氧化物高溫超導體及其制備方法

專利名稱：氧化物高溫超導體及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種高頻性能優良的氧化物高溫超導體以及制備這樣的氧化物高溫超導體的方法。
背景技術：
在氧化物高溫超導體中，Cu系超導體薄膜(參見Kotai Butsuri(Solid State Physics)，Vol.35，No.5，2000)具有優良的超導性能，并且將其實用化的各種研究和開發也已經在進行。Cu系超導體薄膜所具有的優良超導特性包括優良的高頻性能特征，正如以上參考文獻所提到的那樣。為了制造可應用于高頻設備諸如微波設備的超導體薄膜，重要的不僅是超導薄膜自身的高頻性能，而且要求用于外延生長超導體薄膜的基質具有高頻性能。
制造超導性能優良的Cu系氧化物高溫超導體需要結晶完整度和結晶取向性均優良的超導體薄膜。
對于常規的Cu系超導體薄膜，已經使用的是與這樣的超導薄膜的晶格失配小的SrTiO3基質，從而能夠在其上生長結晶完整度高、結晶取向性優良的超導體薄膜。然而，由于SrTiO3的介電常數大(比介電常數＝約300)，所以，SrTiO3不適合作為高頻設備的超導體薄膜的生長基質。
因此，為了可用于高頻設備，一直在尋求一種能夠在介電常數低的基質上形成結晶完整度高、結晶學取向性優良的氧化物高溫超導體薄膜的氧化物高溫超導體，以及在這樣的基質上外延生長所述氧化物高溫超導體薄膜的方法。

發明內容
因此，本發明的第一個目的是提供一種氧化物高溫超導體，其中在介電常數低的基質上形成結晶完整度高、結晶取向性優良的氧化物高溫超導體薄膜。
本發明的第二個目的是提供在介電常數低的基質上形成結晶完整度高、結晶取向性優良的氧化物高溫超導薄膜的制備方法。
為了實現以上提到的第一個目的，如權利要求1所述，本發明提供了一種含有Ba作為其構成元素并且在晶體基質上形成薄膜的氧化物高溫超導體，其特征在于它包含用于減少所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配的第一緩沖層，以及在所述的第一緩沖層上形成的、由Sr氧化物制成的、用于防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的第二緩沖層，這兩個緩沖層位于所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間。采用這樣的結構可以得到結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體，原因是，即使用于減少氧化物高溫超導體薄膜與基質之間的晶格失配的第一緩沖層由含有易于與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba發生界面反應的物質的材料所組成，第二緩沖層也能防止界面反應。
權利要求2所述，本發明還提供了一種含有Ba作為其構成元素并且在晶體基質上形成薄膜的氧化物高溫超導體，其特征在于它包含由Sr氧化物構成的緩沖層，用于減少所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體之間的晶格失配并且還能起到防止Ba從所述的氧化物，該緩沖層位于所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導薄膜之間。根據這一組成，通過使用Sr氧化物減少它們之間的晶格失配可以得到結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體，原因是，即使結晶材料由含有容易與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba發生界面反應的物質的材料所組成，Sr氧化物也能防止晶體基質內的物質與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba之間的界面反應。
在本文中，如權利要求1或權利要求2所述的含有Ba作為其構成元素的所述氧化物高溫超導體由組成通式Cu1-xMx(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w或組成通式(Cu1-xMx)2(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w所示的組成來構成，其中M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素或一種或多種堿金屬元素，L表示Mg、Y或一種或多種鑭系元素。
Q表示Mg和Zn中的任何一種或兩種，并且0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤q≤0.1，0≤w≤4且2≤n≤5。
根據這樣的配制，可以在介電常數低的基質上形成結晶完整度和結晶取向性均優良的上述氧化物高溫超導體。在本文中應該注意到，具有上述組成的所述氧化物超導體包括所謂的YBCO型、Y(Ln)-[123]型和Hg型氧化物高溫超導體。
