yōu)選的，所述步驟S4中，工作表依據(jù)標準溶液的濃度與相應的強度作出線性方程， 如果校正相關系數(shù)>0.999,則工作表會自動給出一個線性方程，否則就刪除某個異常點， 以保證線性方程的準確性，若偏離依然較大，則重新配制標準溶液，完成新的工作表。
[0021] 優(yōu)選的，所述實驗室控制樣品溶液，以高純氧化釔、高純氧化釓、高純硝酸銅晶體 與氯化鋇晶體為原料，依據(jù)高溫超導薄膜中的元素組分比，預先配制成儲備液，再稀釋至所 需濃度。
[0022] 優(yōu)選的，若在測定實驗室控制樣品時，數(shù)據(jù)出現(xiàn)嚴重偏離，則重新測定標準溶液或 重新配置標準溶液。
[0023] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的技術優(yōu)勢：
[0024] 可以精密測定高溫超導薄膜的組成，首先開辟出ΜΡ-AES(微波等離子體原子發(fā)射 光譜法)在多組成金屬氧化物薄膜組成測定方面的應用，建立了可靠的高溫超導薄膜組成 精確測定的方法，可以直接應用于多組成金屬氧化物薄膜的研究和生產(chǎn)工藝中。
[0025] 可以確定高溫超導薄膜的組成對超導電流的影響，以及建立M0CVD化學源溶液中 金屬離子的配比與超導薄膜組成的關系。
【具體實施方式】
[0026]正如【背景技術】中所述，現(xiàn)有技術中通常不會對超導薄膜的組分進行測定，即使測 定，采用的測定方法是m)x能譜分析，但是這種方法得到的結果，準確度較差，不能為高溫超 導薄膜在組成方面的研究提供可靠的信息。
[0027]下面，將對本發(fā)明的具體技術方案做詳細介紹。
[0028]本發(fā)明提出的精密測定高溫超導薄膜組成的方法，是采用MP_AES(微波等離子體 原子發(fā)射光譜，Microwave Plasma Atomic Emission Spectrometry)儀器進行測定。MP-AES與傳統(tǒng)的ICP除了等離子體的產(chǎn)生方式不同外，其他方面均可通用。
[0029]本發(fā)明中的ReBCO高溫超導薄膜，其中，Re = Y，或其他稀土元素。本發(fā)明中的測定 高溫超導薄膜組成的方法，包括以下幾個方面：1.樣品制備；2.測定參數(shù)設定;3.測定溶液 輸入;4.測定;5.測定結果分析，下面進行詳細說明。
[0030] 一、樣品制備
[0031] 進行高溫超導帶材的制備，高溫超導帶材使用的基帶是哈氏C-276合金基帶或不 銹鋼帶，因哈氏C-276合金基帶或不銹鋼帶表面粗糙度較大，為防止影響膜的附著力及膜的 外延生長，需通過表面處理技術改善基帶的表面質量，在此先對基帶進行電化學拋光處理， 使其表面粗糙度下降，保證后續(xù)工藝的可靠度和速率。之后，進行緩沖層的制備，用作緩沖 層的材料多層金屬氧化物薄膜，本發(fā)明中，采用物理鍍膜方法制備緩沖層，如脈沖激光沉積 法、磁控濺射法和真空蒸發(fā)法等。然后，再在緩沖層上制備高溫超導薄膜ReBCO,方法采用溶 膠-凝膠法、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)和金屬有機物化學氣相沉積(M0CVD) 法等。最后，是保護層，保護超導帶材，作為保護層的材料主要有銀，采用濺射法或真空蒸發(fā) 法制備銀保護層，形成銀保護層后采用電鍍或錫焊制備銅穩(wěn)定層，由此，形成了鎳合金基 帶、緩沖層、高溫超導薄膜ReBCO和保護層的結構。高溫超導薄膜的厚度，根據(jù)各種不同的應 用，基本確定在0.2-5微米之間。樣品的制備需要根據(jù)超導薄膜的厚度來確定使用的高溫超 導帶材的長度，確定使用的酸溶液性質和濃度，以及溶解超導薄膜的時間。
[0032]二、測定參數(shù)設定
[0033]本發(fā)明采用4100MP-AES微波等離子體-原子發(fā)射光譜儀依次測定標準溶液與樣品 溶液，該儀器的進樣系統(tǒng)由玻璃同軸霧化器、旋流霧化室(單通道)和白色栗管線組成，該儀 器還包括Czerny-Turner型單色儀、原子化系統(tǒng)和背照式帕爾帖制冷(XD檢測器。新建或根 據(jù)模板新建一個工作表，設定儀器參數(shù)，這些參數(shù)包括樣品導入方式、栗速、抽吸時間、穩(wěn) 定時間、讀取時間、重復次數(shù)、背景校正方式、發(fā)射波長選擇、霧化器壓力等。
[0034]三、測定溶液輸入
[0035]上述的MP-AES微波等離子體-原子發(fā)射光譜儀備有手動和自動兩種進樣方式，可 在儀器參數(shù)中設定。本方法采用的是手動進樣方式，工作表運行之后，根據(jù)儀器提示，依次 放入空白溶液、標準溶液、實驗室控制樣品溶液和樣品溶液，進行測定。
[0036]四、測定
[0037]上述MP-AES微波等離子體-原子發(fā)射光譜儀是順序型光譜儀，根據(jù)工作表中設定 的參數(shù)，逐個讀取溶液中各金屬元素在相應檢測波長下的濃度或百分