图1是在织构YYC/NiW金属基带上基片温度分别为720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃下制备的YBCO 薄膜的 θ-2 θ扫描图谱。从图1可以看出, 基片温度为720℃和740℃时制备的YBCO薄膜中存在明显的 a轴取向, 表明当基片温度偏低时, 薄膜为 a轴和 c轴晶粒共同混合生长, 并且随着基片温度升高, a轴衍射峰强度逐渐变弱, c轴衍射峰增强。当基片温度达到760℃, θ-2 θ扫描图谱中无 a轴衍射峰, 薄膜呈单一的 c轴取向, 并在基片温度为780℃时 c轴衍射峰峰强达到最大。由于所有样品薄膜厚度一样, 表明此温度点YBCO薄膜的结晶质量最高。随着基片温度继续升高, c轴衍射峰峰强开始减弱, 在基片温度为820℃时, 从扫描图谱中可以观察到明显的NiWO₄衍射峰和BaCeO₃衍射峰。值得注意的是, 所有样品的扫描图谱都存在NiWO₄和NiO衍射峰(分别在19^o和37^o附近), 表明长时间等离子体的轰击一定程度上破坏了过渡层良好的结构, 使所有样品的金属基带都发生了一定程度的氧化, 并且基片温度越高, NiWO₄和NiO衍射峰越强, 表明基带的氧化程度越严重。另外, 基片温度为820℃时出现的BaCeO₃是由于基片温度过高使得YBCO与CeO₂反应生成的。因此, 基片温度过高不仅使基带的氧化程度加重, 还会使YBCO与CeO₂间发生界面反应, 导致YBCO薄膜的微观结构衰退。

图1

Fig. 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 不同基片温度下制备的YBCO薄膜的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of YBCO films prepared at different substrate temperatures

当基片温度达到760℃, 从 θ-2 θ扫描图谱就观察不到YBCO的 a轴取向晶粒, 但是事实上, 薄膜仍然可能是 a/c轴混合取向生长。YBCO(102)面 χ扫描可以进一步确定外延取向^{[ 10]}, 如图2所示, 图中33^o附近衍射峰来自于 a轴取向晶粒, 57^o附近衍射峰来自于 c轴晶粒。从 χ扫描图谱中不难看出, 基片温度为720℃、740℃时制备的薄膜中明显存在 a轴晶粒, 和图1相对应。而760℃下制备的样品, 尽管 θ-2 θ扫描图谱中为纯 c轴取向, 但在 χ扫描图谱中仍然观察到极微弱的33^o衍射峰。采用扫描电子显微镜(SEM)观察其表面形貌, 其结果如图3所示, 从图中可以观察到少量针尖状 a轴晶粒, 表明基片温度为760℃制备的薄膜中 a、 c轴取向共存。基片温度为780℃至820℃制备的YBCO薄膜无论是 θ-2 θ扫描还是 χ扫描, 均为单一的 c轴取向。YBCO薄膜中 a轴晶粒所占的比例 F_a由公式(1)

F _a=I_a(102)/(I_c(102) )+I_a(102) (1)

确定, 其中 I_a(102)和 I_c(102)分别表示对YBCO(102)面 χ扫描中 a轴晶粒和 c轴晶粒产生的衍射峰的积分强度。基片温度为720℃、740℃和760℃制备的YBCO薄膜的 F_a依次为61.34%、9.46%和0.95%, 进一步证明随基片温度升高, YBCO外延薄膜由以 a轴取向生长为主逐步向以 c轴取向生长过渡, 并最终达到纯 c轴取向生长。

图2

Fig. 2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 不同基片温度下制备的YBCO样品(102)面 χ扫描图谱Fig. 2 (102) plane χ scan of YBCO films prepared at different substrate temperatures

图3

Fig. 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 基片温度为760℃时制备的YBCO薄膜的SEM照片Fig. 3 SEM image of the YBCO thin film prepared at substrate temperature of 760℃

YBCO薄膜中的位错密度采用Williamson-Hall法^{[ 11]}定量计算, 线性拟合公式为:

(2)

其中, FWHM _ω代表衍射峰的半高宽, θ为布拉格角, λ为X射线波长, α_ω为与螺型位错相关的倾斜角度, L为横向相干长度。对公式(2)恒等变形可得:

(3)

从公式(3)中可以看出, 倾斜角度 α_ω即为FWHM _ω× (sin θ)/ λ与sin θ/ λ关系曲线的斜率。通过测试YBCO薄膜(00l)衍射峰半高宽, 如表1所示, 带入公式(3)中, 进而得到图4所示的FWHM _ω×(sin θ)/ λ与sin θ/ λ关系曲线, 求得倾斜角度 α_ω。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同基片温度制备的YBCO薄膜的衍射峰半高宽, 倾斜角度 αω, 螺位错密度 NS, 刃位错密度 NE及总位错密度 N Table 1 FWHMs, tilt angle αω, density of the screw type threading dislocations NS, density of edge dislocations NE and the total dislocation density of YBCO thin films prepared at different substrate temperatures 740℃ 760℃ 780℃ 800℃ 820℃ sin θ/λ Δ ω(002) 1.625 3.222 2.146 4.956 2.984 0.0855 Δ ω(004) 1.442 2.231 2.005 2.963 1.762 0.171 Δ ω(005) 1.439 2.046 2.193 2.353 1.780 0.21375 Δ ω(007) 1.492 1.843 1.970 1.976 1.638 0.29925 Δ ω(008) 1.337 1.652 2.046 1.875 1.042 0.342 αω 0.02366 0.02055 0.03453 0.01422 0.01121 - NS 4.79×1010 3.61×1010 1.02×1011 1.73×1010 1.07×1010 - Δ Φ(103) 4.862 5.618 5.325 5.385 4.426 - NE 1.63×1012 2.17×1012 1.95×1012 2.00×1012 1.35×1012 - N 1.68×1012 2.21×1012 2.05×1012 2.01×1012 1.36×1012 -