所述的Sr氧化物可以是選自下列的任何一種構成元素中不含Ba的薄膜形式的氧化物高溫超導體、其中的構成元素Ba被Sr取代的薄膜形式的氧化物高溫超導體以及與所述的氧化物高溫超導體薄膜晶格匹配良好的層狀Sr氧化物。根據該配制，可以得到結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體，原因是緩沖層與所述的氧化物高溫超導體晶格匹配良好并且同時起到防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的作用。
所述的晶體基質優選是具有藍寶石R晶面(1，-1，0，2)的藍寶石基質。此外，權利要求1中提到的第一緩沖層可以是CeO2層，第二緩沖層具有組成通式Cu1-xMxSr2CaCu2O8-w所示的組成，其中M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素或一種或多種堿金屬元素，并且，其中x和w分別用0≤x≤1且0≤w≤4表示。按照該組成可以得到結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體，原因是由Cu1-xMxSr2CaCu2O8-w組成的第二緩沖層防止了第一緩沖層(由介電常數低(低至約為10)的藍寶石R晶面(1，-1，0，2)基質上的CeO2所構成)中的Ce與外延生長的氧化物高溫超導體薄膜中的Ba之間的界面反應。
在權利要求1所述的氧化物高溫超導體中，可用外延法生長所述的含有構成元素Ba的氧化物高溫超導體薄膜，由此將用來形成所述氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述第二緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下、或者在Tl的存在下進行熱處理。
在權利要求2所述的氧化物高溫超導體中，可用外延法生長所述的含有構成元素Ba的氧化物高溫超導體薄膜，由此將用來形成所述氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下、或者在Tl的存在下進行熱處理。
按照權利要求13的描述，本發明還提供了在藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質上形成的含有Ba作為其構成元素的氧化物薄膜，所述含Ba的氧化物選自氧化物磁性材料、氧化物電介質和氧化物導體，其特征在于所述的薄膜具有通過以下方法形成的層狀結構在所述的藍寶石基質上形成由CeO2薄膜制成的第一緩沖層，在所述的第一緩沖層上形成由其中的Ba被Sr取代的所述氧化物薄膜制成的第二緩沖層，然后在所述的第二緩沖層上形成所述的氧化物。根據該配制，可以提供性能優良的氧化物薄膜，原因是，可以在藍寶石基質上的CeO2緩沖層上形成含Ba氧化物的薄膜而不與CeO2緩沖層中的Ce發生反應，所述的氧化物薄膜含有構成元素Ba，并且其選自氧化物磁性材料、氧化物電介質和氧化物導體中的一種。
為了實現以上所述的第二個目的，按照權利要求14的描述，本發明還提供了通過在晶體基質上外延生長氧化物高溫超導體薄膜來制備含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于該方法包括如下步驟在所述的晶體基質上形成用于減少所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配的第一緩沖層；在所述的第一緩沖層上形成由Sr氧化物組成的、用于防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的第二緩沖層，然后在所述的第二緩沖層上外延生長所述的氧化物高溫超導體薄膜。按照該方法可以外延生長結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體的薄膜，原因是，即使用于減少氧化物高溫超導體薄膜與基質之間的晶格失配的第一緩沖層由含有容易與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba發生界面反應的物質的材料所組成，第二緩沖層也能防止界面反應。
為了實現上述的第二個目的，按照權利要求15所述的內容，本發明還提供了通過在晶體基質上外延生長氧化物高溫超導體薄膜來制備含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于該方法包括如下步驟在所述的晶體基質上形成由Sr氧化物構成的、用于減少所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配并且還能起到防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的作用的緩沖層；然后在所述的緩沖層上外延生長所述的氧化物高溫超導體薄膜。按照該方法可以外延生長結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體的薄膜，原因是，即使晶體基質由含有容易與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba發生界面反應的物質的材料所組成，Sr氧化物也能防止晶體基質內的物質與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba之間的界面反應。
在本文中，如權利要求14或權利要求15所述，含有Ba作為其構成元素的所述氧化物高溫超導體由組成通式
Cu1-xMx(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w或組成通式(Cu1-xMx)2(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w所示的組成來構成，其中M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素，或者一種或多種堿金屬元素，L表示Mg、Y或一種或多種鑭系元素。
Q表示Mg和Zn中的任何一種或兩種，并且0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤q≤0.1，0≤w≤4且2≤n≤5。
根據該配制，可以在介電常數低的基質上外延生長結晶完整度和結晶取向性均優良的具有上述組成的氧化物高溫超導體。在本文中應該注意到，具有上述組成的氧化物超導體包括所謂的YBCO型、Y(Ln)-[123]型和Hg型氧化物高溫超導體。
所述的Sr氧化物可以是選自下列的任何一種構成元素中不含Ba的薄膜形式的氧化物高溫超導體、其中構成元素Ba被Sr取代的薄膜形式的氧化物高溫超導體以及與所述的氧化物高溫超導體薄膜晶格匹配良好的層狀的Sr氧化物。根據該方法，可容易地得到與所述的氧化物高溫超導體晶格匹配良好并且同時起到防止Ba從所述的外延生長的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的作用的緩沖層，因此，能夠容易地外延生長結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體薄膜。
所述的晶體基質優選是具有藍寶石R晶面(1，-1，0，2)的藍寶石基質。此外，權利要求1中提到的第一緩沖層可以是CeO2層，第二緩沖層具有組成通式Cu1-xMxSr2CaCu2O8-w所示的組成，其中M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素或一種或多種堿金屬元素，并且，其中
x和w分別用0≤x≤1且0≤w≤4表示。按照該方法可以外延生長結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體，原因是由Cu1-xMxSr2CaCu2O8-w組成的第二緩沖層防止了第一緩沖層(由介電常數低(低至約為10)的藍寶石R晶面(1，-1，0，2)基質上的CeO2所構成)中的Ce與外延生長的氧化物高溫超導體薄膜中的Ba之間的界面反應。
在如權利要求14所述的方法中，可以外延生長含有Ba作為其構成元素的所述氧化物高溫超導體薄膜，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述第二緩沖層上，然后將所沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下、或者在Tl的存在下進行熱處理。
在如權利要求15所述的方法中，可以外延生長含有Ba作為其構成元素的所述氧化物高溫超導體薄膜，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的緩沖層上，然后將所沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下、或者在Tl的存在下進行熱處理。
如權利要求24所述，本發明還提供了通過在藍寶石R晶面(1，-1，0，2)基質上外延生長含有Ba作為其構成元素并且選自氧化物磁性材料、氧化物電介質和氧化物導體的氧化物來制備氧化物薄膜的方法，其特征在于該方法包括如下步驟在所述的藍寶石基質上形成由CeO2薄膜制成的第一緩沖層，在所述的第一緩沖層上形成由其中的Ba被Sr取代的所述氧化物的薄膜制成的第二緩沖層，然后在所述的第二緩沖層上外延生長所述的氧化物。根據該方法，可以外延生長性能優良的氧化物薄膜，原因是可以在藍寶石基質上的CeO2緩沖層上形成含有Ba作為其構成元素并且選自氧化物磁性材料、氧化物電介質和氧化物導體的氧化物薄膜，而不與CeO2緩沖層中的Ce發生反應。
附圖簡述從下面的詳細描述以及所附的用于解釋本發明的某些實施形式的附圖可以更好地理解本發明。在這一點上，應該注意到，附圖所示的實施形式決不是限制本發明，而是為了方便本發明的解釋和理解。在附圖中

圖1表示在藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質上生長的CeO2(100)層表面的AFM(原子力顯微)圖；圖2是表示本發明制造的氧化物高溫超導體的XRD(X-射線衍射表)衍射圖樣的圖形；圖3是表示本發明制造的氧化物高溫超導體在平面方向的XRD測量結果的圖形；圖4是XRD衍射圖樣的圖形，該圖表示按照本發明制成的第二緩沖層中的Sr沒有與第一緩沖層中的Ce發生反應。
實施本發明的最佳方式下面將參照附圖所示的某些適宜的實施形式詳細地描述本發明。