表1 不同基片温度制备的YBCO薄膜的衍射峰半高宽, 倾斜角度 αω, 螺位错密度 NS, 刃位错密度 NE及总位错密度 N Table 1 FWHMs, tilt angle αω, density of the screw type threading dislocations NS, density of edge dislocations NE and the total dislocation density of YBCO thin films prepared at different substrate temperatures

图4

Fig. 4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 不同基片温度下制备的YBCO薄膜的Williamson-Hall图谱Fig. 4 Williamson-Hall patterns of YBCO films prepared at different substrate temperatures

由倾斜角度 α_ω计算螺位错密度 N_S的方程如下:

(4)

其中, b_c为 c型螺位错的伯格矢量, | b_c|=0.5185 nm。不同温度下螺位错密度如图5所示。

图5

Fig. 5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 不同基片温度制备的YBCO薄膜的临界电流密度 Jc(77 K, 0 T)、螺位错密度 NS、刃型位错密度 NE和总位错密度 NFig. 5 The critical current density Jc(77K,0T), the density of the screw type threading dislocations ( NS), the edge dislocations( NE) and the total dislocations( N) of YBCO thin films prepared at different substrate temperatures

薄膜中的刃型位错密度由YBCO(103)面的 Φ扫描图谱的半高宽计算:

(5)

其中, FWHM _Φ代表 Φ扫描中各衍射峰的半高宽, b_E为刃位错的伯格矢量, | b_E|=0.3189 nm, 计算可得到不同基片温度下样品中刃型位错密度值。总位错密度 N即为螺位错与刃型位错密度之和, 如图5所示:

(6)

从图5中可以观察到, 随基片温度升高, 临界电流密度 J_c先增加后降低, 在780℃时达到最大值1.3 MA/cm²(77 K, 0 T)。这与XRD的分析结果一致: YBCO薄膜外延质量随沉积温度的升高先优化而后衰退, 在基片温度为780℃时外延生长的YBCO薄膜的超导性能最佳, 这主要是由于在较低的基片温度下制备的YBCO薄膜为 a轴和 c轴取向混合生长, a轴晶粒的存在会导致大角度晶界的产生, 从而阻碍超导电流在 a-b面内的传输, 降低其临界电流密度。而当基片温度过高时, 基带氧化及YBCO与缓冲层间的界面反应都会引起薄膜微观结构的衰退, 从而降低其电学性能。另外, 观察图5中的各个关系曲线可以发现, 对于 c轴生长的YBCO薄膜, 其临界电流密度随基片温度的变化趋势与螺位错密度随基片温度的变化趋势是相同的, 而与占总位错90%以上的刃位错密度关系不大。

为了更好地研究位错密度与超导薄膜电学性能之间的关系, 如图6所示为临界电流密度与螺位错密度及刃位错密度的关系曲线。从图6中可以看出, 随螺位错密度的增加, 薄膜的 J_c迅速增大; 而刃位错密度与 J_c之间似乎无规律性可言。YBCO薄膜的 J_c对螺位错密度比对刃位错密度更加敏感, 可以归咎为YBCO薄膜的生长机制。在YYC/NiW金属基带上外延生长YBCO薄膜时, YBCO层与CeO₂模板层间的晶格失配可能会在界面附近引入位错和缺陷, 同时缓冲层本身存在大量位错和缺陷也会蔓延到YBCO薄膜层中, 这些位错和缺陷成为YBCO薄膜螺旋岛状生长的成核中心。YBCO薄膜的每一个螺旋生长结构都是以螺位错为中心, 螺位错密度较大意味着薄膜生长初期可以有大量的螺位错成为成核中心, 这些螺旋形的台阶将诱使原子沿其聚集而形成螺旋结构, 因此螺位错密度较大时有助于YBCO薄膜螺旋式生长方式的形成和完善, 从而获得较高的临界电流密度。而小的螺位错密度则可能导致薄膜的螺旋生长结构发育不完善, 造成 J_c的降低。因此, 螺位错密度可以显著影响薄膜的电学性能: 大的螺位错密度有助于YBCO结晶质量的提高。而由于YBCO薄膜的螺旋生长机制与刃位错无关, 因此刃位错密度与超导薄膜的临界电流密度值没有明显关系。

图6

Fig. 6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 临界电流密度( Jc)与(a)螺位错密度( NS)及(b)刃型位错密度( NE)关系曲线Fig. 6 The relationship between the critical current density ( Jc) and the dislocations density: (a) screw type threading dislocations NS; (b) edge dislocations NE