關于本發明的具體實施形式，首先可以提到本發明的氧化物高溫超導體的制造方法。
在超導轉變溫度不小于77K的超導體中，Cu系氧化物高溫超導體諸如CuTl- 或CuTl- (參見Kotai Butsuri[Solid StatePhysics]，Vol.35，No.5，2000)(即具有組成通式Cu1-xTlxBa2Ca2Cu3O8-w或組成通式Cu1-xTlxBa2Ca3Cu4O10-w所示的組成，其中0≤x≤1且0≤w≤4)是一種具有最小的微波表面阻抗的材料。要獲得優良的微波設備需要選擇介電常數低的基質，并且同時需要達到超導體薄膜與基質之間的良好晶格匹配。
雖然單晶藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質因其成本低、表面積大、介電常數低而是優選的，但是，由于它與Cu系氧化物高溫超導體薄膜的晶格失配太大而不能使用。
為了解決該問題，已知的是，在藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質上使用CeO2(100)緩沖層是有效的。
圖1表示在藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質上生長的CeO2(100)層表面的AFM(原子力顯微)圖。由保持在525℃下藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質形成樣品，其中在所述晶面上在5毫托Ar和10毫托N2O的混合氣中利用磁控管RF噴射有200nm厚的CeO2層，然后將其在1100℃下進行熱處理。
正如從圖1中可明顯看出的那樣，可以看出CeO2晶粒呈矩形并且沿<-1，1，0，1>和<1，1，-2，0>方向排列。因此，CeO2是用于在藍寶石基質與氧化物高溫超導體薄膜之間建立晶格匹配的最佳材料。
然而，如果試圖在其上形成有CeO2緩沖層的藍寶石基質上外延生長氧化物高溫超導體薄膜，則出現的問題是氧化物高溫超導體薄膜的外延生長溫度引起氧化物高溫超導體薄膜中的Ba與Ce發生反應，形成BaCeO3，由此使得氧化物高溫超導體薄膜在結晶完整度和結晶取向性方面難以令人滿意。
本發明者已發現，通過如下方法可以解決該問題如果在作為第一緩沖層的CeO2層上構造一層薄膜作為氧化物高溫超導體的第二緩沖層(其中作為其構成元素的Ba被不容易與Ce反應的Sr代替)，然后在第二緩沖層外延生長將含Ba的氧化物高溫超導體薄膜，由此得出本發明。其中用Sr取代氧化物高溫超導體薄膜中的Ba的薄膜與將在其上生長的氧化物高溫超導體薄膜在結晶結構和晶格常數方面是同源的，并且與后者的晶格匹配程度非常高，由于其中Sr不容易與Ce反應，其還能起到最佳緩沖層的作用；因此它使得氧化物高溫超導體薄膜具有優良的結晶完整度和取向性。
本發明所形成的氧化物高溫超導體(其中在晶體基質上形成含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜)的特征在于，它包含用于減少晶體基質與氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配的第一緩沖層，以及在第一緩沖層上形成的用于防止Ba從高溫超導體薄膜中擴散出來的Sr氧化物的第二緩沖層，所述緩沖層位于晶體基質和氧化物高溫超導體薄膜之間。結果，可以得到結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體，原因是，即使用于減少基質與氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配的第一緩沖層由含有易于與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba發生界面反應的材料所組成，第二緩沖層也能防止這樣的表面反應或界面反應。
下面給出本發明的第一個具體實例。
首先提到樣品如何制備。將藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質在1100℃下熱處理2小時，然后將其表面整平并保持干凈。將形成的藍寶石基質保持在600℃下，然后在5毫托Ar和10毫托N2O的混合氣氛中通過磁控管RF噴射在其上形成CeO2層，膜厚為15nm。
隨后使用磁控管RF在溫度低至50℃的基質上噴射形成Cu1-xTlxSr2CaCu2O8-w的無定形膜，膜厚達到200nm，該組成相當于將Cu1-xTlxBa2CaCu2O8-w薄膜中的Ba用Sr取代。
然后通過磁控管RF噴射在該無定形膜上形成氧化物高溫超導體的無定形膜，其組成為CuTlBa2Ca2Cu3O10-w，膜厚達到700nm。
然后，將樣品從磁控管RF噴射裝置中取出，然后在由銀制成的密封容器(半徑為18mm、高度為10mm的板形容器)中與含鉈的高溫超導體圓盤(由CuTlBa2Ca2Cu3Oy組成，半徑為17.5mm，厚度為4mm，重量為10g)和分散于其上的50mg Tl2O3粉末顆粒一起裝料，然后在860℃下熱處理30分鐘。
圖2是表示本發明制造的氧化物高溫超導體的XRD(X-射線衍射表)衍射圖樣的圖形。在該圖中，附在衍生圖樣的衍射峰上的數字表示其相應的Miller晶面指數，圓括號內的數字表示對應的氧化物高溫超導體，附加于某些衍射峰上的字母Al2O3表示它們是藍寶石基質的衍射峰。正如從圖中可明顯看出的那樣，可以看出本發明制造的CuTlBa2Ca2Cu3O10-w氧化物型高溫超導體(即CuTl- )沿著晶體的c-軸外延生長。
圖3是表示本發明制造的氧化物高溫超導體的平面方向的XRD測定結果的圖形。圖中將衍射角2θ保持在對應于(107)Miller晶面指數的衍射角，將樣品以旋轉角圍繞與入射平面垂直的軸進行旋轉。正如從圖中可明顯看出的那樣，可以看出本發明制造的氧化物高溫超導體也具有優良的平面取向性。
下面所示的是，可以證實第二緩沖層中的Sr未與第一緩沖層中的Ce反應的實驗結果。所用的樣品與第一個具體實例所用的相同，所不同的是，在其上沒有構造組成為CuTlBa2Ca2Cu3O10-w的氧化物高溫超導體無定形膜，并且將其在890℃下進行熱處理，該溫度高于第一個具體實例中的處理溫度。圖4是表示第二緩沖層中的Sr未與第一緩沖層中的Ce發生反應的XRD衍射圖樣的圖形。在該圖中，附在衍生圖樣的衍射峰上的數字表示其相應的Miller晶面指數，圓括號內的數字表示對應的氧化物高溫超導體的類型，附在某些衍射峰上的圓括號內的字母CeO2和Al2O3表示它們是CeO2和藍寶石基質的衍射峰。從圖中可明顯地看出，未發現SrCeO3的衍射峰。該圖還表示出CeO2的衍射強度與熱處理前相比基本上保持不變。由此可以證實第二緩沖層中用來取代氧化物高溫超導體中的Ba的Sr沒有與由CeO2組成的第一緩沖層中的Ce發生反應。
下面給出本發明的第二個具體實例。
第二個具體實例與第一個具體實例相同，所不同的是用Ag2O粉末代替Tl2O3粉末。
利用該方法制造CuTlBa2Ca2Cu3O10-w氧化物型高溫超導體(即CuTl- )。它的XRD測定結果顯示與圖2和3相同的特征，其相應的轉變溫度Tc和臨界電流密度Jc分別是100K和4×104A/cm2。與在SrTiO3基質上制造的CuTl- 氧化物型高溫超導體相比，這些超導性能多少有些遜色，但是，這明顯是由于破裂引起的，并且如果采取防止破裂的措施的話，這些特性將會顯著提高。
雖然在以上的本發明具體實例中均是針對CuTl- 氧化物型高溫超導體，但是本發明顯然可應用于含有構成元素Ba并且具有組成通式Cu1-xMx(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w或組成通式(Cu1-xMx)2(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w所示的組成的任何氧化物高溫超導體，其中M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素或一種或多種堿金屬元素；L表示Mg、Y或一種或多種鑭系元素；Q表示Mg和Zn中的任何一種或兩種；并且0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤q≤0.1，0≤w≤4且2≤n≤5。
雖然在以上的具體實例中已經指出了第二緩沖層由與將要外延生長的目標氧化物高溫超導體相同的氧化物高溫超導體構成，所不同的是其中的Ba用Sr取代，但是顯然它可以由與目標氧化物高溫超導體不相同但與其相類似并且其Ba組分被Sr取代的氧化物高溫超導體所構成。
雖然在以上的具體實例中已經指出了第二緩沖層由與將要外延生長的目標氧化物高溫超導體相同的氧化物高溫超導體構成，所不同的是其中的Ba用Sr取代，但是顯然它可以是與目標氧化物高溫超導體晶格匹配良好的Sr氧化物膜。
因此，作為本發明的第二種實施形式，本發明提供了由含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜制成的并且在晶體基質上形成的氧化物高溫超導體，其特征在于它包含由Sr氧化物構成的、位于晶體基質與氧化物高溫超導膜之間的、用于減少它們之間的晶格失配并且還能防止Ba從氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的緩沖層。于是這樣也可以得到結晶完整度和結晶取向性均優良的氧化物高溫超導體，原因是，Sr氧化物減少了晶體基質與氧化物高溫超導體之間的晶格失配，并且同時防止了否則可能出現的晶體基質與氧化物高溫超導膜中的Ba之間的界面反應(如果該基質是由含有容易與氧化物高溫超導體薄膜中的Ba發生界面反應的物質的材料所構成的)。
雖然在本發明的以上實例中以在藍寶石基質上外延生長含Ba氧化物高溫超導體進行了說明，但本發明顯然不限于這樣的氧化物高溫超導體，而是可用于在藍寶石基質上外延生長的含有Ba的氧化物磁性材料、氧化物電介質和氧化物導體中的任何一種。
工業應用性本發明由此可以在介電常數低的基質上制造結晶完整度高、同時結晶取向性優良的氧化物高溫超導體。
權利要求
1.一種含有Ba作為其構成元素并在晶體基質上形成其薄膜的氧化物高溫超導體，特征在于其包含用于減少所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配的第一緩沖層，以及在所述的第一緩沖層上形成的由Sr氧化物制成的用于防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的第二緩沖層，這兩個緩沖層位于所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間。
2.一種含有Ba作為其構成元素并在晶體基質上形成其薄膜的氧化物高溫超導體，特征在于它包含由Sr氧化物組成的、位于所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間的、用于減少它們之間的晶格失配并且還能防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的緩沖層。
3.按照權利要求1或權利要求2所述的氧化物高溫超導體，其特征在于含有Ba作為其構成元素的所述氧化物高溫超導體由組成通式Cu1-xMx(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w或組成通式(Cu1-xMx)2(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w所示的組成來構成，其中M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素或一種或多種堿金屬元素；L表示Mg、Y或一種或多種鑭系元素；Q表示Mg和Zn中的任何一種或兩種；并且0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤q≤0.1，0≤w≤4且2≤n≤5。
4.按照權利要求1或權利要求2所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的Sr氧化物是選自下列的任何一種構成元素中不含Ba的薄膜形式的氧化物高溫超導體、其中的構成元素Ba被Sr取代的薄膜形式的氧化物高溫超導體以及與所述的氧化物高溫超導體薄膜晶格匹配良好的層狀的Sr氧化物。
5.按照權利要求1或權利要求2所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的晶體基質是藍寶石基質。
6.按照權利要求5所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的藍寶石基質具有藍寶石R晶面(1，-1，0，2)。
7.按照權利要求1所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的第一緩沖層是CeO2層。
8.按照權利要求1所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的第二緩沖層具有組成通式Cu1-xMxSr2CaCu2O8-w所示的組成，其中，M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素或一種或多種堿金屬元素，并且，其中x和w分別用0≤x≤1且0≤w≤4表示。
9.按照權利要求1所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的第二緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下進行熱處理。
10.按照權利要求1所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的第二緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Tl的存在下進行熱處理。
11.按照權利要求2所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下進行熱處理。
12.按照權利要求2所述的氧化物高溫超導體，其特征在于所述的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Tl的存在下進行熱處理。
13.一種在藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質上形成的、含有Ba作為其構成元素并且選自氧化物磁性材料、氧化物電介質和氧化物導體的氧化物薄膜，其特征在于所述的薄膜具有通過以下方法形成的層狀結構在所述藍寶石基質上形成由CeO2薄膜制成的第一緩沖層，在所述的第一緩沖層上形成由其中的Ba被Sr取代的所述氧化物薄膜制成的第二緩沖層，然后在所述的第二緩沖層上形成所述的氧化物。
14.一種通過在晶體基質上外延生長氧化物高溫超導體薄膜來制備含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體的薄膜的方法，其特征在于該方法包括如下步驟在所述的晶體基質上形成用于減少所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配的第一緩沖層；在所述的第一緩沖層上形成由Sr氧化物組成的、用于防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的第二緩沖層；然后在所述的第二緩沖層上外延生長所述的氧化物高溫超導體薄膜。
15.一種通過在晶體基質上外延生長氧化物高溫超導體薄膜來制備含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體的薄膜的方法，其特征在于該方法包括如下步驟在所述的晶體基質上形成由Sr氧化物構成的、用于減少所述的晶體基質與所述的氧化物高溫超導體薄膜之間的晶格失配并且還能防止Ba從所述的氧化物高溫超導體薄膜中擴散出來的緩沖層；然后在所述的緩沖層上外延生長所述的氧化物高溫超導體薄膜。
16.按照權利要求14或權利要求15所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體由組成通式Cu1-xMx(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w或組成通式(Cu1-xMx)2(Ba1-ySry)2(Ca1-zLz)n-1(Cu1-qQq)nO2n+4-w所示的組成來構成，其中M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素，或者一種或多種堿金屬元素；L表示Mg、Y或一種或多種鑭系元素；Q表示Mg和Zn中的任何一種或兩種；并且0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，0≤q≤0.1，0≤w≤4且2≤n≤5。
17.按照權利要求14或權利要求15所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的Sr氧化物是選自下列的任何一種構成元素中不含Ba的薄膜形式的氧化物高溫超導體、其中的構成元素Ba被Sr取代的薄膜形式的氧化物高溫超導體以及與所述的氧化物高溫超導體薄膜晶格匹配良好的層狀的Sr氧化物。
18.按照權利要求14或權利要求15所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的晶體基質是藍寶石基質。
19.按照權利要求18所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的藍寶石基質具有藍寶石R晶面(1，-1，0，2)。
20.按照權利要求14所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的第一緩沖層是CeO2層。
21.按照權利要求14所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的第二緩沖層具有組成通式Cu1-xMxSr2CaCu2O8-w所示的組成，其中，M表示Tl、Hg、Bi、Pb、In、Ga、Al、B、C、Si、Sn、Ag、Au、S、N、P、Mo、Re、Os、Cr、Ti、V、Fe、一種鑭系元素或一種或多種堿金屬元素，并且其中x和w分別用0≤x≤1且0≤w≤4表示。
22.按照權利要求14所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的第二緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下進行熱處理。
23.按照權利要求14所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的第二緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Tl的存在下進行熱處理。
24.按照權利要求15所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Ag2O或AgO的存在下進行熱處理。
25.按照權利要求15所述的制備氧化物高溫超導體薄膜的方法，其特征在于所述的含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜通過外延生長制得，由此將用來形成該氧化物高溫超導體的無定形相沉積到所述的緩沖層上，然后將沉積的無定形相在氧氣氛中及1.0至10atm的壓力下、在Tl的存在下進行熱處理。
26.一種通過在藍寶石R(1，-1，0，2)晶面基質上外延生長含有Ba作為其構成元素并且選自氧化物磁性材料、氧化物電介質和氧化物導體的氧化物來制備氧化物薄膜的方法，其特征在于該方法包括如下步驟在所述的藍寶石基質上形成由CeO2薄膜制成的第一緩沖層，在所述的第一緩沖層上形成由其中的Ba被Sr取代的所述氧化物薄膜制成的第二緩沖層，然后在所述的第二緩沖層上形成所述的氧化物。
全文摘要
本發明公開了在介電常數低的晶體基質上形成結晶完整度高、結晶取向性優良的氧化物高溫超導體薄膜的氧化物高溫超導體，以及制備這樣的氧化物高溫超導體的方法。在制造在晶體基質上形成有含有Ba作為其構成元素的氧化物高溫超導體薄膜的氧化物高溫超導體的過程中，在藍寶石R(1，－1，0，2)晶面基質上形成由CeO
文檔編號C30B23/02GK1551933SQ02817489
公開日2004年12月1日 申請日期2002年9月5日 優先權日2001年9月6日
發明者森達雷桑·阿西娜拉亞南, 森達雷桑 阿西娜拉亞南, 伊原英雄, 雄 申請人:獨立行政法人 科學技術振興機構